Stärke der Ergebniskonsistenz und Übereinstimmung für Obertonlinienintensitäten in allen untersuchten Labors

An der Erforschung der Intensitäten der Obertonlinien waren Forscher des Physikalischen Instituts der Nikolaus-Kopernikus-Universität beteiligt. Auch Teams des National Institute of Standards and Technology in den USA und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Deutschland führten ihre Messungen durch. Theoretische Berechnungen wurden von einer Gruppe des University College London durchgeführt.

Die Studie wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung.

„Bisher gibt es in der Literatur keinen Fall, bei dem die mit unterschiedlichen Techniken und in unterschiedlichen Labors gemessenen Intensitäten molekularer Obertonlinien auf Promille-Niveau miteinander und gleichzeitig mit den Ergebnissen unabhängiger theoretischer Berechnungen übereinstimmen“, erklärt er Dr. Katarzyna Bielska vom Institut für Atom-, Molekül- und Optische Physik der Nikolaus-Kopernikus-Universität, die Erstautorin der Arbeit.

„Wichtig sind solche präzisen Messungen überall dort, wo wir den Gehalt von Stoffen spektroskopisch bestimmen wollen, z. B. bei Untersuchungen der Erdatmosphäre, aber auch bei der Analyse der Atmosphären anderer Himmelskörper. Außerdem sind die exakt erkannten Intensitäten von Obertonlinien können für messtechnische Zwecke verwendet werden, z. B. um Temperatur- oder Drucknormale zu entwickeln.“

Idealer Kandidat: Kohlenmonoxid

Die Forschenden aus Toruń beschäftigen sich vor allem mit der Molekülspektroskopie und interessieren sich für die Untersuchung der Spektren von Molekülen (das hochaufgelöste Spektrum eines relativ kleinen Moleküls besteht aus Tausenden sogenannter Obertonlinien) und haben sich in diesem Fall besonders konzentriert über die Messung der Intensität der Obertonlinien.

Alle vier Teams befassten sich mit Kohlenmonoxid, das für diese Art von Forschung besonders geeignet ist. Es ist einerseits ein relativ einfaches Molekül, aber aus Sicht der quantenmechanischen Berechnungen bereits komplex – es eignet sich also sowohl für genaueste Messungen als auch für die Überprüfung verschiedener Theorien.

„Kohlenmonoxid ist aus experimenteller Sicht ‚freundlich‘. Es ist zwar gefährlich für uns, aber wenn wir wissen, wie wir damit umgehen, können wir die Möglichkeiten, die es uns für die Forschung bietet, voll ausschöpfen“, sagt Dr. Bielska. „Es hat eine ziemlich einfache spektrale Struktur und ist auch weniger anfällig für experimentelle Komplikationen, die durch Adsorption und Desorption von den Zellwänden der Probe verursacht werden als beispielsweise Wasser.“

Gruppen aus Polen, Deutschland, den Vereinigten Staaten und dem Vereinigten Königreich waren bestrebt, die Intensitäten der Kohlenmonoxid-Obertonlinien so genau wie möglich zu messen und eine größtmögliche Konsistenz der Ergebnisse zu erreichen. Präzision ist in diesem Bereich in der Tat entscheidend.

„Wenn ich die Intensität der Obertonlinie gut kenne und diese Linie dann in einer unbekannten Probe messe, kann ich dann den Gehalt dieser absorbierenden Substanz in dieser Probe bestimmen. Noch deutlicher ausgedrückt: wenn ich die Intensität messe der Linie in meiner Kohlenmonoxid-Probe, und dann zum Beispiel in einem bestimmten Raum eine Messung in der Luft machen, dann kann ich daraus schließen, dass genau so viel Kohlenmonoxid in diesem Raum ist“, erklärt Dr. Bielska. „Und deshalb ist Kohlenmonoxid, oder genauer gesagt die Kenntnis der Intensitäten seiner Obertonlinien, für atmosphärische Anwendungen nützlich.“

Es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass bei der Bestimmung des Kohlenmonoxidgehalts der Erdatmosphäre die erforderliche Messgenauigkeit von der World Meteorological Organization klar definiert ist – Laborvergleiche des Kohlenmonoxidgehalts in einer Probe sollten sich nicht mehr unterscheiden als 2,5 Promille.

