需要有化學和物理學的專業技術知識才能充分認識環境大氣和設計出相關的大氣模型，例如環境大氣中污染物分布的模型。在這一研究領域中，德國伍珀塔爾大學大氣物理工作組采用了具有國際水平的先進技術。
圖1. Koppmann教授考慮了所有空中交通規定而設計、制造的齊柏林飛艇采集大氣樣本用的取樣設備。
有關大氣污染物分布的研究在國際上日益受到重視。舉例來說，中國撒了一袋大米對歐洲人來講也許是一件無關緊要的事情，但若世界某地出現了放射性物質泄漏或火山噴發噴射出的灰彌漫到了大氣層，那么我們都會不可避免地受到影響。2011年日本福島核電站的核災難和2010年冰島埃亞菲亞德拉冰蓋火山噴發就是讓人們記憶猶新的例子，無休止噴發所形成的火山灰云分散在北半球，迫使中、北歐的空中交通陷于癱瘓，成千上萬的游客滯留在機場和旅游地，商品物資無法運出，航空公司及與空中交通有關的企業蒙受巨大的經濟損失。
大氣變化帶來的影響
“要對埃亞菲亞德拉火山噴發帶來的作用和后果進行評估并采取合適的對應措施，就必須知道火山灰和其他有害顆粒物在大氣中是如何分布的，以及什么時間進入大氣的。”伍珀塔爾大學大氣物理工作組的Ralf Koppmann教授解釋說。“而僅對大氣進行化學分析是不夠的，還必須探索、理解和解釋清楚其中復雜的動態過程，有害物質的傳遞途徑。”Koppmann教授強調說道。由于大氣環境是關系到人類的生死存亡事情，因此理解大氣變化的整個過程、盡可能準確地知道其對地球表面、生物圈、海洋與大氣之間復雜的相互作用十分關鍵。
含有氧氣、氮氣、二氧化碳以及微量氣體的大氣層就像柔軟的皮膚一樣保護著我們居住的地球。Ralf Koppmann教授在其研究的框架內強調指出：大氣層最厚的極地也只有15km厚的氣體，然后是保護地球的臭氧層的平流層(厚度達50km)，對流層和平流層之間的界面層。科學家強調說：“人類在地面附近對流層所發出的一切物質大多數遲早會進入到平流層。”缺乏對大氣各層之間相互關系的了解，缺乏對其相互作用過程的了解會給人類和環境帶來嚴重的后果，例如臭氧洞。“幾十年來，我們大量使用氟利昂(FCKW)作為制冷劑，將其產生的廢氣排放到大氣環境中，而對平流層造成的傷害是忽視了大氣自愈能力的后果;盡管我們可以把最后一次使用氟利昂(FCKW)追述到幾十年前，這就是地球大氣層的長期記憶。”
Ralf Koppmann教授應用化學分析儀器和設備在大氣中尋找物質傳遞的蹤跡。他所領導20人團隊中的物理學家在大氣分析中使用了氣相色譜，結合采用了Gerstel公司特殊設計制造的TDS-G熱脫附系統。這樣一來就可以從大量的空氣樣本中提取和采集到大氣過程的示蹤劑——揮發性有機化合物VOC。最令Ralf Koppmann教授感興趣的是：揮發性有機化合物VOC的這種同位素成分成為了大氣循環過程中的“指紋”。
同位素—相似但不相同
大氣的化學過程和動態過程都只能間接檢測，例如對濃度、微量元素的分布，揮發性有機化合物VOC值及其隨時間、空間的變化等進行測定。有時候，動態過程的光化學降解反應過程是很難驗證的，例如風向改變對氣團的變化。微量氣體中含有穩定的同位素：有著一種或者同種化學元素的不同原子。同位素中原子核內的質子數量相同，但中子數量不同;質子和中子數量的總和，也就是質量數決定了它們是同一元素的不同同位素。在碳元素中就有人們熟悉的天然同位素，例如質量數為12的(12C，碳元素中豐度為98.89%)13的(13C，碳元素豐度為1.11%)和14的(14C)，14C是一種不穩定的、有放射性的碳元素的同位素，12C和13C則是穩定的、沒有放射性的碳元素同位素。
