Flask Probenaufgabesystem (BGC-Luftfalle). Hier werden 
Proben von Messstationen aus aller Welt gemessen. (© A. Schroll/MPI-BGC)

Stabile Isotopenanalytik (BGC-IsoLab)

Hochpräzise Isotopenanalysen atmosphärischer Gase

Die Servicegruppe Stabile Isotope (BGC-IsoLab) misst stabile Isotopenverhältnisse in atmosphärischen Gasproben, aber auch in Bodenproben, Pflanzen oder Wasser. In Zusammenarbeit mit externen Partnern forschen wir zu Themen wie neuer Instrumentierung, Kalibirierung und Isotopen-Standardisierung. Das BGC-IsoLab dient zusätzlich als zentrales Kalibrierlabor (CCL) der Weltorganisation für Meteorologie (World Meteorological Organisation, WMO) für CO2 -Isotopenmessungen in der Luft und stellt Referenzmaterial (JRAS) für andere Labore zur Verfügung. Eine ähnliche Rolle wird zukünftig für die Analyse von Methan-Isotopen angestrebt.

 

Kohlenstoffisotope

Isotope sind Atome des gleichen Elements mit der gleichen Anzahl an Elektronen und Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen. Kohlenstoff hat zwei stabile (nicht radioaktive) Isotope, 12C und 13C, die in der Natur im Verhältnis 98.9% zu 1.1 % vorkommen. Ein weiteres Isotop, welches auf natürliche Weise in der Stratosphäre gebildet wird (14C), ist radioaktiv. Mit einer Halbwertszeit von etwa 5730 Jahren wird es häufig zum Datieren archäologischer Funde genutzt (Radiokarbonmethode). Die unterschiedliche Neutronenzahl führt zu sehr kleinen Gewichtsunterschieden zwischen den schweren (13C) und den leichten (12C) Isotopenspezies. Diese beeinflusst die Reaktionsfreudigkeit in biochemischen, aber auch physikalischen Prozessen.

Die Fotosynthese ist wählerisch

Bei der Fotosynthese nutzen die Pflanzen Licht, um aus CO2 und Wasser Zucker herzustellen. Die Enzyme, die den Prozess katalysieren, bevorzugen das isotopisch leichtere 12CO2 gegenüber dem isotopisch schwereren 13CO2 -Molekül. Dies führt zu einer Verschiebung in der Häufigkeit der Isotope (Isotopenfraktionierung), so dass das fotosynthetisch gebildete organische Material isotopisch leichter (mit 12C angereichert) ist. Alle fossilen Brennstoffe bestehen aus organischem Material, welches in der Vergangenheit durch Fotosynthese entstanden ist. Daher entlässt nachweislich das Verbrennen von Öl, Gas und Kohle isotopisch leichtes 12CO2 in die Atmosphäre, welches auch zum Klimawandel beiträgt. Die zusätzlichen jährlichen Schwankungen in der Kohlenstoffisotopie von atmosphärischem CO2 gehen auf die pflanzliche Aufnahme von CO2 im Frühling und auf die Freisetzung von CO2 im Herbst zurück.

Klimatische Veränderungen in der Vergangenheit

Variationen von Isotopensignaturen organischer Moleküle, die in Sedimenten, Böden, Öl und Eiskernen zu finden sind, erlauben es, vergangene Klimaänderungen zu rekonstruieren. Das Wasser (H2O), welches die Pflanzen für ihr Wachstum nutzen, kommt von Wasserdampf aus der Atmosphäre, der als Regen auf den Boden fällt. Die Isotopie von Wasserstoff ( 1H und 2H) und Sauerstoff (16O, 17O und 18O) des Wassers hängt von verschiedenen Faktoren wie Temperatur, Regenmenge und Längen- sowie Breitengrad ab. Veränderungen im Wasserkreislauf beeinflussen somit die Isotopensignatur des Wassers, das die Vegetation aufnimmt. Die dadurch veränderte Isotopie beispielsweise in Blattwachsen aus Sedimenten kanngenutzt werden, um Veränderungen im Wasserkreislauf zu rekonstruieren.

Isotope von Atmosphärenbestandteilen

Das BGC-IsoLab hat sich auf die Analyse der Isotopenverhältnisse von atmosphärischem CO2 (13C und 18O) und CH4 (13C und 2H) spezialisiert. Eigens für die Messung von CO2 aus Luft hat das BGC-IsoLab einen Standard basierend auf Karbonaten entwickelt. Mit Phosphorsäure wird das CO2 aus den Karbonaten herausgelöst und in CO2-freie Luft gebracht. Dadurch entstehen „Jena Reference Air Set“ Standards, mit deren Hilfe Labore weltweit Ihre Isotopenmessungen standardisieren. Seit 2010 ist das BGC-IsoLab das zentrale Kalibrierlabor für Isotopenmessungen von CO2 in Luft für die Global Atmosphere Watch (GAW) Gemeinschaft, der auch Messstationen, Datenzentren und Forschungsgruppen angehören. Seit 2002 zeichnen Wissenschaftler Messreihen von Isotopenverhältnissen von CO2 und CH4 an verschiedenen Orten der Welt, z.B. in Sibirien und Namibia, auf. Solche Langzeitstudien über die Isotopenverhältnisse von klimarelevanten Gasen ermöglichen uns, die Auswirkungen des Klimawandels zu studieren.

Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre

Mit dem menschengemachten Anstieg der CO2 -Konzentration in der Atmosphäre geht eine weniger bekannte Abnahme der atmosphärischen Sauerstoffkonzentration einher. Für jedes Kohlenstoffatom, das aus fossilen Brennstoffen verbrannt wird, wird der Atmosphäre ein Molekül Sauerstoff (O2) entzogen. Allerdings ist die O2-Konzentrationsveränderung sehr viel schwieriger zu messen als die CO2 Konzentrationsveränderung, da der Konzentrationshintergrund von Sauerstoff mit 21 Prozent viel grösser ist, als der von CO2 mit 0.04 Prozent. Um die benötigte Messpräzession zu erreichen, hat das BGC-IsoLab Messgeräte weiterentwickelt, ein eigenes Probenaufbereitungssystem entwickelt und spezialisierte Standardisierungsprotokolle erarbeitet.

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