Messung von Spurengas-Konzentrationen

Messung von Spurengas-Konzentrationen

7. Juni 2022

Im Labor werden folgende Treibhaus- und andere Spurengase in Flask-Luftproben gemessen:

CO2, CH4, CO (jeweils zur Qualitätskontrolle der kontinuierlichen Messungen an den Stationen), sowie N2O (drittwichtigstes langlebiges Treibhausgas), SF6 (langlebiges Industriegas, das die Herkunft von Luftmassen aus industrialisierten Gegenden anzeigt), sowie Wasserstoff.

Die Anforderung an die Genauigkeit der Messungen ist sehr hoch, da die Signale sehr klein sind. Bereits geringe relative Konzentrationsveränderungen können auf systematische Änderungen von Treibhausgasquellen oder Senken hindeuten oder durch besondere Ereignisse hervorgerufen worden sein (z.B. COVID19-Lockdown, großflächige Waldbrände, ungewöhnliche klimatische Verhältnisse in einer Jahreszeit).

Messmethode

Die Gaschromatografie ist eine Technik, in der ein Stoffgemisch (z.B. Luft) mit einem Gasstrom durch ein langes Rohr transportiert wird, das mit einem Material gefüllt ist, an dem unterschiedliche Bestandteile unterschiedlich stark haften bleiben (adsorbieren). Damit erreicht man, dass einzelne Komponenten aus der Luft nach einer gewissen Zeit von störenden anderen Bestandteilen abgetrennt aus dieser Trenneinheit austreten und in einem Detektor ein physikalische messbares Signal hervorrufen. Dieses ist proportional zur Konzentration dieser Komponente. Für unterschiedliche Spurengase eignen sich jeweils spezifische, hochempfindliche Detektionsprinzipien. Eingesetzt werden:

  • Flammenionisations-Detektor (FID) für CH4 und CO2 (nach vorgeschalteter Reduktion zu CH4)
  • Elektron-Einfang Detektor (ECD) für N2O und SF6
  • HgO-Reduktions-Gas-Detektor (RGD) für CO
  • Pulsed-Discharge-Detector (PDD) für H2

Für die Durchführung aller Analysen steht nur ein begrenztes Luftvolumen zur Verfügung. Eine einzelne gaschromatografische Analyse der Konzentrationen aller Gase benötigt ca. 100 ml Probenvolumen. Typischerweise werden 3-5 Wiederholungsmessungen zur Reduzierung der Messunsicherheit durchgeführt.

Kalibrierung

Die Detektionsprinzipien resultieren darin, dass ein sehr kleines elektrisches Signal präzise gemessen wird. Ein wesentlicher Teil der Messung ist die genaue Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Konzen­tration des Analyten und der Signalgröße. Hierfür werden Vergleichsmessungen von Referenzgasen bekannter Zusammensetzung und Proben durchgeführt. Die Genauigkeit der Kenntnis der Gaskonzentration in diesen Referenzgasen ist eine der wesentlichen Limitierungen der Messgenauigkeit. Eine perfekte Richtigkeit der absoluten Konzentrationswerte ist für die meisten wissenschaftlichen Fragen aber nicht entscheidend - entscheidend ist vielmehr, dass alle Messdaten eines Messnetzes in sich, zwischen verschiedenen globalen Messnetzen und über viele Jahrzehnte hinweg in sehr hohem Maß konsistent sind. Dies wird erreicht, indem es weltweit ein von der WMO anerkanntes zentrales Kalibrierlabor gibt. Dieses muss gewährleiten, daß alle Messungen auf die physikalischen Grundeinheiten des Internationalen Einheitensystems (SI) zurückverfolgt werden können. Die Anbindung an dieses SI-System gelingt durch primäre Referenzmaterialien, auf deren genau ermittelte Konzentrationswerte alle Messungen im Rahmen des WMO Global Atmosphere Watch Programms basieren. Diese Referenzstandards decken jeweils für die einzelnen Spurengase einen Konzentrationsbereich ab, der die atmosphärischen Messwerte umfasst und werden als Kalibrierskala bezeichnet. Fortschritte in der Instrumententechnik, Erkenntnisse über kleine Veränderungen in diesen primären Referenzstandards oder Störeinflüsse anderer Komponenten können dazu führen, dass das WMO-CCL Korrekturen der Konzentrationsangaben dieser Primärstandards machen muss. Die zu verschiedenen Zeitpunkten gültigen Konzentrationsangaben werden durch den Skalen-Versionsnamen voneinander unterschieden.

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