DOI: https://doi.org/10.5194/bg-23-3517-2026
تاريخ النشر: 2026-05-22
المؤلف: Lea Lange وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
تبحث الدراسة في كفاءة أخذ العينات لتقنية اللوح الزجاجي لقياس الغازات الدقيقة قصيرة العمر—ثنائي ميثيل كبريتيد (DMS)، إيزوبرين، وكبريتيد الكربون (CS₂)—في طبقة الميكرولايير السطحية للبحر (SML). تعتبر SML، وهي طبقة رقيقة على سطح المحيط، غنية بالمركبات العضوية وتلعب دورًا حاسمًا في تبادل الغازات بين الهواء والبحر. وجدت الدراسة أنه بينما تؤدي تقنيات أخذ العينات المعتمدة غالبًا إلى خسائر كبيرة في الغازات الدقيقة المتطايرة، لا يزال من الممكن إجراء تحليل ذي مغزى. كانت كفاءات أخذ العينات المحددة حوالي $0.13 \pm 0.01$ لـ DMS وإيزوبرين، و $0.12 \pm 0.01$ لـ CS₂، مع كون درجة حرارة الماء وتركيز الغاز الدقيق هما العاملان الرئيسيان المؤثران على التباين. ومع ذلك، كانت آثار المواد السطحية، التي تم نمذجتها باستخدام Triton X-100، غير حاسمة، مما يشير إلى الحاجة إلى مزيد من التحقيق في تأثيرها على كفاءة أخذ العينات.
في الختام، تؤكد الدراسة على إمكانية استخدام أخذ العينات بواسطة اللوح الزجاجي لتحليل الغازات الدقيقة في SML، خاصة تحت ظروف التشبع الزائد. وتقترح أنه بينما يمكن أن تكون كفاءات أخذ العينات المستمدة بمثابة عتبات لتحديد الغنى، يجب عدم تطبيقها كميًا لتصحيح التركيزات بسبب عدم اليقين. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على الغازات الدقيقة طويلة العمر، وتأثير الرياح على كفاءة أخذ العينات، وتعقيدات خلطات المواد السطحية الطبيعية. ستفيد النتائج الدراسات الجارية، بما في ذلك تلك في بحر الشمال وبحر البلطيق، وتبرز الحاجة إلى تحليل بيانات أكثر شمولاً لتعزيز فهم عمليات الغازات الدقيقة في SML.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للغازات الدقيقة قصيرة وطويلة العمر في التأثير على مناخ الأرض من خلال عمليات مختلفة، بما في ذلك كيمياء الجذور الهيدروكسيلية وتأثير الاحتباس الحراري. تعتبر المحيطات مصادر ومصارف هامة لهذه الغازات، مما يجعل من الضروري فهم دوراتها في طبقة الماء المختلطة في المحيط وتبادل الهواء والبحر في طبقة الميكرولايير السطحية (SML)، التي غالبًا ما تكون غنية بالمواد العضوية مثل المواد السطحية. على الرغم من أهميتها، فإن البيانات حول تركيزات الغازات الدقيقة في SML محدودة، خاصة بسبب عدم كفاية تقنيات أخذ العينات المعتمدة للغازات المتطايرة. أدت هذه النقص إلى تباينات في تقديرات تبادل الغازات بين الهواء والبحر، مما قد يؤثر على فهمنا لكيمياء الغلاف الجوي ونماذج المناخ.
