Einzelpartikel- und Ensemblemessungen mit dem Aerosolmassenspektrometer (AMS): Untersuchungen zu Quellen und chemischer Prozessierung von Aerosolpartikeln im Submikrometerbereich

Atmosphärische Aerosolpartikel haben einen Einfluss sowohl auf das Klima als auch auf die menschliche Gesundheit, wobei sowohl die Größe, als auch die chemische Zusammensetzung der Partikel maßgeblich sind. Um insbesondere die chemische Zusammensetzung der Partikel in Abhängigkeit ihrer Quellen besser zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit massenspektrometrische Untersuchungen thermisch verdampfbarer Partikel im Submikrometerbereich durchgeführt. Hierzu wurden sowohl die Massenspektren einzelner Partikel, als auch die von Ensembles von Partikeln mit dem Aerodyne Aerosolmassenspektrometer (AMS) in mehreren Feldmesskampagnen untersucht. Für die Messung von Einzelpartikelmassenspektren wurde das AMS zunächst durch den Einbau eines optischen Partikeldetektors (light scattering probe) modifiziert und anschließend eingehend charakterisiert. Dabei wurde festgestellt, dass mit dem Gerät im Partikelgrößenbereich von etwa 400-750 nm (untere Grenze bedingt durch die Detektionseffizienz des optischen Detektors, obere Grenze durch die Transmissionseffizienz des Aerosoleinlasssystems) quantitative Einzelpartikelmessungen möglich sind. Zudem wurde die Analyse der erhaltenen Messdaten systematisiert, und durch Einsatz von Standardspektren ein Sortieralgorithmus für die Einzelpartikelmassenspektren entwickelt, der erfolgreich auf Daten von Feldmesskampagnen angewandt werden konnte. Mit diesem Sortieralgorithmus sind zudem quantitative Aussagen über die verschiedenen Partikelbestandteile möglich. Im Sommer 2009 und im Winter 2010 fanden im Großraum Paris zwei einmonatige Feldmesskampagnen statt, bei denen unter anderem der Einfluss der Abluftfahne der Megastadt auf seine Vororte untersucht wurde. Erhöhte Konzentrationen sekundär gebildeter Aerosolkomponenten (Nitrat, Sulfat, oxidiertes organisches Aerosol (OOA)) waren insbesondere beim Herantransport kontinentaler Luftmassen zu beobachten. Im Gegensatz dazu waren die beobachteten Konzentrationen der Tracer primärer Emissionen NOx, BC (black carbon) und HOA (hydrocarbonlike organic aerosol) neben der lokalen Quellstärke insbesondere durch die herrschende Windgeschwindigkeit beeinflusst. Aus dem Vergleich der Messungen an drei Stationen konnte der Einfluss der Megastadt Paris auf seine Vororte (unter Annahme gleicher lokaler Emissionen an den zwei Vorort-Stationen) zu 0,1-0,7 µg m-3 BC, 0,3-1,1 µg m-3 HOA, und 3-5 ppb NOx abgeschätzt werden. Zudem konnten für zwei Stationen aus den Ensemble- bzw. den Einzelpartikelmessungen unabhängig voneinander zwei verschiedene HOA-Typen unterschieden werden, die den Quellen „Kochen“ und „Autoabgase“ zugeordnet wurden. Der Anteil der Partikel aus den Quellen „Kochen“ bzw. „Autoabgase“ am Gesamt-HOA betrug 65,5 % und 34,5 % für die Ensemblemessungen in der Innenstadt (nahe vieler Restaurants), und für die Einzelpartikelmessungen in einem Vorort 59 % bzw. 41 % (bezogen auf die Partikelanzahl, welche hier der Masse etwa proportional ist). Die Analyse der Einzelpartikelmassenspektren erbrachte zudem neue Erkenntnisse über den Mischungszustand der Einzelpartikel. So konnte belegt werden, dass Nitrat, Sulfat und OOA intern gemischt sind, HOA-Partikel aber als externe Mischung mit diesen vorliegen. Zudem konnte anhand der Tagesgänge der Masse pro Partikel von OOA, Nitrat und Sulfat und der Anzahl der diese Substanzen enthaltenden Partikel gezeigt werden, dass der im Ensemblemodus beobachtete fehlende Tagesgang der Sulfat-Massenkonzentration wahrscheinlich durch die gegensätzlichen Effekte der Modulation der Partikelanzahlkonzentration durch die sich verändernde Mischungsschichthöhe und der variierenden Masse an Sulfat pro Partikel (mittägliche photochemische Neuproduktion und Kondensation auf existierende Partikel) erklärt werden kann. Für OOA ist eine ähnliche Erklärung des Ensemblemodus-Tagesganges jedoch nur teilweise möglich; weitere Arbeit ist daher nötig, um auch für diese Substanzklasse belastbare Aussagen aus dem Vergleich der Ensemble- und Einzelpartikelmessungen zu erhalten. Im Rahmen einer Labormesskampagne an der AIDA-Kammer in Karlsruhe wurden Ensemble- und Einzelpartikelmassenspektren von Bakterien aufgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass es prinzipiell möglich ist, Bakterien in Außenluft mittels Einzelpartikelmessungen nachzuweisen, jedoch wahrscheinlich nur bei sehr hohen Anzahlkonzentrationen. Der Nachweis von Bakterien und anderen primären biologischen Aerosolpartikeln mit dem AMS sollte daher in weiterführenden Experimenten noch optimiert werden.

