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Russische Forscher optimieren Meerwasser-Analyse

© SNA / Pawel LwowForschungsschiff „Akademik Mstislaw Keldysch“
Forschungsschiff „Akademik Mstislaw Keldysch“ - SNA, 1920, 08.12.2020
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Die Bewertung des Klimawandels und des Zustandes des Meerwassers verlangt eine exakte Bestimmung der Quellen von organischen Stoffen in den Ozeanen. Diese Informationen sind auch für Entscheidungen bei Natur- oder Umweltkatastrophen wichtig. Über die Bedeutung solcher Forschungen äußerten sich Experten von führenden russischen Universitäten.
Dank der Analyse von organischen Verbindungen, die in die arktischen Schelfmeere aus Flüssen geraten, kann der Umfang der Permafrostschmelze ziemlich genau festgestellt werden. Außerdem wird der Gehalt organischer Stoffe im Meerwasser von Salzen schwerer Metalle und von organischen Verunreinigern beeinflusst, die im Abwasser enthalten sind. Deshalb müssen die Forscher regelmäßig den qualitativen und quantitativen Bestand des Meereswassers in der Schelfzone kontrollieren.
Um saisonbedingte und räumliche Veränderungen zu bewerten, werden verschiedene physische und chemische Methoden verwendet. Die schnellste und günstigste besteht in der 3D-Fluoreszenz-Spektroskopie. Dieser Methode liegt die Fähigkeit organischer Stoffe zugrunde, in einer UV-Umgebung zu leuchten. Dabei hängt der Charakter des Leuchtens von ihrer Struktur ab.
Nahaufnahme eines Magnetsystems - SNA, 1920, 08.12.2020
Russische Physiker entwickeln einzigartiges kontaktloses Magnetlager
Die Forscher bestrahlen jeweilige Lösungen mit ultraviolettem Licht mit verschiedenen Wellenlängen, wobei jeder von den aufgelösten Stoffen gewisse Frequenzen ausstrahlt, die von seiner Konzentration in der Lösung unabhängig sind. Von der Konzentration hängt aber die Strahlungsintensität ab. Und diese Kombination erlaubt es, nicht nur den Stoff, sondern auch seinen Gehalt im Wasser herauszufinden.
In der Natur ist alles viel komplizierter als in einem Labor: Das Meerwasser enthält Tausende organische Verbindungen, und es ist schlicht unmöglich, sie alle anhand von Fluoreszenz-Spektren zu identifizieren. Für die Lösung von wissenschaftlichen und praktischen Aufgaben sind jedoch vollständige Informationen über die Zusammensetzung der Lösung auch nicht nötig – es genügt, den Gehalt nur von einigen wichtigen Verbindungen herauszufinden. Deshalb werden optische Methoden für die Erforschung des Meerwassers intensiv verwendet.
Besonders bedeutend und kompliziert sei die Frage nach der Mindestzahl der wichtigen Komponenten, dank denen das Spektrum entziffert werden könne, sagte der Dozent Timur Labutin vom Lehrstuhl für Laserchemie der Chemischen Fakultät der Moskauer staatlichen Universität „Michail Lomonossow“ in einem Interview für RIA Novosti.
„Anhand von experimentellen Spektren kann man nicht sagen, wie viele Verbindungen sie geprägt haben, denn die Linien von individuellen Spektren überschneiden sich“, so der Experte. „Deshalb werden moderne mathematische Methoden eingesetzt, die das entdeckte Spektrum in Einzelteile zerlegen.“ Eine von diesen Methoden sei PARAFAC (parallel factor analysis). „Diese Methode, die sich auf statistische Kriterien stützt, passt für die Spektrumanalyse bestens“.
Dabei könnte der Einsatz von einer größeren Zahl von Komponenten, die tatsächlich vorhanden seien, zu Fehlern führen, sagte der Forscher weiter. Formell werde die Zerlegung erfolgreich beendet, aber das Programm werde dabei eine von endlos vielen Antworten geben, die mathematisch korrekt seien, aber die Ergebnisse des Experiments falsch beschreiben würden.
Für die Bewertung der „richtigen“ Zahl der Komponenten, die entstandene Spektren bilden, werden verschiedene empirische Vorgehensweisen eingesetzt, die einem erfahrenen Experten erlauben, die richtige Variante „nach dem Bauchgefühl“ zu wählen.
Experten von der Chemischen Fakultät der Moskauer Universität mit Timur Labutin an der Spitze haben einen Algorithmus für die Wahl der Komponenten ausgearbeitet, um die Zuverlässigkeit der Ergebnisse wesentlich zu steigern. Einen wichtigen Beitrag zu dieser Arbeit leisteten der Aspirant des Lehrstuhls für Laserchemie der Chemischen Fakultät der „Lomonossow“-Universität Iwan Krylow sowie andere Studenten und Aspiranten des Lehrstuhls.
Die Entwicklung junger Wissenschaftler, die den Namen „Albatros“ bekam, wird es ermöglichen, die Quellen herauszufinden, aus denen organische Stoffe in den Ozean geraten, und das ist enorm wichtig für die Bewertung des Klimawandels und für die Umweltbeobachtung des Meereswassers. Der Algorithmus wurde bei der Analyse von Wasserproben erfolgreich getestet, die im Rahmen einer Expedition über Schelfmeere der russischen Arktis gesammelt wurden.
Experten vom Institut für Meereskunde „Pjotr Schirschow“ bei der Russischen Akademie der Wissenschaften haben das Paket „Albatros“ für die Analyse von mehr als 60 Wasserproben aus der Laptewsee, der Karasee und der Umgebung der Doppelinsel Nowaja Semlja eingesetzt, die unmittelbar während der Expedition an Bord des Schiffes „Akademik Mstislaw Keldysch“ gesammelt wurden.
Informationen über den Zustand der Schelfzone der Weltozeane in Echtzeit zu sammeln, sei eine enorm wichtige Bedingung für angemessene Handlungen im Falle von Natur- oder Umweltkatastrophen, erläuterte die Leiterin des Instituts für Chemie und Probleme der nachhaltigen Entwicklung bei der Russischen chemischen und technologischen Universität „Dmitri Mendelejew“, Natalia Tarassowa.
„Es ist darüber hinaus äußerst wichtig, die Formen des Vorhandenseins von organischem Kohlenstoff im Küstengewässer zu bestimmen, die mit der Veränderung des Flussabwassers verbunden sind, die sich auf den Klimawandel zurückführen lässt“, sagte sie gegenüber RIA Novosti. „Wir hoffen, dass anhand dieser Entwicklungen schon in der nächsten Zeit entsprechende Anlagen serienmäßig hergestellt werden.“
Forscher von der Moskauer Lomonossow-Universität haben für die Umweltkontrolle mobile Fluoreszenz-Messgeräte eingesetzt, die dank dem „Albatros“-Paket das Wasser in Echtzeit prüfen. Dank diesem System können eventuell der Umfang von Zwischenfällen im Umweltbereich herausgefunden, die Migrationswege des verschmutzten Wassers kontrolliert und notfalls Verschmutzungsquellen entdeckt werden.
Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachmagazin „Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems“ veröffentlicht. Das Programmpaket wurde in R-Sprache umgesetzt und ist für die freie Verwendung zugänglich.
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