تهدف الدراسة إلى تقييم كفاءة تقنية أخذ العينات بواسطة اللوح الزجاجي للغازات الدقيقة المتطايرة مثل ثنائي ميثيل كبريتيد (DMS)، إيزوبرين، وكبريتيد الكربون (CS₂) في سياق العمليات البيوجيوكيميائية وتبادل الهواء والبحر في طبقة الميكرولايير السطحية (BASS). يفترض المؤلفون أنه على الرغم من الخسائر الكبيرة المتوقعة في أخذ العينات بسبب الطبيعة المتطايرة لهذه الغازات، لا يزال من الممكن إجراء تحليل ذي مغزى. يقترحون التحقيق في العوامل الفيزيائية والكيميائية التي تؤثر على خسائر أخذ العينات وتطوير طريقة تصحيح لتقنية اللوح الزجاجي، مع معالجة الأسئلة الرئيسية حول صلاحية عينات SML للغازات الدقيقة والعوامل التي تؤدي إلى الخسائر المرتبطة.
طرق
في هذه الدراسة، هدف المؤلفون إلى قياس كفاءة أخذ العينات لطريقة اللوح الزجاجي لقياس الغازات الدقيقة في طبقة الميكرولايير السطحية (SML) للماء. نظرًا لعدم وجود أجهزة استشعار معتمدة في الموقع للغازات الدقيقة في SML، تم إجراء تجارب محكومة في خزان حيث تم خلط الماء قبل أخذ العينات، مما يضمن أن تركيز SML يتطابق مع تركيز الماء تحت المنخفض (ULW). تم استخدام الانحراف في التركيزات بين عينات SML وULW لتقييم كفاءة أخذ العينات، مع تعريف SML كأعلى 1 مم من عمود الماء، خالية من الغنى العضوي.
شملت الإعدادات التجريبية سلسلة من الاختبارات المعملية التي أجريت في عام 2023، والتي تضمنت اختبارات أولية وتجربتين رئيسيتين تركزان على أخذ العينات بواسطة اللوح الزجاجي مع وبدون مواد سطحية. تم استخدام غازات موسومة نظائريًا للقضاء على التداخلات البيولوجية والكيميائية. تنوعت التجارب في معلمات مثل درجة حرارة الماء، والملوحة، ووجود المواد السطحية لتقييم تأثيراتها على كفاءة أخذ العينات. من الجدير بالذكر أن استخدام Triton X-100 كمواد سطحية صناعية سمح بالتحقيق في التفاعلات الفيزيائية والكيميائية التي تؤثر على أخذ العينات. أشارت النتائج إلى أنه بينما كانت الفروقات في معالجات المياه العذبة غير ذات دلالة إحصائية، كانت الفروقات في معالجات مياه البحر الصناعية ذات دلالة، مما يشير إلى أن المعلمات البيئية أثرت على كفاءة أخذ العينات. تسلط الدراسة الضوء على تعقيدات طرق أخذ العينات والحاجة إلى ظروف محكومة لتقييم تركيزات الغازات الدقيقة بدقة في البيئات المائية.
النتائج
في هذه الدراسة، تم جمع ما مجموعه 155 عينة، تتكون من 53 زوجًا من طبقة الميكرولايير السطحية (SML) والماء تحت المنخفض (ULW). بعد تطبيق مراقبة الجودة الرسمية (QC)، تم الاحتفاظ بـ 149 عينة (51 زوج SML-ULW)، بينما تم استبعاد 13 عينة (5 أزواج) بسبب عدم تلبية الافتراضات التجريبية، مما أسفر عن 46 زوج SML-ULW لحسابات كفاءة أخذ العينات اللاحقة. يركز التحليل على التجارب B وC، حيث كانت التجربة A بمثابة اختبارات أولية فقط.
تشمل النتائج تقييم الافتراض المختلط جيدًا للخزان، جنبًا إلى جنب مع الضغوط الجزئية (PA) للغازات الدقيقة لكل من SML وULW، والتي تظهر ارتباطًا يبرر استخدام نموذج خطأ مضاعف كما هو موضح في المعادلة 7. يتم تقديم كفاءة أخذ العينات النهائية أولاً للماء بدون إضافات، تليها النتائج التي تتضمن مادة سطحية صناعية، مما يبرز تأثير الإضافات على كفاءة أخذ العينات.
