FTIR

Akronym für Fourier-Transform InfraRot-Spektroskopie bzw. Fourier-Transformations-InfraRot-Spektrometer; Messverfahren, bzw. -gerät zur Bestimmung von Spurengaskonzentrationen durch den Vergleich von gemessenen Spektren mit gespeicherten spektralen Absorptionskoeffizienten im infraroten Spektralbereich.

Die FTIR gehört zu den wichtigsten spektroskopischen Methoden zur Untersuchung von Anregungen in Molekülen und Festkörpern. Kernstück solcher Spektrometer ist das Michelson-Interferometer, bei dem zwei durch Strahlteilung erzeugte Lichtbündel miteinander interferieren. Der Gangunterschied zwischen beiden Teilstrahlen kann durch Verschieben eines Spiegels variiert werden. Das Interferogramm stellt den Verlauf der Intensität als Funktion der Spiegelposition dar und wird mit einer Photodiode gemessen.

Satellitenbasiert war FTIR beispielsweise mit dem Sensor MIPAS (Michelson Interferometer für Passive Atmosphärische Sondierung) auf dem inzwischen inaktiven ENVISAT verwirklicht. Bodengebunden betreibt z.B. das KIT vier FTIR, und zwar in Kiruna (Nordschweden), in Karlsruhe (Deutschland), am Izaña Observatorium (Teneriffa, Spanien) und in Addis Abeba (Äthiopien). Mit ihnen wird die Konzentration von Spurengasen in der Atmosphäre gemessen. Die Spurengase sind u.a. H₂O, CH₄, N₂O, O₃, NO, HNO₃, HCl, HF, CFC-11, CFC-12, NO₂, ClO, und ClONO₂. Das Ziel dieser Messungen ist es, langfristige Trends dieser Treibhaus- oder Ozonschicht relevanten Spurengase zu bestimmen. Außerdem dienen sie der Validierung von Satellitendaten.

Ebenfalls vom KIT werden horizontsondierende Fourier-Transform Infrarot-(FTIR) Spektrometer entwickelt und betrieben. Diese sind auf Stratosphärenballons und hochreichenden Flugzeugen im Einsatz, um höhenaufgelöste Verteilungen von Temperatur, Wasserdampf und Spurengasen und deren Isotopologen (z.B. HDO) in der Erdatmosphäre zu bestimmen. Horizont-abtastende Geräte, wie die Ballon- und Flugzeug-Versionen von MIPAS wurden in vielen Messkampagnen seit mehr als 20 Jahren weltweit eingesetzt.

Überwachung von Industrieanlagen mit FTIR-Fernerkundung

Auch für die Fernüberwachung großer Anlagen lassen sich FTIR-Spektrometer in der Praxis einsetzen. Schon geringste Mengen von Gasen (z. B. Ammoniak), klimaaktiven Stoffen (z. B. Methan) sowie hunderten weiteren potenziell giftigen oder brennbaren Stoffen können unter allen typischen Überwachungsbedingungen und aus großen Entfernungen gemessen und quantifiziert werden. In Echtzeit kann bei Erkennung kleinster Stoffaustritte ein Alarm ausgelöst und die Ausbreitung von emittierten Gaswolken verfolgt werden. 

Die FTIR-Fernerkundung von Gasen beruht auf der Spektralanalyse der Infrarotstrahlung aus den abgetasteten Blickrichtungen, die Absorptions- oder Emissionssignale von Molekülen einer Gaswolke enthalten kann. Während konventionelle Gassensoren das Gasmolekül aufnehmen müssen (wie eine Nase), gleicht das Messprinzip z.B. des scanfeld®-Sensors eher dem Auge, wobei nicht im sichtbaren sondern im IR-Spektralbereich und damit unabhängig von der Tageszeit gearbeitet wird. Die Infrarotstrahlung stammt hierbei aus unterschiedlichen natürlichen Strahlungsquellen wie dem Hintergrund in Blickrichtung (z. B. von Gebäuden oder dem Himmel), der Atmosphäre zwischen dem Messgerät und dem Hintergrund sowie der Gaswolke selbst. Die meisten Gase der Atmosphäre sowie fast alle gasförmigen Schadstoffe haben eine charakteristische spektrale Signatur im infraroten Spektralbereich durch energetische Übergänge zwischen verschiedenen Schwingungs- und Rotationszuständen der Moleküle und der daraus resultierenden Absorption bzw. Emission von Infrarotstrahlung.

FTIR-Sensor-Einheit überwacht eine Chemieanlage Quelle: Grandperspective

Weitere Informationen:

• FTIR - Slide Show (PDF)
• Alles über IR-Spektrometrie (IR, R. Arnolds)