Characterisation and field deployment of a novel quantitative Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS)

Das Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS) der Firma Aerodyne ist eine Weiterentwicklung des Aerodyne Aerosolmassenspektrometers (Q-AMS). Dieses ist gut charakterisiert und kommt weltweit zum Einsatz. Beide Instrumente nutzen eine aerodynamische Linse, aerodynamische Partikelgrößenbestimmung, thermische Verdampfung und Elektronenstoß-Ionisation. Im Gegensatz zum Q-AMS, wo ein Quadrupolmassenspektrometer zur Analyse der Ionen verwendet wird, kommt beim ToF-AMS ein Flugzeit-Massenspektrometer zum Einsatz. In der vorliegenden Arbeit wird anhand von Laborexperimenten und Feldmesskampagnen gezeigt, dass das ToF-AMS zur quantitativen Messung der chemischen Zusammensetzung von Aerosolpartikeln mit hoher Zeit- und Größenauflösung geeignet ist. Zusätzlich wird ein vollständiges Schema zur ToF-AMS Datenanalyse vorgestellt, dass entwickelt wurde, um quantitative und sinnvolle Ergebnisse aus den aufgenommenen Rohdaten, sowohl von Messkampagnen als auch von Laborexperimenten, zu erhalten. Dieses Schema basiert auf den Charakterisierungsexperimenten, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Es beinhaltet Korrekturen, die angebracht werden müssen, und Kalibrationen, die durchgeführt werden müssen, um zuverlässige Ergebnisse aus den Rohdaten zu extrahieren. Beträchtliche Arbeit wurde außerdem in die Entwicklung eines zuverlässigen und benutzerfreundlichen Datenanalyseprogramms investiert. Dieses Programm kann zur automatischen und systematischen ToF-AMS Datenanalyse und –korrektur genutzt werden.

Chemical composition measurements of cloud condensation nuclei and ice nuclei by aerosol mass spectrometry

In this study the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (AMS) was used during three laboratory measurement campaigns, FROST1, FROST2 and ACI-03. The FROST campaigns took place at the Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (LACIS) at the IfT in Leipzig and the ACI-03 campaign was conducted at the AIDA facility at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). In all three campaigns, the effect of coatings on mineral dust ice nuclei (IN) was investigated. During the FROST campaigns, Arizona Test Dust (ATD) particles of 200, 300 and 400 nm diameter were coated with thin coatings (< 7 nm) of sulphuric acid. At these very thin coatings, the AMS was operated close to its detection limits. Up to now it was not possible to accurately determine AMS detection limits during regular measurements. Therefore, the mathematical tools to analyse the detection limits of the AMS have been improved in this work. It is now possible to calculate detection limits of the AMS under operating conditions, without losing precious time by sampling through a particle filter. The instrument was characterised in more detail to enable correct quantification of the sulphate loadings on the ATD particle surfaces. Correction factors for the instrument inlet transmission, the collection efficiency, and the relative ionisation efficiency have been determined. With these corrections it was possible to quantify the sulphate mass per particle on the ATD after the condensation of sulphuric acid on its surface. The AMS results have been combined with the ice nucleus counter results. This revealed that the IN-efficiency of ATD is reduced when it is coated with sulphuric acid. The reason for this reduction is a chemical reaction of sulphuric acid with the particle's surface. These reactions are increasingly taking place when the aerosol is humidified or heated after the coating with sulphuric acid. A detailed analysis of the solubility and the evaporation temperature of the surface reaction products revealed that most likely aluminium sulphate is produced in these reactions.