“雖然它們具有相似性的化學性質，但一種化學元素的同位素在化學反應中的速度是不同的，含有較輕碳12同位素的化合的同位素的比例就越高。”Koppmann教授解釋道。這樣，從其產生開始到檢測時測定的同位素含量多少就成為判斷“出土文物”歷史年代的依據了，當然在大氣研究中要考慮風速和風向等氣象數據的影響。較重和較輕同位素的比例與微量氣體的來源有關，這一比例也在化學反應過程中隨分子在大氣中的居留時間不斷變化，但也受到動態過程的重要影響，例如氣團的相互混合。而在這些變化和影響中，穩定的同位素比例則是表示微量氣體濃度和分布受影響過程的指紋。
圖注：Koppmann教授在空氣樣本檢測過程中使用的是齊柏林飛艇(飛機)采集的空氣樣本，將上述樣本在Wuppertal大學實驗室中利用TDS-G-Large 和GC-IRMS對揮發性以及化合物進行測定。
技術要求的挑戰
要利用氣相色譜-質譜同位素比值質譜儀(GC-IRMS)準確檢測大氣中濃度較低的微量氣體元素，就要采集大量的空氣樣本。同時也要求有空氣樣本過濾設備和專門的萃取技術，利用有效的方法在合理時間內分析出超大體積的空氣樣本。為了得到很高的流量率和萃取率，Gerstel公司聘請了一批從事從氣體樣本中萃取揮發性有機化合物技術的專家。在對設計任務書中提出的設計要求進行了全面分析之后，其中除了其他要求之外100L的空氣樣本量、去除空氣中的水分和二氧化碳以及高效的萃取、解吸附和目標分析物的分析等要求使得這家公司打算在其現有的在線檢測設備熱解吸系統(TDS-G)的基礎上進行改進，從而滿足設計任務書的要求。
經過一番艱苦的開發和努力之后，滿足設計任務書要求的超大型在線TDS-G誕生了。自此，在Wuppertal大學和Jülich研究中心先后安裝了三套Gerstel公司研發生產的TDS-G-Large檢測分析設備。利用這一設備可以從大量的空氣樣本中萃取出揮發性以及化合物VOC，然后提取同位素的組成成分，利用GC-IRMS對揮發性以及化合物進行測定。
Koppmann教授還指出，該設備也可用于汽車尾氣的檢測，在他從事的齊柏林飛艇的一次檢測中，Wupptal大學的科學家們對發動機燃料燃燒后產生的、隨著汽車尾氣散發到大氣中的甲苯(C7H8)進行了濃縮。為了測定甲苯在大氣中的逗留時間和進入大氣的途徑，Ralf Koppmann教授及其團隊考察了各個化合物中的穩定性同位素比值，如甲苯中的穩定同位素比值。就像在汽車尾氣研究中非常熟悉和了解的情況那樣，每次測定要采集大約40個空氣量各為25L的空氣樣本，是齊柏林飛艇排放在距地面600m高空中的廢氣，由飛艇吊艙沿飛行方向用吸管吸入到專用的方形桶中的。
這一檢測設備還大量應用與其他檢測中，例如在一個西班牙的兩個高海拔長距離研究飛機的飛行研究項目應用了該設備，還包括一些旨在探討全球空氣質量和氣候及人為植物揮發性有機化合物的影響的檢測項目。重點是未來幾年，亞洲季風和非洲生物質燃燒的后果;Ralf Koppmann教授補充。其中的一個重要目標是：找出揮發性研究化合物VOC是如何穿透對流層和平流層之間的邊界層進入平流層的。“我們有許多東西不知道，但明確的是有害的排放物在對流層某些氣象條件下會很快傳送出去。盡管地球表面的大氣層是一個有限的空氣層，但在大氣研究領域還有許多值得我們去探索、了解和認識的新事物。”Ralf Koppmann教授表示。
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地球的大氣層
地球的大氣層由幾個密度、壓力和溫度都不系統的氣層組成。最靠近地面的一層被稱之為對流層;所有的氣候現象，例如風、云的形成和變化都在這一層里。對流層與平流層之間的過渡稱之為平流層頂,也是最令大氣物理學家感興趣的一層，但目前研究人員尚未充分了解生物和人為造成的有害排放物如何通過這一層進入更上面的平流層。