Spurengase und Fernerkundung

Bei Spurengasen handelt es sich allgemein um alle gasförmigen Beimengungen, die neben dem molekularen Sauerstoff (O₂) und molekularen Stickstoff (N₂) in der Atmosphäre vorhanden sind. Die Spurengase werden zusammen mit dem atmosphärischen Aerosol als atmosphärische Spurenstoffe bezeichnet. Wasserdampf (H₂O), der in der Troposphäre in sehr variablen Konzentrationen (Luftfeuchte) vorkommt, wird nicht den troposphärischen Spurengasen zugeordnet. Wasserdampf ist aber in der wesentlich trockeneren Stratosphäre als wichtiges Spurengas von Bedeutung. Der atmosphärische Gehalt eines Spurengases wird deshalb allgemein als Mischungsverhältnis angegeben und auf trockene Luft bezogen. Die mittleren Mischungsverhältnisse der verschiedenen atmosphärischen Spurengase unterscheiden sich um mehrere Größenordnungen. Ihr Wert hängt von der Wirksamkeit aller physikalisch/chemischen Prozesse ab, durch die die einzelnen Spurengase gebildet (Quellen) bzw. zerstört (Senken) werden, wie z.B. photochemische Reaktionen, Deposition, natürliche und anthropogene Emissionen. Die globale Verteilung eines Spurengases ist durch die räumliche Verteilung und zeitliche Variabilität seiner spezifischen Quellen und Senken sowie durch die dynamischen Transportprozesse der atmosphärischen Zirkulation bestimmt.

Liste atmosphärischer Spurengase:

Kohlenstoffdioxid, die Edelgase Neon, Helium, Krypton, Xenon und Radon, ferner Ozon, Kohlenstoffmonoxid, Methan, Wasserstoff, Distickstoffoxid, Hydroxyl-Radikal, Peroxyacetylnitrat, Chloroxide, Iodoxide und Bromoxide und molekulares Iod, andere Stickoxide (neben N₂O), Schwefeldioxid, Quecksilber, organische Verbindungen, wie auch Formaldehyd und Glyoxal, halogenierte Kohlenwasserstoffe biogener und anthropogener Natur und andere.

Viele Eigenschaften unserer Atmosphäre sind durch die Spurenstoffe geprägt. Diese sind durch menschliche Eingriffe und natürliche Prozesse einem ständigen Wandel unterworfen. Um diesen Wandel besser zu verstehen und vorherzusagen, wird die Atmosphäre in den meisten Regionen fortlaufend mit modernen Messinstrumenten untersucht. Entsprechend der Fragestellungen werden dazu sowohl in-situ-Verfahren als auch die Methoden der Fernerkundung eingesetzt.

Die Fernerkundung atmosphärischer Spurenstoffe und Parameter ist praktisch nur durch die Analyse elektromagnetischer Strahlung möglich. Identifiziert werden die Moleküle aufgrund ihrer charakteristischen Spektren; die Konzentration der Spurenstoffe ergibt sich aus der Stärke der thermischen Emission oder der Abschwächung eines externen Signals. Entsprechend werden grundsätzlich zwei verschiedene physikalische Prinzipien angewandt: Absorption eines externen Signals und thermische Emission aus der Atmosphäre. In der Absorptionsspektroskopie ergibt sich das Signal aus der Abschwächung der Intensität I₀ einer Strahlungsquelle durch den zu messenden Spurenstoff.

In der Emissionsspektroskopie wird die thermische Emission elektromagnetischer Strahlung durch atmosphärische Spurenstoffe ausgenutzt, um deren Säulendichte bzw. Konzentration zu bestimmen. Da thermische Emission in nutzbarer Intensität bei allen atmosphärischen Temperaturen nur bei Wellenlängen oberhalb von 3 - 4 µ stattfindet, ist Emissionsspektroskopie nur im Infrarot- und Mikrowellenbereich möglich. Damit sind aber Messungen ohne fremde Strahlungsquellen (z.B. die Sonne) am Tag und in der Nacht möglich.

Weitere Informationen:

• Atmosphärische Spurenstoffe und ihre Sondierung (Burrows, John et al. In: CHIUZ 2007, 41, 170 – 191)