Untersuchungen der Verhältnisse stabiler Kohlenstoffisotope in atmosphärisch relevanten VOC in Simulations- und Feldexperimenten

摘要

Flüchtige organische Verbindungen (VOC) spielen eine wichtige Rolle in der regionalen und globalen Chemie der Atmosphäre. In stark belasteten Gebieten können VOC nicht nur in gesundheitsschädlichen Konzentrationen auftreten, sondern auch bei der Oxidation in Anwesenheit hoher Stickoxid-Konzentrationen Ozon erzeugen, das für den Menschen und seine Umwelt giftig ist. Neben ihrem unmittelbaren Einfluss auf den menschlichen Organismus beeinflussen VOC auch global die Umwelt des Menschen. Durch ihre atmosphärische Oxidation können VOC in eine fast unüberschaubare Zahl anderer Spurengase umgewandelt werden, am Ende auch in klimaschädliche Treibhausgase wie CO. Hinzu kommt, dass VOC den Aerosol-Haushalt der Erde mitbeeinflussen. Sie können zum einen selbst Partikel bilden, zum anderen aber auch die chemischen und physikalischen Eigenschaften bereits bestehender Aerosole beeinflussen. Dadurch haben sie sowohl Einfluss auf die Bildung von Regentropfen als auch auf den Strahlungshaushalt der Erde. Wegen dieser umfassenden Bedeutung ist es wichtig, die Eigenschaften von VOC und deren chemische Prozesse in der Atmosphäre zu verstehen, um so besser deren zukünftige Entwicklung vorhersagen zu können.Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse der Verhältnisse stabiler Kohlenstoffisotope ((C)-Analyse) in atmosphärischen VOC. Die (C)-Analyse erlaubt es, durch die Charaktersierung von Emissionsquellen und die Bestimmung des kinetischen Isotopeneffekts (KIE) verschiedener chemischer Reaktionen sowohl den Transport als auch die chemischen Einflüsse von VOC in der Erdatmosphäre besser zu verstehen. Da die (C)-Analyse in der Atmosph ärenforschung bisher nur wenig verbreitet ist, gibt diese Arbeit auch einen kurzen überblick über den momentanen Stand der Technik.In dieser Arbeit wurden (C)-Analysen ausgewählter VOC in Labor- und Feldmessungen vorgenommen. Bei der Untersuchung pflanzlicher Emission an einer Pflanzenkammer wurden erstmals die (C)-Werte verschiedener Monoterpene bestimmt (-Pinen, -Pinen, trans--Ocimen, Limonen und in Kombination Sabinen/Myrcen). Die ermittelten (C)-Werte liegen zwischen -25 h und -29 h, wobei ein signifikanter Unterschied von 2,5 h zwischen -Pinen ((−28,6±0,6)h) und -Pinen ((−29,0±0,8)h) auf der einen Seite und trans--Ocimen ((−26,1±1,3)h), Limonen ((−25,4±1,0)h) und Sabinen/Myrcen ((−26,5 ± 0,9)h) auf der anderen Seite gefunden wurde. Dies könnte ein Hinweis auf unterschiedlich starke Fraktionierungseffekte bei der pflanzlichen Synthese dieser Substanzen sein. Bei einer Studie an einer Aerosolkammer wurde die Oxidation eines einzelnen Monoterpens (-Pinen) durch Ozon untersucht. Hierbei wurde erstmals der kinetische Isotopeneffekt (KIE) dieser Reaktion bestimmt (O−Pinen = (2,5±0,1)h). Dies war außerdem die erste gleichzeitige (C)-Messung eines VOC in Gas- und Partikelphase. Für Nopinon wurde im Mittel eine Anreicherung von (2,3±0,8)hin der Partikelphase gegenüber der Gasphase bestimmt.Im Rahmen einer umfangreichen Feldkampagne in Süddeutschland wurden Gesamtluftproben für die (C)-Analyse in VOC von einem Zeppelin aus gesammelt. Dadurch war es möglich, höhenaufgelöste (C)-Messungen vorzunehmen. Für einige der identifizierten VOC waren dies die ersten atmosphärischen (C)-Messungen. Die für Methanol bestimmten (C)-Werte weisen zwei deutlich von einander getrennte Maxima ((−39,8 ± 1,7)h und (−26,1±4,0)h) auf. Sollte es bei zukünftigen Untersuchungen gelingen, diese Werte konkret mit Emissionsquellen von Methanol in Verbindung zu bringen, wären dies die ersten atmosphärischen Messungen, die es erlauben durch die Bestimmung des (C)-Wertes auf verschiedene Quellen eines Spurengases zurückzuschließen.Mit den Messergebnissen der Zeppelin-Kampagne wurde für Methanol, Toluol und p-Xylol das mittlere photochemische Alter in verschiedenen Höhen berechnet. Obwohl diese Rechnungen hier keine konsistenten Ergebnisse liefern, lässt sich erkennen, dass sich diese Art der Analyse in Zukunft noch als vielversprechend erweisen könnte. In Kombination mit gleichzeitigen Konzentrationsmessungen und der Bestimmung effektiver KIE lassen sich wahr scheinlich Angaben über das mittlere photochemische Alter von VOC machen, die mit hochaufgelösten meteorologischen Modellen überprüft werden können. Darüber hinaus sind bis heute nur die wenigsten VOC-Quellen isotopisch charakterisiert und nur wenige KIE atmosphärisch relevanter Reaktionen bekannt. Durch flächendeckendere (C)-Messungen könnte die Analyse der Verhältnisse stabiler Isotope in Zukunft wichtige Informationen über die atmosphärische Ausbreitung von VOC liefern.