Feasibility studies for accessing nucleon structure observables with the PANDA experiment at the future FAIR facility

The availability of a high-intensity antiproton beam with momentum up to 15,GeV/c at the future FAIR will open a unique opportunity to investigate wide areas of nuclear physics with the $overline{P}$ANDA (anti{$overline{P}$}roton ANnihilations at DArmstadt) detector. Part of these investigations concern the Electromagnetic Form Factors of the proton in the time-like region and the study of the Transition Distribution Amplitudes, for which feasibility studies have been performed in this Thesis. rnMoreover, simulations to study the efficiency and the energy resolution of the backward endcap of the electromagnetic calorimeter of $overline{P}$ANDA are presented. This detector is crucial especially for the reconstruction of processes like $bar pprightarrow e^+ e^- pi^0$, investigated in this work. Different arrangements of dead material were studied. The results show that both, the efficiency and the energy resolution of the backward endcap of the electromagnetic calorimeter fullfill the requirements for the detection of backward particles, and that this detector is necessary for the reconstruction of the channels of interest. rnrnThe study of the annihilation channel $bar pprightarrow e^+ e^-$ will improve the knowledge of the Electromagnetic Form Factors in the time-like region, and will help to understand their connection with the Electromagnetic Form Factors in the space-like region. In this Thesis the feasibility of a measurement of the $bar pprightarrow e^+ e^-$ cross section with $overline{P}$ANDA is studied using Monte-Carlo simulations. The major background channel $bar pprightarrow pi^+ pi^-$ is taken into account. The results show a $10^9$ background suppression factor, which assure a sufficiently clean signal with less than 0.1% background contamination. The signal can be measured with an efficiency greater than 30% up to $s=14$,(GeV/c)$^2$. The Electromagnetic Form Factors are extracted from the reconstructed signal and corrected angular distribution. Above this $s$ limit, the low cross section will not allow the direct extraction of the Electromagnetic Form Factors. However, the total cross section can still be measured and an extraction of the Electromagnetic Form Factors is possible considering certain assumptions on the ratio between the electric and magnetic contributions.rnrnThe Transition Distribution Amplitudes are new non-perturbative objects describing the transition between a baryon and a meson. They are accessible in hard exclusive processes like $bar pprightarrow e^+ e^- pi^0$. The study of this process with $overline{P}$ANDA will test the Transition Distribution Amplitudes approach. This work includes a feasibility study for measuring this channel with $overline{P}$ANDA. The main background reaction is here $bar pprightarrow pi^+ pi^- pi^0$. A background suppression factor of $10^8$ has been achieved while keeping a signal efficiency above 20%.rnrnrnPart of this work has been published in the European Physics Journal A 44, 373-384 (2010).rn

Chemische und physikalische Charakterisierung von Aerosolpartikeln aus besonderen anthropogenen Emissionsquellen : ein integrativer Ansatz mittels online (HR-ToF-AMS)- und komplementärer offline (ATR-FTIR-Spektroskopie)-Analytik

