Alterungsstudien und „Forensik“ der Luftverschmutzung mithilfe stabiler Isotope

Die Anwendung stabiler Isotope in Alterungsstudien und der „Forensik“ der Luftverschmutzung beruht auf zwei Grundprinzipien:

• das Isotopenverhältnis der organischen Verbindungen in der Atmosphäre – als Delta-Wert formuliert, δ¹³C - hängt vom Isotopenverhältnis der Emissionen ab. Beide Delta-Werte, an der Quelle und am Expositionsort, werden unabhängig voneinander im Labor gemessen. Bemerkenswerterweise sind Isotopenverhältnisse quellenspezifisch. Diese 'Isotopenfinger-abdrücke/-signaturen' können verwendet werden, um den Ursprung emittierter Schadstoffe zurückzuverfolgen;
• die Änderung der Isotopenverhältnisse während atmosphärischen Transports hängt allein von der Isotopenfraktionierung ab, die aus Reaktionen oder physikalischen Verlustprozessen resultiert. Der kinetische Isotopeneffekt (KIE), der das Verhältnis der Geschwindigkeitskonstanten für die Reaktion mit ¹²C-Reaktanten und der mit ¹³C-Reaktanten darstellt, kann im Labor gemessen werden.

Die Gleichung der „isotopischen Kohlenwasserstoff-Uhr“ ermöglicht die Bestimmung des isotopischen photochemischen Alters einer einzelnen Verbindung anhand ihrer isotopischen Zusammensetzung, sofern die Quellensignatur δ¹³C₀ und der reaktionsspezifische KIE bekannt sind.

Isotopenmodellierungsstudien

Die Nutzung der beiden unabhängigen isotopischen Informationen – δ¹³C an der Quelle und am Expositionsort sowie das KIE des chemischen Abbaus – in einem windgetriebenen Modell führt zu einer Reihe paralleler Gleichungen. Auf dieser Grundlage kann der Einfluß der Quellstärke vom chemischen Verlust in der Atmosphäre getrennt werden.

Der Vergleich des isotopischen mit dem trajektorienbasierten photochemischen Alter ist eine äußerst innovative Methode zum Testen von Modellen.

Kohlenstoffbillanz und chemische Mechanismen

Aufgrund der zusätzlichen Information dienen Isotope als eine äußerst innovative Methode, um Einblicke in komplexe atmosphärische Reaktionsmechanismen zu gewinnen. Durch die Analyse der δ¹³C-Bilanz von sekundären organischen Verbindungen, die in den ersten- und nachfolgenden Generationen der untersuchten photochemischen Prozesse gebildet werden, ermöglichen sie ein besseres Verständnis des Mechanismus dieser Reaktionen.

Für unsere Forschungen am ICE-3 greifen wir auf verschiedene Messtechniken und Instrumente zurück. Ein wesentlicher Teil dieser Geräte wurde dabei selbstentwickelt, um die spezifischen Anforderungen zu erfüllen, die sich durch teilweise äußerst geringe Konzentrationen oder schwierige Messbedinungen im Feld und auf Flugzeugen ergeben.