Fortschrittliche Gasdetektionstechnologie unterstützt arktische Treibhausgas-Forschung

Im arktischen Eis und in gefrorenen Böden sind riesige Mengen von Treibhausgasen (THG) gespeichert. Daher ist ein klares Verständnis der Beziehung zwischen Treibhausgasen in der Atmosphäre und im Eis / Boden von entscheidender Bedeutung, da das Auftauen des Permafrostes einen gefährlichen Kipppunkt im Klimasystem verursachen kann. Für die Überwachung von Gasen könnte das Umfeld kaum schwieriger sein. Ph.D.-Forscher Martin Brummell und die Professoren Steven Siciliano und Rich Farrell von der University of Saskatchewan haben jedoch einen Gasmet DX4015 FTIR-Analysator erfolgreich in der High Arctic of Canada eingesetzt.

Für die Arbeit müssen die Analysegeräte eine Reihe von Voraussetzungen erfüllen, denn die extremen Wetterbedingungen in den arktischen Regionen stellen Anforderungen, für deren Bewältigung es noch keine Standards gibt. Martin Feldmann: „Die Ausrüstung muss auch extrem zuverlässig sein, denn Sie haben keinen Gasmet-Sevicedienst dabei. Erste Wahl war der Gasmet DX4015 auch dadurch, weil er als FTIR-Analysator fast jedes Gas überwachen kann, was gewöhnlich nur bei netzbetriebenen Laborgeräten der Fall ist. Der DX4015 ist tragbar und wird von einem kleinen Generator angetrieben, sodass er sich für die Überwachung an abgelegenen Orten geradezu anbietet.“

Probenahme und Analyse in der Arktis

Ein Satz einfacher, perforierter Stahlrohre wurde bis zur Fostschwelle in den Boden gerammt. Innerhalb dieser Röhren erreichen die Gase aus dem Boden durch Diffusion nach 24 Stunden ein Gleichgewicht. Dies ermöglichte es den Forschern, Gaskonzentrationen bis zu einer Tiefe von 0,5 Metern zu analysieren. Das Verfahren war einfach und daher zuverlässig wiederholbar.
Darüber hinaus ermöglichte die Messung von Gaskonzentrationen in verschiedenen Tiefen einen direkten Vergleich mit Bodenanalysen.

FTIR vor Ort

Der Gasmet™ DX4015 ist ein tragbarer FTIR-Gasanalysator zur Analyse der Umgebungsluft. FTIR, eine Abkürzung für Fourier-Transform Infrared, ist ein interferometrisches spektroskopisches Instrument (Interferometer), das die Infrarotkomponente des elektromagnetischen Spektrums für Messungen verwendet. Eine Fourier-Transformationsfunktion bildet das Absorptionsspektrum als Funktion der Frequenz oder der Wellenlänge ab. Daher kann der DX4015 gleichzeitig bis zu 50 Gasverbindungen analysieren. In der Regel ist der Analysator für die Messung verschiedener Gase ausgelegt, darunter VOCs, Säuren, Aldehyde und anorganische Verbindungen wie CO, CO2 und N2O.

Der DX4015 wird mit einem Laptop mit der Calcmet™-Software betrieben, einem Programm, das nicht nur den Analysator steuert, sondern auch die Analyse übernimmt. Die Software ist in der Lage Umgebungsgase gleichzeitig zu erfassen, zu identifizieren und zu quantifizieren. So werden mehrere Gase in nahezu Echtzeit analysiert.

Viele nützliche Eigenschaften des FTIR wie Zuverlässigkeit, Präzision und Flexibilität machen ihn zu einem wichtigen analytischen Gerät in unterschiedlichsten Anwendungen. Dazu zählen industrielle Emissionsüberwachung, Sicherheit am Arbeitsplatz, Abgastest, Prozessüberwachung, Lecksuche, Gefahrenabwehr, chemische Verschmutzungs- und Branduntersuchungen und andere.

Beim Einsatz auf der Expedition zur Erforschung der Böden in den polaren Kältewüsten der Arktis konnte der DX4015 seine Fähigkeiten unter diesen Umständen unter Beweis stellen. Auf der Insel Ellesmere in der Region Baffin in Nunavut, Kanada, musste der Analysator unter extremen Wetterbedingungen zuverlässig funktionieren. Er überwachte die Produktion, den Verbrauch und den atmosphärischen Austausch der Treibhausgase Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Distickstoffoxid (N2O). Alle drei sind Hauptbestandteile natürlicher biogeochemischer Zyklen und werden von Bodenmikroben freigesetzt.

