在大西洋的海底探测

世界各地的海床和沿海地区都蕴藏着大量的甲烷。全世界科学家关心的问题是：这些甲烷的来源在哪里，有多大比例的温室气体被释放到大气中？阿尔弗雷德-魏格纳研究所亥姆霍兹极地与海洋研究中心（AWI）使用水下质谱仪来调查这些甲烷源。英福康的 Transpector® CPM 在这一测量系统中发挥着重要作用。

甲烷 (CH4) 是仅次于二氧化碳的最有害温室气体。由于临界点效应，如西伯利亚永久冻土的融化或海洋中气体水合物的分解，甲烷正以越来越高的浓度释放到大气中，因此甲烷的重要性与日俱增。

在水生系统中，甲烷有多种形成方式：一方面，深层甲烷是石油化工的最终产品。气藏通常位于石油储藏之上。甲烷可以通过沉积物和海床的裂缝到达海面。

另一个海底甲烷来源是水生系统下层沉积物中有机物的微生物分解。

随着气候变化的加剧，储存温室气体的海洋沉积物逐渐变暖，并在过饱和的情况下越来越多地释放出这种无色无味的气体。因此，水生系统中甲烷浓度的关键问题是：在全球碳循环中，有多少甲烷从海底释放到大气中，从而加速全球变暖？要回答这个问题，必须对海底甲烷源进行详细分析。

水下质谱仪 (UWMS) 的现场使用适合于这一目的。这种方法可用于定位和量化活动甲烷泄漏。这种技术的主要优点是在浓度升高时反应时间非常短，而且溶解气体浓度的测量速率比其他方法高 750 倍。这种高数据密度可以更精确地绘制甲烷源的空间和时间分布图。

UWMS 包括一个用于采样的膜进气系统和一个用于在线实时测量水溶性气体和轻烃的传感器装置。传感器的核心是质谱仪。长期以来，AWI 一直依赖 INFICON 的 Transpector® CPM 作为其研究水生系统甲烷沉积的 UWMS。该系统测量精确、速度快，大大提高了水下质谱仪的数据稳定性和用户友好性。

2022 年 12 月，极地研究和补给船 Polarstern 号在南大西洋南乔治亚岛附近进行了最后一次考察，利用水下质谱仪探索那里的甲烷来源。这艘德国破冰船在考察当年庆祝了自己的 40 周年纪念，是世界上最强大的极地考察船之一。Polarstern 号可以匀速穿过 1.5 米厚的北极冰层。这使它成为世界上最强大的极地科考船之一。船上有：AWI 海洋地球化学部的科学家 Torben Gentz 博士和工程师 Malte Höhn。

研究人员报告说，由于南极边缘的运输损坏，UWMS 无法运行。"我联系了 INFICON 的联系人 Steffen Tippmann，让他无论如何进行调查。在船长转移了我们计算机的全部数据量后，Steffen Tippmann 通过远程故障诊断和系统重新校准，使设备重新开始运行，"Gentz 博士描述这次服务呼叫时说。

Gentz 博士介绍说："远程维护只能在一定程度上起作用，然后就必须接触到硬件。但 AWI 不仅有聪明的科学家，还有娴熟的技术人员。Steffen Tippmann 说："他们成功地进行了必要的硬件干预，我们则远程完成了其他工作。

Gentz 博士自 2006 年起就一直积极参与 UWMS 项目，因此他也知道如何感谢这种快速而坚定的支持："我们自 2005 年起就一直在 AWI 使用该设备。 他回忆说："购买该设备的背景是为了开发一个可用于收集气候相关数据的平台。现在使用的系统与最初的设备几乎没有任何关系：除其他外，还有一个新的控制单元和新的真空泵。"唯一剩下的基本组件就是 INFICON 的 CPM，"Gentz 博士强调说。

"从那时起，我们一直在不断优化。在我的毕业论文期间，我开发了一种低温阱，可以去除总体积流量中高达 95% 的水蒸气，因此我们能够将检测限提高 10 倍。因此，我们的检测限不再是 100 nmol/L，而是 10 nmol/L 左右，"Gentz 博士强调说。这意味着在这些地区使用该设备完全可以获得有效数据。

托本-根茨（Torben Gentz）博士解释说，早期渔民知道甲烷或二氧化碳的排气点在哪里，因为鱼群喜欢在气泡升起的地方游来游去。通过回声测深仪等现代测量方法，全世界发现了越来越多的放气点，例如大陆坡上的放气点。这些测量设备安装在船底，因此可以测量海床。集成了测量技术的 ROVS（遥控潜水器）或 AUVS（自主潜水器）可用于对海底进行极高分辨率的测量。

Gentz 认为该项目和水下质谱仪的使用是成功的，但还需要不断地进一步发展。他的动力很强："近年来，我和马尔特-霍恩（Malte Höhn）一起再次对系统进行了全面改造，结果我们将工作深度从 200 米提高到了 3000 米。为了实现这一目标，必须建造一个全新的钛制压力容器，以适应这种深度，同时还必须重新设计样品入口系统。

收集数据后的任务分工很明确："我们科学家只能指出事态的发展、情景和可能的后果。而要做到这一点，我们首先需要借助我们的系统了解那里发生了什么"。当然，下一步如何处理这些发现是完全不同的事情。许多知名的 AWI 研究人员都参与了这一过程。根茨博士指出，经过处理的数据最终会流入《政府间气候变化专门委员会评估报告》等。

例如，该报告将提交给政治家。与德国经济专家委员会的报告类似，该报告记录了当前的形势。"然后会发生什么，取决于政治家。作为科学家，我们必须从中解脱出来。科学家们的动机是找出海洋在全球气候系统中的作用。"我们的重点是温室气体甲烷，并研究了测量这些关系的最佳方法。

紧凑型过程监控器 (CPM) 系统通常用于半导体生产和 SEMI 行业的过程监控以及污染监测。结合 FabGuard IPM 软件，可在工业中实现复杂的系统解决方案。CPM 系统还可用于研究、化学、材料分析和物理领域。封闭式离子源的优势在此体现得淋漓尽致。它可以直接在工艺真空（工艺压力）或比开放式离子源高得多的压力下进行离子化。安装在 CPM 中的差分泵系统是先决条件。此外，还可以使用一个可变的、可切换的入口系统，以覆盖从大气到高真空的广泛分析压力范围。

AWI 等特殊应用也利用了封闭式离子源的优势；与开放式离子源相比，处理气体在更高压力下电离。这样可以获得更高的离子产量和更多的带电粒子，这些粒子可以根据其质量电荷比在四极杆中分离出来并显示出来。其结果是一份更精确、更详细的报告，可用于研究或过程控制的进一步处理。