Messung der marinen Quecksilberemissionen im Atlantik (DFG)

Joachim Kuss, Hildegard Kubsch, Bernd Schneider (Antragsteller)

Quecksilber stammt aus natürlichen Quellen und wird durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe und durch industrielle Prozesse in erhöhtem Maße in die Umwelt eingetragen. Als elementares Quecksilber (Hg⁰) wird es global über die Atmosphäre verteilt, dabei langsam oxidiert und dann durch Nass- und Trockendeposition sowie über Flüsse in das Meere eingetragen. Aber das Meer stellt auch eine bedeutende Quelle von Quecksilber dar (Selin et al., 2008). Die Umwandlung des ionischen Quecksilbers zu flüchtigem Hg0 kann abiotisch durch Licht und/oder durch biologische Prozesse im Oberflächenwasser verursacht werden. Der Prozess ist aber wenig verstanden und die notwendige Datendichte von Hg0 den Gasaustausch global zu berechnen, ist nicht vorhanden.

Auf zwei Schnitten mit dem F/S „Polarstern“ von Bremerhaven nach Kapstadt im November 2008 und von Punta-Arenas zurück nach Bremerhaven im April/Mai 2009 wurde die Konzentration von Hg⁰ im Oberflächenwasser sowie in der Atmosphäre und zahlreiche Begleitparameter gemessen(Kuss et al., 2009; Kuss et al., 2010) . Die Hg⁰ Analysen des Oberflächenwasser (Hg⁰_equ) wurden im Abstand von einer Stunde (etwa alle 15 Seemeilen) mit einem Equilibrator gekoppelt an ein Kaltdampfatomfluoreszenzspektrometer durchgeführt. Zwischendurch erfolgten die Messungen von Hg⁰ in der marinen Atmosphäre (Hg⁰_atm). Aus der gemessenen Hg⁰ Konzentrationsdifferenz Wasser-Luft lässt sich der Hg⁰-Fluss (F_Hg) mit der windabhängigen Transfergeschwindigkeit (k) berechnen:

mit der temperaturabhängigen Henry-Konstante (H).

Besonders auffällig auf beiden Forschungskampagnen (Kuss et al., 2011) war eine stark erhöhte Hg⁰ Konzentration im tropischen Atlantik im Bereich der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ). Diese Region ist durch normalerweise niedrige Windgeschwindigkeiten und hohe Oberflächenwassertemperaturen gekennzeichnet. Darüber hinaus führen die zusammenströmenden Luftmassen häufig zu tropischen Gewittern verbunden mit hohen Niederschlagsmengen. Damit scheinen die in den Tropen herrschenden Bedingungen für die Quecksilberumwandlung ideal zu sein: ergiebige Nassdeposition, intensive solare Strahlung, eine flache Oberflächenwasserschicht und die schwachen Winde, die die Anreicherung von Hg⁰ ermöglichen. Aber die ITCZ ist nicht ortsgebunden, sondern führt saisonal eine Nord-Süd Wanderung aus und sogar innerhalb weniger Tage zeigt die ITCZ meandierende Verlagerungen, die sich von West nach Ost über den Atlantik fortsetzen. Das bedeutet, dass die Hg⁰ Akkumulationsgebiete auch immer wieder stärkeren Winden ausgesetzt werden und dann erhöhte Emissionen zeigen.

In den mittleren Breiten wurde eine deutliche Saisonalität beobachtet mit starken Hg⁰ Gasaustauschflüssen im Herbst – im November in der nördlichen und im Mai in der südlichen Hemisphäre, und niedrige Hg⁰ Flüsse im Frühjahr - im November in der südlichen und im Mai in der nördlichen Hemisphäre. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass hier kein klarer Zusammenhang zwischen Hg⁰ und der Primärproduktion (Chlorophyll oder pCO2) gefunden wurde. Aufgrund unserer Daten kann aber nicht ausgeschlossenen werden, dass weniger dominante Algen oder Bakterien die biotische Umwandlung (mit-)verursachen.

Literatur

Kuss, J., Kubsch, H., Wlost, K.-P. and Schneider, B., 2009. The expedition of the research vessel "Polarstern" to the Antarctic in 2008 (ANT-XXV/1): Elemental mercury sea-air flux. In: G. Kattner and B. Koch (Editors), Berichte zur Polar- und Meeresforschung - Reports on polar and marine research. Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Bremerhaven, pp. 31-34.
Kuss, J., Kunze, M., Schneider, B., Wlost, K.-P. and Schulz-Bull, D.E., 2010. The expedition of the research vessel "Polarstern" to the Antarctic in 2009 (ANT-XXV/5): Elemental mercury sea-air flux. In: W. Zenk and S. El Naggar (Editors), Berichte zur Polar- und Meeresforschung - Reports on polar and marine research. Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Bremerhaven, pp. 41-45.
Kuss, J., Zülicke, C., Pohl, C. and Schneider, B., 2011. Atlantic mercury emission determined from continuous analysis of the elemental mercury sea-air concentration difference within transects between 50° north and 50° south. Global Biogeochemical Cycles, 25: GB3021.
Selin, N.E. et al., 2008. Global 3-D land-ocean-atmosphere model for mercury: Present-day versus preindustrial cycles and anthropogenic enrichment factors for deposition. Global Biogeochemical Cycles, 22: GB2011.

Beschreibung des Verfahrens

Das Verfahren beruht auf der Bestimmung von Hg⁰ in Luft, die mit Oberflächenmeerwasser im Gleichgewicht steht (Hg⁰_equ). Dazu wird während der Fahrt Meerwasser kontinuierlich mit einem Reinseewassersystem ins Schiffslabor gefördert und in den Gasraum einer 20 L Glasflasche mit einem Sprühkopf verteilt. Das Wasser fließt permanent nahe über dem Boden der Flasche ab, um ein großes Volumen equilibrierter Luft zu erhalten. Das Gleichgewicht wird in etwa 1 Stunde erreicht. Die Überführung der equilibrierten Luft zu dem Messgerät erfolgt ohne Verdünnung oder Kontamination mit Laborluft durch einen steigenden Wasserpegel im Equilibrator, was durch Schließen des Wasserablaufs erreicht wird. Anschließend wird Hg⁰ in der equilibrierten Luft mit Kaltdampf Atomfluoreszenzspektrometrie nach Anreicherung auf Goldfallen gemessen (Tekran 2537A). Während der Equilibrierung, also zwischen den Messungen des Wassers, wird dem Tekran Luft von einem der oberen Decks zugeführt, um auch die Quecksilberkonzentration in der marinen Atmosphäre zu bestimmen (Hg⁰_atm).