Mit dem DX4015 wurde sowohl der Gasfluss von der Bodenoberfläche als auch das Konzentrationsprofil von Gasen in der aktiven Schicht des Bodens über dem Permafrost untersucht. Das FTIR lieferte dabei Rohdaten aus Gaskonzentrationen im ppm-Bereich. Darüber hinaus erlaubte „die Echtzeit-Messung des Gasmet FTIR, die Ergebnisse innerhalb weniger Minuten nach der Einrichtung vor Ort zu begutachten. So ist es möglich, Änderungen am experimentellen Design vorzunehmen und weitere unerwartete Ergebnisse noch vor Ort zu untersuchen. Im Gegensatz dazu werden bei traditionellen Methoden der Erdgasanalyse Gaschromatografie-Systeme auf Laborbasis sowie eine ‚blinde‘ Sammlung diskreter Proben eingesetzt.“

Ergebnisse

Erstaunlicherweise zeigten sich Bereiche mit starker CO2- und CH4-Produktion unmittelbar oberhalb des Permafrosts. Brummell glaubt, das sei das Ergebnis der relativen Ungleichheit der Kohlenstoffverteilung in arktischen Böden im Vergleich zu wärmeren Gefilden. Kohlenstoff sammelt sich in arktischen Böden aufgrund eines als Kryoturbation bekannten Prozesses viel tiefer an. Durch konstantes Mischen und Vergraben von organischem Material wird die mikrobielle Aktivität auf einem tieferen Niveau angetrieben.

Vergleiche zwischen dem Oberflächenfluss und dem Bodenprofil für jedes der Treibhausgase waren ein Hauptziel der Untersuchungen von Brummell. Insbesondere beobachtete Brummell einen negativen Oberflächenfluss für N2O, obwohl keine signifikanten Verbrauchsbereiche identifiziert wurden. Der Standort der N2O-Senke ist noch nicht klar, noch sind Organismen und biogeochemischen Prozesse verantwortlich.

Schlussfolgerungen

Martin Brummells Forschung (Brummell et al., 2012) liefert neue, komplexe Einblicke in die Produktion, den Verbrauch und den Austausch von Treibhausgasen sowie dem Verhalten der Bodenmikroben in der Arktis. Seine Arbeit unterstreicht die Bedeutung von Zuverlässigkeit, Robustheit, Flexibilität und Genauigkeit des Equipments, das bei einer solchen Arbeit eingesetzt wird. Die Fähigkeit des DX4015, simultan mehrere Gase in nahezu Echtzeit zu messen, war von erheblichem Vorteil.

Im Vergleich zu allen Geräten, die für die Forschung unter arktischen Bedingungen erforderlich sind, könnte man sich vorstellen, dass ein höchst empfindliches Analyseinstrument am wahrscheinlichsten beeinträchtigt wird. Jedoch nicht das Gasmet DX4015, findet Martin Brummell: „Im Gegensatz zu anderen Geräten, die ich in der Arktis verwendet habe, einschließlich selbstzerstörerischer Vorschlaghämmer, unzuverlässiger Generatoren und gebrochener Glasfaserkabel, hat der Gasmet DX4015 selbst unter schwierigsten Bedingungen nie versagt. Der Analysator hat glücklicherweise den Lufttransport, die uneinheitliche Stromversorgung, die niedrigen Temperaturen, den Regen, den Schnee, den Schlamm und alle anderen Störfälle überlebt und gibt mir noch immer genaue und präzise Messungen der Gaskonzentrationen.“

Literatur, Zitate

Brummell, M. E., R.E. Farrell und S.D. Siciliano, Treibhausgas-Bodenproduktion und Oberflächenflüsse in einer arktischen Polaroase. Bodenbiologie und Biochemie, 2012. 52: p. 1-12.

Danksagung

Diese Forschung wurde von der kanadischen Regierung über den Naturwissenschaftlichen und Ingenieurwissenschaftlichen Forschungsrat (NSERC) und dem Programm des Internationalen Polarjahres (IPY), betreffend die Auswirkungen des Klimawandels auf das kanadische Tundra-Ökosystem (CiCAT), gefördert.