Ein großer metallener Tank zwischen Betonblöcken, verbunden mit vielen Rohren und Laufgängen.

Nicht verpassen: Teil 1 der „Heiter bis wolkig“-Reihe

Heiter bis wolkig – Teil 2: Das CLOUD-Experiment

Meine Zeit bei der CLOUD8-Kampagne am CERN

Um den Klimawandel und unser Wetter zu verstehen ist es insbesondere wichtig zu wissen, wie sich Wolken bilden und welche Faktoren diese Prozesse beeinflussen. Zu diesem Zweck gibt es seit 2009 am Europäischen Kernforschungszentrum CERN ein neuartiges Experiment. Das CLOUD-Experiment kann verschiedene Atmosphären simulieren und damit den Einfluss verschiedener Substanzen und auch der kosmischen Strahlung auf die Wolkenbildung untersuchen.

Ein großer metallener Tank zwischen Betonblöcken, verbunden mit vielen Rohren und Laufgängen.
Das CLOUD-Experiment am CERN

Während der bisherigen Messkampagnen hatte die CLOUD-Kollaboration schon einige Ergebnisse erzielt, die im vergangenen Herbst veröffentlicht wurden. So wurde eine Korrelation zwischen Kondensationsrate und Schwefelsäure-Konzentration festgestellt. Jedoch wurde dieser Zusammenhang bis jetzt nur für relativ hohe Schwefeldioxidkonzentrationen in der Kammer untersucht. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass kosmische Strahlung die Nukleationsrate um einen Faktor 2 bis 10 erhöht. Wahrscheinlich spielt die durch Ionen beeinflusste Kondensation von H2SO4-H2O in der Troposphäre eine Rolle, jedoch nicht in der planetar-/atmosphärischen Grenzschicht. Dort müssen dann andere organische Substanzen eine Rolle spielen. Welche das sein könnten, und ob die Korrelation von Schwefeldioxidkonzentration und Aerosolbildung auch für wenig Schwefelsäure zu beobachten ist, wurde im Herbst in der CLOUD8-Kampange gemessen, an der ich selbst teilnehmen konnte. Die Messung bei niedrigeren SO2-Konzentrationen ist insbesondere wichtig, um die Nukleationsprozesse in vorindustriellen Zeiten zu verstehen, als noch kein Schwefeldioxid durch die Menschen in die Atmosphäre gelangt ist.

Für ein umfangreiches Verständnis wird eine Vielzahl von Messinstrumenten benötigt, die auch von verschiedenen Instituten stammen. Beispielsweise gibt es Kondensationspartikelzähler, die grundsätzlich die Anzahl der Aerosole mithilfe von Lasern in der Kammer messen. Weiterhin gibt es Konzentrationsdisplays, die hohe Konzentrationen von Ozon und Schwefeldioxid messen. Für niedrigere Konzentrationen gibt es Massenspektrometer, die mit chemischer Ionisation arbeiten. Für organische Substanzen werden Time-of-flight-Displays verwendet, die eine höhere Auflösung haben und mit denen man einfacher verschiedene Substanzen unterscheiden kann.

Teil des Versuchsaufbaus: Einlass in das Massenspektrometer zur Vorbereitung des Probegases

Ich selbst habe an einem Massenspektrometer für die SO2-Messung gearbeitet, dem CIMS. Ein Massenspektrometer kann durch ein Magnetfeld geladene Teilchen auf gekrümmte Bahnen lenken und je nach Krümmung der Bahn auf die Masse und die Ladung der Teilchen schließen lassen, also helfen, die Teilchen zu identifizieren. Das Massenspektrometer selbst ist hier ein Quadrupol-Magnet. Doch da ein Magnetfeld nur geladene Teilchen unterscheiden kann, muss das eingeleitete SO2 zunächst ionisiert werden. Dies geschieht durch chemische Reaktionen mit den Ionen aus dem Quellgas. Das Quellgas besteht aus Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Argon und wird durch eine Korona-Entladung ionisiert. Dabei entstehen O2- und O3-Ionen, die dann mit dem Kohlenstoffdioxid zu CO3-Ionen reagieren. Diese Ionen werden auch Primärionen genannt und bilden den Referenzwert für die Messung des Schwefeldioxids. Das Quellgas gelangt nun in einen Zylinder, wo es vom Mantelgas Stickstoff umhüllt wird, damit es nicht mit den Wänden reagiert. Bei der Reaktion dieses Quellgases mit dem Probegas, also dem Schwefeldioxid, entstehen SO3-Ionen und SO5-Ionen. Diese können dann im Spektrometer nachgewiesen werden.

Hintergrundmessungen mit dem Spektrometer

Die Abbildung zeigt exemplarisch den sogenannten Hintergrund aus dem Spektrometer, wenn nur das Mantelgas und das Quellgas hineingegeben werden. Es ist in der Grafik die Zahl der jeweiligen Moleküle im Massenspektrometer im Laufe der Zeit dargestellt. Bei einigen tausend Counts findet sich das Primärionensignal. Darunter sieht man die NO3-Ionen, die durch das Mantelgas entstehen und für die Messung nicht besonders interessant sind. Die wichtigen Messungen sind die SO3- und SO5-Ionen, die man hier kaum sieht, die vom Niveau etwa bei 10 Peaks liegen. Diesen Hintergrundwert versucht man natürlich besonders niedrig zu halten. Aus diesem Grund habe ich durch Justierungen versucht, eine möglichst niedrige Detektionsschwelle zu erreichen.

Messungen bei der Kalibrierung

Die Detektionsschwelle, oder Limit of Detection (LoD), ist die Konzentration, die man mit einer statistische Signifikanz von 3 Sigma vom Hintergrund unterscheiden kann. Um dieses zu ermitteln habe ich Kalibrierungen mit gegebenen Konzentrationen an SO2 durchgeführt. Diese habe ich zunächst erhöht und dann wieder verkleinert, bis sich kein Unterschied mehr zum Hintergrund feststellen ließ. Die Messung wurde für trockene Luft und für Luft mit 38 Prozent Luftfeuchtigkeit durchgeführt. Bei der ersten Messung hat sich ein LoD von 6,32 pptv (pptv heißt parts per trillion by volume, oder: ein Teil pro einer Billion nach Volumen) eingestellt, bei feuchter Luft kam es zu Kontaminationen in der Kammer und damit zu einem höheren LoD von 18,6 pptv. Dies ist aber niedrig genug, da man in der CLOUD-Kampagne eine minimale Konzentration von 30 ppt messen wollte, und das CIMS auch größtenteils nur auf Kontaminationen untersuchen sollte, das bedeutet, ob nicht doch Schwefeldioxid in die Kammer gelangt.

Erste Messungen aus der CLOUD-Kammer

Dies war beispielsweise bei den ersten Messungen mit der Kammer der Fall. In dem Graphen sieht man einen deutlichen Anstieg in der SO2-Konzentration (sichtbar durch die Kurven SO-3 und SO-5), was auf die Zugabe von Wasser zurückzuführen ist. Dies war auch die letzte Messung, die ich am CIMS in den zwei Wochen durchführen konnte.

Die wichtigste Erfahrung während dieser Forschungsarbeit war es für mich, in einer internationalen Kollaboration mit Menschen aus der ganzen Welt zu arbeiten. Es ist faszinierend zu sehen, wie jedes Institut ein Teil des Experiments beisteuert und wie am Ende aus den kombinierten Daten Ergebnisse erzielt werden können, die unser Verständnis von Klima und Klimawandel verändern können.