المناقشة
في قسم البحث المناقش، يتم تفصيل المنهجية لأخذ العينات وتحليل طبقة الميكرولايير السطحية (SML) وطبقة الماء تحت المنخفض (ULW). شمل أخذ العينات تجانسًا دقيقًا لجسم الماء لتقليل تدرجات التركيز قبل جمع العينات من SML وULW والطبقات السطحية باستخدام تقنية اللوح الزجاجي. تم حساب كفاءة أخذ العينات كنسبة محتوى الغاز الدقيق في SML إلى ذلك في ULW، مع إجراء تعديلات على خسائر أخذ العينات. استخدمت الدراسة كروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة (GC-MS) لتحليل الغازات الدقيقة، مما يضمن معالجة العينات بسرعة للحفاظ على سلامتها، واستخدمت الفولتمترية لتحليل المواد السطحية عند الاقتضاء.
تشير النتائج إلى أن SML أظهرت باستمرار تركيزات أعلى من المواد السطحية مقارنة بـ ULW، حيث كانت عوامل الغنى (EF) عمومًا تتجاوز 1، على الرغم من ملاحظة بعض الاستثناءات. تم أيضًا تسجيل مدة أخذ العينات وعدد الغطسات المطلوبة لتحقيق أحجام العينات المستهدفة، مما يكشف أن وجود المواد السطحية زاد من الحجم الم collected لكل غطسة. بالإضافة إلى ذلك، أكدت الدراسة أن خلط الخزان حافظ بشكل فعال على تركيزات الغاز الدقيقة الموحدة عبر أعماق مختلفة، كما يتضح من النسب المتسقة لقياسات الغاز الدقيقة. بشكل عام، تسلط الأبحاث الضوء على أهمية تقنيات أخذ العينات الدقيقة وتأثير المواد السطحية على كفاءة أخذ العينات وتركيزات الغاز الدقيقة في البيئات المائية.
DOI: https://doi.org/10.5194/bg-23-3517-2026
Publication Date: 2026-05-22
Author(s): Lea Lange et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
The research investigates the sampling efficiency of the glass plate technique for measuring short-lived trace gases—dimethyl sulfide (DMS), isoprene, and carbon disulfide (CS₂)—in the sea surface microlayer (SML). The SML, a thin layer at the ocean’s surface, is enriched in organic compounds and plays a crucial role in air-sea gas exchange. The study found that while established sampling techniques often result in significant losses of volatile trace gases, meaningful analysis is still achievable. The sampling efficiencies determined were approximately $0.13 \pm 0.01$ for DMS and isoprene, and $0.12 \pm 0.01$ for CS₂, with water temperature and trace gas concentration being the primary factors influencing variability. However, the effects of surfactants, modeled using Triton X-100, were inconclusive, indicating a need for further investigation into their impact on sampling efficiency.
In conclusion, the study emphasizes the potential for glass plate sampling to analyze trace gases in the SML, particularly under conditions of oversaturation. It suggests that while the derived sampling efficiencies can serve as thresholds for identifying enrichment, they should not be quantitatively applied to correct concentrations due to uncertainties. Future research should focus on long-lived trace gases, the influence of wind on sampling efficiency, and the complexities of natural surfactant mixtures. The findings will inform ongoing studies, including those in the North and Baltic Seas, and highlight the necessity for more comprehensive data analysis to enhance understanding of trace gas processes in the SML.
Introduction
The introduction highlights the critical role of short- and long-lived trace gases in influencing Earth’s climate through various processes, including hydroxyl radical chemistry and the greenhouse effect. The oceans are significant sources and sinks for these gases, making it essential to understand their cycling in the ocean mixed layer and the air-sea exchange at the surface microlayer (SML), which is often enriched with organic substances like surfactants. Despite its importance, data on trace gas concentrations in the SML is limited, particularly due to the inadequacy of established sampling techniques for volatile gases. This deficiency has led to discrepancies in air-sea gas exchange estimates, which may impact our understanding of atmospheric chemistry and climate models.
