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pH-Wert von Meerwasser

Erstmals können die Ergebnisse verschiedener Messverfahren verglichen werden

PTBnews 3.2018
02.10.2018
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Ozeanografie

Klimaforschung

In Zusammenarbeit mit dem Leibniz- Institut für Ostseeforschung Warnemünde wurden in der PTB erstmals pH-Werte von Meerwasser mit einem mittleren Salzgehalt (fünf bis zwanzig Gramm pro Kilogramm Meerwasser) rückführbar auf das primäre pH-Normal der PTB gemessen. Dies sichert die Vergleichbarkeit von im Meer gemessenen pH-Werten, was z. B. für die zuverlässige Quantifizierung der Meerwasserversauerung zwingend notwendig ist.

Messaufbau der PTB zur elektrochemischen Messung des pHT-Werts. Die Apparatur enthält die mit den künstlichen Meerwasserproben gefüllten Harned-Zellen, deren Spannungen unter temperierten Bedingungen gemessenen werden.

Die CO2-Emission ist nicht nur ein Problem für das Weltklima, sondern auch für die Weltmeere. Kohlendoxid löst sich im Meerwasser und setzt dadurch Wasserstoffionen frei, die zu einer Versauerung führen. Dies beeinflusst die meisten biochemischen und biologischen Prozesse im Meerwasser; sehr empfindlich reagiert beispielsweise das Korallenwachstum. Langjährige Messungen etwa im Nordpazifik nahe Hawaii zeigen, dass sich der pH-Wert derzeit jährlich um ca. 0,003 vermindert, wobei die Messunsicherheit der genauesten pH-Wert-Messungen derzeit ca. 0,002 beträgt.

Unterschiedliche Definitionen des pHWertes erschweren die Vergleichbarkeit der Messergebnisse. In der Metrologie (und im industriellen Umfeld) wird der pH-Wert elektrochemisch gemessen. Dabei nutzt man aus, dass eine in wässriger Lösung eingetauchte Elektrode eine messbare Spannung in Bezug auf eine Referenzelektrode erzeugt, die von den freien Wasserstoffionen bestimmt wird. Neben dem pH-Wert lässt sich auch der so genannte pHT-Wert elektrochemisch messen. Der Index T steht für „total“ und bezeichnet die Tatsache, dass neben den freien Wasserstoffionen auch Hydrogensulfationen für die Übertragung von Wasserstoffionen sorgen, was vor allem in Meerwasser von Bedeutung ist. In der Ozeanografie hat sich die Messung des pHT-Wertes mit einer optischen Messmethode etabliert. Dabei wird dem Meerwasser ein Farbstoff mit pH-abhängigem Absorptionsspektrum zugefügt.

In einer Kooperation der PTB mit dem Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) wurden erstmals die mit dem optischen Messverfahren durchgeführten pHT-Messungen auf den metrologisch definierten, also elektrochemisch gemessenen pHT-Wert bezogen. Der Fokus lag auf dem für die Ostsee typischen Salzgehalt von fünf bis zwanzig Gramm pro Kilogramm Meerwasser und auf Temperaturen von 5 °C bis 45 °C. Nach einem gemeinsam entwickelten Verfahren stellte die PTB künstliche Meerwasserstandards her, an denen zunächst die pHT-Referenzwerte mit der primären elektrochemischen Messapparatur der PTB gemessen wurden. Dann wurde am IOW die optische Messmethode im gleichen Temperaturbereich eingesetzt. Die Verknüpfung beider Werte schließt die Rückführungskette für optische pHT-Wert-Messungen in der Ostsee und stellt die zuverlässige Vergleichbarkeit der Messwerte sicher.

Als nächstes soll zusammen mit dem PTB-Fachbereich „Mathematische Modellierung und Datenanalyse“ eine metrologisch fundierte mathematische Beziehung zwischen den gemessen pHT- Werten, dem Salzgehalt und der Temperatur berechnet und der Ozeanografie zur Verfügung gestellt werden.

Ansprechpartner

Steffen Seitz
Fachbereich 3.4
Physikalische Chemie
Telefon: (0531) 592-3019
Opens window for sending emailsteffen.seitz(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

J. D. Müller, F. Bastkowski, B. Sander, S. Seitz, D. R. Turner, A. G. Dickson, G. Rehder: Metrology for pH measurements in brackish waters – part 1: Extending electrochemical pHT measurements of TRIS buffers to salinities 5–20. Front. Mar. Sci. 5,176 (2018)