In-situ-Instrumentation: Spurenstoffe
Am Institut für Physik der Atmosphäre werden in-situ-Messsysteme für Spurengase weiterentwickelt und für den Einsatz auf verschiedenen Messträgern in der Atmosphäre optimiert. Zu den Messträgern zählen die DLR Forschungsflugzeuge HALO, Falcon und Cessna. Zusätzlich werden für einige Forschungsaufgaben auch andere Flugzeuge genutzt, wie z.B. eine Grob G 520. Daneben wird eine Schleppsonde unter einem Helikopter für quellennahe Messungen genutzt. Erste Erfahrungen wurden auch mit der Messung von Treibhausgasen mit Drohnen gewonnen. Abgerundet wird dieses Spektrum von Messträgern im Rahmen von IAGOS-CARIBIC durch den Einsatz von Messinstrumenten in einem Container im Laderaum eines Linienflugzeuges der Lufthansa.
Die Messinstrumente werden im Wesentlichen für die Untersuchung von drei wissenschaftlichen Fragestellungen eingesetzt:
· Quantifizierung der Emissionen langlebiger Treibhausgase wie CO2, CH4 und N2O aus anthropogenen und natürlichen Quellen.
· Charakterisierung von Flugzeugemissionen, auch z.B. in Abhängigkeit verschiedener, auch zukünftiger Treibstoffarten.
· Charakterisierung der Hintergrund-Atmosphäre in Bezug auf Herkunft und Verschmutzung der Luftmassen. Die Messungen erlauben auch Rückschlüsse auf die Aerosolbildung.
Der Einsatz auf Flugzeugen stellt besondere Anforderungen an die Messgeräte: Geringes Gewicht, schnelle Ansprechzeit, hohe Präzision, niedrige Nachweisgrenze als auch Stabilität der Messungen bei Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen. Dies bedingt eine sorgfältige Auswahl der in Frage kommenden Messgeräte und deren gezielte Adaption für den Flugzeugeinsatz.
Die Treibhausgas-Messungen basieren auf der spezifischen Absorption von Spurengasen im infraroten Wellenlängen-Bereich in Verbindung mit direkter Absorptions- oder Cavity-Ringdown Spektroskopie. Ozon wird durch die Absorption von UV-Licht nachgewiesen und die Messung von CO beruht auf dem Prinzip der Vakuum-Resonanzfluoreszenz. Zur Messung von NO, NO2 und der Summe aller reaktiven Stickoxid-Verbindungen werden Chemilumineszenz-Detektoren in Verbindung mit Reduktionskonvertern eingesetzt.
Die hochempfindliche Chemische Ionisations-Massenspektrometrie (CIMS-Technik) kann durch Verwendung von spezifischen Reagenz-Ionen verschiedene Spurengase nachweisen, insbesondere SO2 und HNO3. Eine aktuelle Weiterentwicklung der Massenspektrometer zielt auf die Messung von schweren Ionen im Abgasstrahl von Flugzeugen.
Für die nahe Zukunft wird auch die Messung von Wasserstoff mittels Massenspektrometrie angestrebt.