Die Gesundheitseffekte von Aerosolpartikeln werden stark von ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften und somit den jeweiligen Bildungsprozessen und Quellencharakteristika beeinflusst. Während die Hauptquellen der anthropogenen Partikelemissionen gut untersucht sind, stellen die spezifischen Emissionsmuster zahlreicher kleiner Aerosolquellen, welche lokal und temporär zu einer signifikanten Verschlechterung der Luftqualität beitragen können, ein Forschungsdesiderat dar.rnIn der vorliegenden Arbeit werden in kombinierten Labor- und Feldmessungen durch ein integratives Analysekonzept mittels online (HR-ToF-AMS ) und filterbasierter offline (ATR-FTIR-Spektroskopie ) Messverfahren die weitgehend unbekannten physikalischen und chemischen Eigenschaften der Emissionen besonderer anthropogener Aerosolquellen untersucht. Neben einem Fußballstadion als komplexe Mischung verschiedener Aerosolquellen wie Frittieren und Grillen, Zigarettenrauchen und Pyrotechnik werden die Emissionen durch Feuerwerkskörper, landwirtschaftliche Intensivtierhaltung (Legehennen), Tief- und Straßenbauarbeiten sowie abwasserbürtige Aerosolpartikel in die Studie mit eingebunden. Die primären Partikelemissionen der untersuchten Quellen sind vorrangig durch kleine Partikelgrößen (dp < 1 µm) und somit eine hohe Lungengängigkeit gekennzeichnet. Dagegen zeigen die Aerosolpartikel im Stall der landwirtschaftlichen Intensivtierhaltung sowie die Emissionen durch die Tiefbauarbeiten einen hohen Masseanteil von Partikeln dp > 1 µm. Der Fokus der Untersuchung liegt auf der chemischen Charakterisierung der organischen Partikelbestandteile, welche für viele Quellen die NR-PM1-Emissionen dominieren. Dabei zeigen sich wichtige quellenspezifische Unterschiede in der Zusammensetzung der organischen Aerosolfraktion. Die beim Abbrand von pyrotechnischen Gegenständen freigesetzten sowie die abwasserbürtigen Aerosolpartikel enthalten dagegen hohe relative Gehalte anorganischer Substanzen. Auch können in einigen spezifischen Emissionen Metallverbindungen in den AMS-Massenspektren nachgewiesen werden. Über die Charakterisierung der Emissionsmuster und -dynamiken hinaus werden für einige verschiedenfarbige Rauchpatronen sowie die Emissionen im Stall der Intensivtierhaltung Emissionsfaktoren bestimmt, die zur quantitativen Bilanzierung herangezogen werden können. In einem weiteren Schritt werden anhand der empirischen Daten die analytischen Limitierungen der Aerosolmassenspektrometrie wie die Interferenz organischer Fragmentionen durch (Hydrogen-)Carbonate und mögliche Auswertestrategien zur Überwindung dieser Grenzen vorgestellt und diskutiert.rnEine umfangreiche Methodenentwicklung zur Verbesserung der analytischen Aussagekraft von organischen AMS-Massenspektren zeigt, dass für bestimmte Partikeltypen einzelne Fragmentionen in den AMS-Massenspektren signifikant mit ausgewählten funktionellen Molekülgruppen der FTIR-Absorptionsspektren korrelieren. Bedingt durch ihre fehlende Spezifität ist eine allgemeingültige Interpretation von AMS-Fragmentionen als Marker für verschiedene funktionelle Gruppen nicht zulässig und häufig nur durch die Ergebnisse der komplementären FTIR-Spektroskopie möglich. Des Weiteren wurde die Verdampfung und Ionisation ausgewählter Metallverbindungen im AMS analysiert. Die Arbeit verdeutlicht, dass eine qualitative und quantitative Auswertung dieser Substanzen nicht ohne Weiteres möglich ist. Die Gründe hierfür liegen in einer fehlenden Reproduzierbarkeit des Verdampfungs- und Ionisationsprozesses aufgrund von Matrixeffekten sowie der in Abhängigkeit vorangegangener Analysen (Verdampferhistorie) in der Ionisationskammer und auf dem Verdampfer statt-findenden chemischen Reaktionen.rnDie Erkenntnisse der Arbeit erlauben eine Priorisierung der untersuchten anthropogenen Quellen nach bestimmten Messparametern und stellen für deren Partikelemissionen den Ausgangpunkt einer Risikobewertung von atmosphärischen Folgeprozessen sowie potentiell negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit dar. rn