Troposphärische volatile organische Komponenten

Während der letzten zehn Jahre setzte sich mehr und mehr die Einsicht durch, daß die wesentlichen Quellen der volatilen organischen Komponenten (VOCs), die als Vorgängersubstanzen des troposphärischen Ozons wirken, biogenen Ursprungs sind. Nahezu alle diese Komponenten lassen sich gut mittels Protonen-Transfer-Reaktions- Massenspektrometrie (PTR-MS) nachweisen und quantifizieren, einer schnellen on-line Methode, die im Laufe der letzten sieben Jahre an unserem Institut entwickelt wurde. Die meisten, im Rahmen dieses Projektes geplanten Untersuchungen stützen sich auf diese Methode, die sich bisher bereits überaus erfolgreich im Bereich der Umweltphysik sowie in der medizinischen und Lebensmittelforschung bewährt hat. Ziel dieses Projektes ist es, das Wissen über die verschiedenen biogenen Quellen von VOCs zu erweitern und zu quantifizieren. In Zusammenarbeit mit Prof. Crutzen, Mainz, haben wir kürzlich an unserem Institut erstmals festgestellt, daß zerfallende Biomaterie eine bedeutende Quelle für troposphärisches Aceton und Methanol darstellt. Diese Untersuchungen sollen auf C5- und C6-Alkohole, sowie auf verschiedene Aldehyde und andere VOCs ausgedehnt werden. In Zusammenarbeit mit Prof. Fall, Boulder, haben wir "Pflanzenverwundungen" als Quellen von kurzlebigen C6-Komponenten, einschließlich (Z)3-Hexenal, (E)-2-Hexenal und Hexenol, sowie von Acetaldehyd festgestellt. Diese Quellen sollen einerseits durch Cuvettenmessungen (kleine Cuvetten von einigen cm3 , mit starkem Durchfluß, für Einzelblattuntersuchungen; große Cuvetten von 30 bis 100 Liter, für integrale Feldemissionen), und andererseits über mikrometeorologische Flußsysteme, basierend auf Eddy- Kovarianzmessungen mittels einer Kombination eines schnellen Realzeitsensors (PTRMS) und sonarem Anemometer quantifiziert werden. Pflanzenemissionen hinsichtlich bisher nicht erfaßter Komponenten, sowie Biomasseverbrennung sind ebenfalls Ziel der geplanten Untersuchungen. Alle VOCs, die aus verschiedenen biogenen Quellen stammen, sind auch als Spuren in der Troposphäre vorhanden. Ihre absoluten Dichten und Dichtegradienten als Funktion der Höhe hängen sowohl von den Quellstärken, wie auch Reaktivitäten, insbesonders mit OH-Radikalen aber allenfalls auch anderen Reaktanten ab. Während der LBA- CLAIRE-Flugexperimente im Frühjahr 1998 über dem südamerikanischen Regenwald, konnte PTR-MS erfolgreich eingesetzt werden, um die Dichten einer Vielzahl von VOCs hinauf bis in Höhen von 11 km zu messen. Wir werden daher mittels PTR-MS auf Bergen verschiedener Höhe und im Inntal über Zeiträume von mehreren Monaten und jeweils zu verschiedenen Jahreszeiten die Dichten von VOCs verfolgen. Daneben werden Höhenprofile in Tirol (Kitzbühel) und Bayern (Grünten) über eine Höhendistanz von ca. 1000 m aufgenommen, indem das PTR-MS-Systern auf einer Seilbahn auf- und abgefahren wird. Diese Daten sollen in der Folge für Modellrechnungen zur troposphärischen Ozonchemie u. a. durch die Gruppe von Prof. Crutzen verwendet werden. Die geplanten Untersuchungen der biogenen Quellen von VOCs erfolgen in Zusammenarbeit mit Prof. Paul Crutzen (Mainz), Prof. Ray Fall (Boulder), Dr. Alex Guenther (Boulder) und Prof. Hans Puxbaum (Wien). An den atmosphärischen Messungen werden zusätzlich das Fraunhofer-Institut in Garmisch und die Gruppe von Dr. Fred Fehsenfeld (NOAA-Boulder) beteiligt sein.

Ausgangspunkt für dieses Projekt war eine neue, am Institut für Ionenphysik entwickelte Methode zur Gasanalyse, die heute sogenannte ProtonenTransferReaktions-Massenspektrometrie (PTR-MS), die es ermöglicht volatile organische Komponenten wie z.B. Methanol, Ethanol, Aceton, Benzol, Toluol, Isopren und viele andere, massenspektrometrisch einwandfrei identifiziert und vor allem durch "sanfte Ionisation" , fragmentationsfrei und quantitativ nachzuweisen. Damit wurde es erstmals möglich, simultan alle diese Komponenten bis herab zu Konzentrationen von ca. 10 ppt in Echtzeit on-line quantitativ zu erfassen und somit Atemluft, Außenluft oder Raumluft in bezug auf diese organischen volatilen Komponenten (VOCs) zu analysieren. Im Rahmen des gegenständlichen Projektes wurde diese Methode systematisch verbessert und erfolgreich auf verschiedenste Fragestellungen vor allem in der Umweltphysik aber auch in Medizin und Lebensmitteltechnologie angewendet und die erhaltenen Ergebnisse in einer größeren Anzahl (insgesamt 33) von Arbeiten in international referierten Fachzeitschriften publiziert. Zum Beispiel kann Azetonitril in der Atemluft eines Menschen festgestellt werden. Dieser Spurenstoff entsteht bei der Verbrennung von Biomasse, also auch beim Rauchen einer Zigarette. Noch mehrere Tage nach der letzten Zigarette können diese Moleküle im Atem des "Rauchers" nachgewiesen werden. Im menschlichen Atem befinden sich geringe Konzentrationen anderer Spurenkomponenten, weichen diese vom Normalwert ab, ist dies häufig ein Hinweis auf Erkrankungen. Langsam aber sicher ändern menschliche Aktivitäten die komplexe Spurengaszusammensetzung der Erdatmosphäre. Erste negative Auswirkungen wie Treibhauseffekt, zunehmende Smogbelastung (bodennahes Ozon, Staubteilchen etc.) zeigen sich schon seit Jahren. Gegenmaßnahmen sind gefragt. Untersuchungen atmosphärischer Luft in "Echtzeit" zusammen mit Atmosphären-Modellrechnungen bilden den Schlüssel zum Verständnis, das wiederum, ist die Voraussetzung für sinnvolle Regulierungsmaßnahmen, z.B, welche Schadstoffemissionen unbedingt begrenzt werden müssen? Weitere Anwendungsmöglichkeiten liegen im Bereich Lebensmittelchemie. Fleisch, Käse, Obst (Bananen, Erdbeeren, Äpfel), Gemüse oder Wurzelextrakte emittieren eine Vielzahl an organischen Spurenstoffen. Diese charakteristischen "Aromamuster" geben Auskunft über Qualität (es gelang hier erstmalig ein sofortiger Nachweis von Bakterienbefall auf Fleisch) oder Herkunft (Klonstamm, Region etc.) der Lebensmittel. Beim Rösten von Lebensmittel können gesundheitsschädliche Stoffe wie Acrylamid entstehen, die ebenfalls mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden können.