„Diese 2,5 Promille sind bereits eine sehr hohe Genauigkeit. Leider hat sich bisher beim Sichten der wissenschaftlichen Literatur zu diesem Thema herausgestellt, dass sich die Intensitäten gleicher Linien, die in verschiedenen Labors bestimmt oder von verschiedenen Forschungsgruppen theoretisch berechnet wurden, unterscheiden können bis zu einigen Prozent, also 10-, 20-mal mehr als die Promille-Genauigkeit, die wir erwarten“, sagt Dr. Bielska.

Kohlenmonoxidmoleküle sind im Prozess der globalen Erwärmung von Bedeutung. Obwohl es in der Atmosphäre viel weniger davon gibt als beispielsweise Kohlendioxidmoleküle, haben sie aufgrund der chemischen Reaktionen, an denen sie in der Atmosphäre beteiligt sind, ein größeres Treibhauspotenzial, das die Lebensdauer anderer wichtiger Moleküle beeinflusst: Methan und Ozon. Die Anforderungen an die Genauigkeit spektroskopischer Messungen von Kohlenmonoxid, wie auch von anderen wichtigen Treibhausgasen, steigen daher rapide.

Verschiedene Wege zum Ziel

Jede Gruppe wählte eine andere Messmethode. Die Physiker der Nikolaus-Kopernikus-Universität basierten ihre auf der optischen Hohlraumdispersion (CMDS), da sie kürzlich gezeigt haben, dass sie zu genaueren Ergebnissen führt als herkömmliche Absorptionstechniken. Es ist erwähnenswert, dass die CMDS-Methode selbst in derselben Toruń-Gruppe entwickelt wurde. Die Amerikaner konzentrierten sich auf die CRDS-Technik (die sogenannte Cavity-Loss-Methode, eine Absorptionsmethode), die zusätzlich nicht standardmäßigen Kalibrierungsverfahren unterzogen wurde, um genauere Ergebnisse zu erhalten. Die Deutschen hingegen führten Messungen mit der Methode der Fourier-Spektroskopie durch – eine weit verbreitete Technik, die aber auch in diesem Fall durch nicht standardmäßige Kalibrierverfahren verfeinert wurde. Darüber hinaus wurde eine Menge Arbeit von einer Gruppe von Theoretikern aus London geleistet. Alle Teams erreichten eine Konstanz von besser als 1 Promille.

„Das Messen mit unterschiedlichen Techniken hat den großen Vorteil, dass besser überprüft werden kann, ob systematische Fehler aufgetreten sind. Solche Fehler kommen vor und können beispielsweise dazu führen, dass alle Obertonlinienintensitäten um 2 Prozent zu hoch ausfallen“, erklärt Dr. Bielska . „Verschiedene Techniken, verschiedene Labore und unabhängig durchgeführte Messungen reduzieren dieses Risiko. Darüber hinaus verbinden theoretische Berechnungen alles und bestätigen es.“

Stärke in Übereinstimmung und Konsistenz

„Hier liegt der größte Erfolg unserer Arbeit. Wir haben nicht nur gezeigt, dass es möglich ist, promille Übereinstimmung und Konsistenz zu erreichen, sondern wir haben auch gezeigt, wie es geht. Darüber hinaus kann dieser Ansatz auch auf andere angewendet werden, mehr komplexe Moleküle. Es ist eine große Herausforderung, sowohl auf der theoretischen als auch auf der experimentellen Seite, aber es kann angegangen werden“, fügt Dr. Bielska hinzu.

Das gemeinsame Papier und frühere Kooperationen zwischen Labors sind nur der Anfang. Dem informellen „Konsortium“ schließen sich bereits Wissenschaftlerteams verschiedener Universitäten, Forschungs- und Metrologieeinrichtungen an – sie wollen die begonnenen Bemühungen fortsetzen und simultane Messungen der Intensitäten der Obertonlinien anderer Moleküle durchführen. Alles mit dem Ziel, möglichst genaue Ergebnisse zu erzielen und die Referenzdaten bereitzustellen, die für Atmosphärenforschung, Metrologie, Grundlagenforschung und viele andere Bereiche der modernen Wissenschaft erforderlich sind.

Zur Verfügung gestellt von der Nikolaus-Kopernikus-Universität in Torun