The study aims to evaluate the efficiency of the glass plate sampling technique for volatile trace gases such as dimethyl sulfide (DMS), isoprene, and carbon disulfide (CS₂) within the context of the Biogeochemical processes and Air-sea exchange in the Sea-Surface microlayer (BASS) project. The authors hypothesize that despite high expected sampling losses due to the volatile nature of these gases, meaningful analysis is still achievable. They propose to investigate the physicochemical factors influencing sampling losses and to develop a correction method for the glass plate technique, addressing key questions about the validity of SML samples for trace gases and the factors driving associated losses.
Methods
In this study, the authors aimed to quantify the sampling efficiency of a glass plate method for measuring trace gases in the surface microlayer (SML) of water. Due to the absence of established in situ sensors for trace gases in the SML, controlled experiments were conducted in a tank where water was mixed prior to sampling, ensuring that the SML concentration matched that of the underlying ultra-low water (ULW). The deviation in concentrations between SML and ULW samples was used to assess the sampling efficiency, with the SML defined as the upper 1 mm of the water column, devoid of organic enrichment.
The experimental setup involved a series of lab tests conducted in 2023, which included preliminary tests and two main experiments focusing on glass plate sampling with and without surfactants. Isotopically labeled gases were employed to eliminate biological and chemical interferences. The experiments varied parameters such as water temperature, salinity, and surfactant presence to evaluate their effects on sampling efficiency. Notably, the use of Triton X-100 as an artificial surfactant allowed for the investigation of physicochemical interactions affecting sampling. The results indicated that while differences in fresh water treatments were statistically insignificant, variations in artificial seawater treatments were significant, suggesting that environmental parameters influenced sampling efficiency. The study highlights the complexities of sampling methods and the need for controlled conditions to accurately assess trace gas concentrations in aquatic environments.
Results
In this study, a total of 155 samples were collected, comprising 53 pairs of surface microlayer (SML) and underlying water (ULW). After applying formal quality control (QC), 149 samples (51 SML-ULW pairs) were retained, while 13 samples (5 pairs) were excluded due to unmet experimental assumptions, resulting in 46 SML-ULW pairs for subsequent sampling efficiency calculations. The analysis focuses on experiments B and C, as experiment A served only as preliminary tests.
The results include an evaluation of the well-mixed assumption of the tank, alongside the partial pressures (PA) of trace gases for both SML and ULW, which demonstrate a correlation that justifies the use of a multiplicative error model as described in Equation 7. The final sampling efficiency is presented first for water without additives, followed by results that incorporate an artificial surfactant, highlighting the impact of additives on sampling efficiency.
Discussion
In the discussed research section, the methodology for sampling and analyzing the surface microlayer (SML) and underlying water layer (ULW) is detailed. The sampling involved careful homogenization of the water body to minimize concentration gradients before collecting samples from the SML, ULW, and surface layers using a glass plate technique. The sampling efficiency was calculated as the ratio of trace gas content in the SML to that in the ULW, with adjustments made for sampling losses. The study employed gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) for trace gas analysis, ensuring that samples were processed promptly to maintain integrity, and utilized voltammetry for surfactant analysis when applicable.
The findings indicate that the SML consistently exhibited higher concentrations of surfactants compared to the ULW, with enrichment factors (EF) generally exceeding 1, although some exceptions were noted. The sampling duration and the number of dips required to achieve target sample volumes were also recorded, revealing that the presence of surfactants increased the volume collected per dip. Additionally, the study confirmed that mixing the tank effectively maintained uniform trace gas concentrations across different depths, as evidenced by consistent ratios of trace gas measurements. Overall, the research underscores the importance of meticulous sampling techniques and the influence of surfactants on sampling efficiency and trace gas concentrations in aquatic environments.