Projekt 01061/01

Entwicklung und Bau eines integrierten Meßsystems zur schnellen Erfassung wichtiger umweltrelevanter Schadstoffe in der Atmosphäre

Projektdurchführung

Forschungszentrum Karlsruhe GmbH IMK-IFU
Kreuzeckbahnstr. 19
82467 Garmisch-Partenkirchen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Zielsetzung dieses Vorhabens liegt in der Entwicklung, Installation und Erprobung eines integrierten Meßsystems zur Erfassung wichtiger umweltrelevanter Schadstoffe in der Troposphäre für das Umwelthöhenobservatorium Zugspitze. Das Meßsystem soll für die Überwachung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre und ihrer zeitlichen Veränderung eingesetzt werden. Das Gesamtsystem soll wichtige umweltrelevante Schadstoffe und deren zeitliches Verhalten in der Troposphäre und Stratosphäre vom Höhenobservatorium aus erfassen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDurch die Weiterentwicklung bereits vorhandener und Ergänzung durch die in diesem Vorhaben entwickelten Meßgeräte gilt es, ein modernes Umweltbeobachtungssystem bereitzustellen, das auch die Untersuchung des komplexen Verhaltens der belasteten und unbelasteten Troposphäre ermöglicht und damit die Voraussetzung für die Definition von effizienten und kostengünstigen Maßnahmen zur Lösung atmosphärischer Umweltprobleme schafft. Das System beinhaltet

- ein Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer (FTIR)
- ein Lidarsystem,
- ein hochauflösendes UV-Spektrometer
- eine differentielle optische Absorptions-Meßstrecke (DOAS)
- ein automatisch arbeitende gaschromatographischen (GC) Anlage
- ein automatisch arbeitende GC-Anlage/Massenspektrometer (GCMS)
- ein Datenerfassungssystem.

Alle Einzelkomponenten werden zu einem Integrierten Meßsystem zusammengefaßt.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen dieses Vorhabens wurde ein integriertes Meßsystem zur Erfassung wichtiger umweltrelevanter Schadstoffe in der Troposphäre als Bestandteil des Umweltobservatoriums UHOZ entwickelt und erfolgreich erprobt. Das System dient in erster Linie der Erfassung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre und ihrer zeitlichen Veränderung. Besondere Aufmerksamkeit wird solchen Parametern gewidmet, die klimarelevant sind und die Oxidationskapazität der Atmosphäre beeinflussen.

Durch die aufeinander abgestimmte Kombination der in diesem Vorhaben entwickelten Meßgeräte wurde ein modernes Umweltbeobachtungssystem geschaffen, das die Erfassung von Trends erlaubt und wichtige Daten für weiterführende Untersuchungen über das komplexe Verhalten der belasteten und unbelasteten Troposphäre ermöglicht. Das System beinhaltet ein Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer (FTIR) zur Bestimmung der Säulendichten klimawirksamer Spurengase in der Atmosphäre, ein Lidarsystem zur Bestimmung der vertikalen Verteilung des troposphärischen Ozon, ein hochauflösendes Spektrometer zur Aufzeichnung der solaren UV-B-Strahlung, ein differentielles optisches Absorptions-Spektrometer (DOAS) zur Überwachung der Konzentrationen verschiedener Spurengase entlang einer horizontalen Trasse, eine automatisch arbeitende gaschromatographische (GC) Anlage zur Bestimmung von Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffen und eine GC-Anlage in Verbindung mit einem Massenspektrometer (GC-MS) zur Bestimmung vollhalogenierter Substanzen und deren Substitute, sowie Meßgeräte zur kontinuierlichen Messung von Aerosol, Kohlenmonoxid, Peroxiden und Formaldehyd. Die Daten werden über ein Rechnernetzwerk erfaßt und vom Schneefernerhaus und dem Zugspitz-Gipfel zur Archivierung in das IFU übertragen. Die Subsysteme und Komponenten des Gesamtmeßsystems wurden von mehreren Herstellern in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Atmosphärische Umweltforschung entwickelt und dabei für die speziellen Anforderungen im Umwelthöhenobservatorium optimiert.

Das Meßsystem stellt in Anbetracht der Anzahl der erfaßten Parameter und der Qualität der eingesetzten Einzelgeräte ein weltweit einmaliges Umweltbeobachtungssystem dar und kann als Kern für zukünftige Weiterentwicklungen dienen. Darüber hinaus wird das UHOZ für andere wissenschaftliche Projekte, die nicht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Klima- und Atmosphärenforschung stehen, aber auf den am UHOZ gewonnenen Daten aufbauen, zunehmend an Interesse gewinnen. Dazu gehören u.a. Projekte aus den Bereichen Materialforschung und Solartechnik, die ihre Produkte unter extremen Witterungsbedingungen (z. B. zur Korrosionsforschung) bei bekannten atmosphärischen Bedingungen testen müssen und bei der Interpretation der Ergebnisse auf die am UHOZ gewonnenen luftchemischen und meteorologischen Daten zurückgreifen können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das integrierte Meßsystem wurde auf dem Klimagipfel in Berlin der Öffentlichkeit vorgestellt.


Fazit

Das Umwelthöhenobservatorium Zugspitze soll als längerfristig verfügbare Meßplattform für die Durchführung wissenschaftlicher Untersuchungen vor allem im Bereich der Klima- und Atmosphärenforschung dienen. Diese Meßplattform wird für operationelle Messungen der zeitlichen Veränderungen der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre genutzt und der wissenschaftlichen Gemeinschaft für die Durchführung von Forschungsprojekten zur Verfügung stehen. Auf der Basis des derzeitigen Kenntnisstandes läßt sich die wissenschaftliche Nutzung des UHOZ generell in drei Teilgebiete aufgliedern:

(1) Betrieb einer Globalstation im Rahmen von GCOS-GAW (Global Climate Observing System - Global Atmosphere Watch) zur Überwachung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphä-re,
(2) Aktivitäten zur Qualitätssicherung der im Rahmen von GCOS-GAW erzielten Daten,
(3) Durchführung von Prozeß-Studien (in Form von kontinuierlichen Untersuchungen oder zeitlich befristeten Meßkampagnen) zur Verbesserung des Kenntnisstandes hinsichtlich des chemischen Verhaltens der Atmosphäre und ihrer Störung durch den Menschen.

Diese Verbindung von Langzeitmessungen luftchemischer und meteorologischer Komponenten im Rahmen des GAW-Programms und Meßkampagnen von begrenzter Zeitdauer im Rahmen nationaler und internationaler Forschungsprogramme ist eine Besonderheit des Umwelthöhenobservatoriums auf der Zugspitze, durch die sich das UHOZ von vergleichbaren Observatorien unterscheidet.