Global modeling of pollutant transport and deposition from anthropogenic emission hot spots on global scale

Urban centers significantly contribute to anthropogenic air pollution, although they cover only a minor fraction of the Earth's land surface. Since the worldwide degree of urbanization is steadily increasing, the anthropogenic contribution to air pollution from urban centers is expected to become more substantial in future air quality assessments. The main objective of this thesis was to obtain a more profound insight in the dispersion and the deposition of aerosol particles from 46 individual major population centers (MPCs) as well as the regional and global influence on the atmospheric distribution of several aerosol types. For the first time, this was assessed in one model framework, for which the global model EMAC was applied with different representations of aerosol particles. First, in an approach with passive tracers and a setup in which the results depend only on the source location and the size and the solubility of the tracers, several metrics and a regional climate classification were used to quantify the major outflow pathways, both vertically and horizontally, and to compare the balance between pollution export away from and pollution build-up around the source points. Then in a more comprehensive approach, the anthropogenic emissions of key trace species were changed at the MPC locations to determine the cumulative impact of the MPC emissions on the atmospheric aerosol burdens of black carbon, particulate organic matter, sulfate, and nitrate. Ten different mono-modal passive aerosol tracers were continuously released at the same constant rate at each emission point. The results clearly showed that on average about five times more mass is advected quasi-horizontally at low levels than exported into the upper troposphere. The strength of the low-level export is mainly determined by the location of the source, while the vertical transport is mainly governed by the lifting potential and the solubility of the tracers. Similar to insoluble gas phase tracers, the low-level export of aerosol tracers is strongest at middle and high latitudes, while the regions of strongest vertical export differ between aerosol (temperate winter dry) and gas phase (tropics) tracers. The emitted mass fraction that is kept around MPCs is largest in regions where aerosol tracers have short lifetimes; this mass is also critical for assessing the impact on humans. However, the number of people who live in a strongly polluted region around urban centers depends more on the population density than on the size of the area which is affected by strong air pollution. Another major result was that fine aerosol particles (diameters smaller than 2.5 micrometer) from MPCs undergo substantial long-range transport, with about half of the emitted mass being deposited beyond 1000 km away from the source. In contrast to this diluted remote deposition, there are areas around the MPCs which experience high deposition rates, especially in regions which are frequently affected by heavy precipitation or are situated in poorly ventilated locations. Moreover, most MPC aerosol emissions are removed over land surfaces. In particular, forests experience more deposition from MPC pollutants than other land ecosystems. In addition, it was found that the generic treatment of aerosols has no substantial influence on the major conclusions drawn in this thesis. Moreover, in the more comprehensive approach, it was found that emissions of black carbon, particulate organic matter, sulfur dioxide, and nitrogen oxides from MPCs influence the atmospheric burden of various aerosol types very differently, with impacts generally being larger for secondary species, sulfate and nitrate, than for primary species, black carbon and particulate organic matter. While the changes in the burdens of sulfate, black carbon, and particulate organic matter show an almost linear response for changes in the emission strength, the formation of nitrate was found to be contingent upon many more factors, e.g., the abundance of sulfuric acid, than only upon the strength of the nitrogen oxide emissions. The generic tracer experiments were further extended to conduct the first risk assessment to obtain the cumulative risk of contamination from multiple nuclear reactor accidents on the global scale. For this, many factors had to be taken into account: the probability of major accidents, the cumulative deposition field of the radionuclide cesium-137, and a threshold value that defines contamination. By collecting the necessary data and after accounting for uncertainties, it was found that the risk is highest in western Europe, the eastern US, and in Japan, where on average contamination by major accidents is expected about every 50 years.

Betrachtung von chemischen Reaktionen und mesoskopischen Strukturen auf Oberflächen mittels spektroskopischer Photoelektronenmikroskopie

In dieser Arbeit wurden Untersuchungen mit verschiedenenMethoden derMikrospektroskopie unter Verwendung einesPhotoemissions-Elektronenmikroskops(PEEM) durchgeführt. Es wurde ein Energiefilterfür den Einsatzmit dem PEEM aufgebaut und getestet. Dieses Instrument wurdezusammen miteinem Multilayer-Monochromator am Synchrotron eingesetzt.Der Energiefilterwurde unter anderem für Photoelektronenspektroskopie anAu_xCs_1-xund Pb/Si-Schichten, sowie zur Charakterisierung desMonochromators eingesetzt.
Die Transmissionsfunktion eines abbildendenGegenfeldanalysators fürdas PEEM wurde berechnet und mit Messungen verglichen. InÜbereinstimmungmit der Berechnung zeigt sich ein charakteristischesasymmetrisches Profilder mit dem Analysator gemessenen Photoelektronenpeaks. Eswurde eine Verbesserungder Ortsauflösung durch energieselektive Abbildungnachgewiesen.
Mit dem PEEM wurde erstmals Mehr-Photonen Photoemissionzur Abbildungausgenutzt. Es wurde ein Verfahren gezeigt, mit dem sich dieOrdnung dernichtlinearen Photoemission aus zwei mit unterschiedlicherLaserleistungaufgenommenen Bildern lateral abbilden läßt. DiePolarisationsabhängigkeitder Photoemission von glatten Probenstellen läßtsich mit einercos⁴-Funktion anpassen, wie es fürZwei-Photonen Photoemissionzu erwarten ist. Alle Proben wiesen Zentren erhöhterPhotoemissionsintensitätauf, welche durch Anregung lokalisierter Plasmonen auf derOberflächean kleinen Partikeln entstehen. An diesen erstmalig sichtbargemachten'Hot Spots' zeigt sich eine charakteristischePolarisationsabhängigkeitder Photoemission mit bevorzugter Anregung vonPhotoelektronen bei s-polarisiertemLicht.

Perfluorinated compounds in environmental matrices of Lake Victoria Gulf

ABSTRACT One of the major ecological challenges on Lake Victoria resources is the existence of “hot spots”, caused by human waste, urban runoff, and industrial effluents. The lake is tending towards eutrophication which is attributed to the increasing human population in its watershed. A report of the levels of perfluorooctane sulfonate and perfluorooctanoic acid in environmental matrices of Lake Victoria is presented, and the management implication of perfluorinated compounds and similar potential organic pollutants examined. Two widely consumed and economically important fish species namely Lates niloticus (Nile perch) and Oreochromis niloticus (Nile tilapia) were obtained from Winam gulf of Lake Victoria, Kenya, and analysed for perfluorooctane sulfonate and perfluorooctanoic acid in muscles and liver using liquid chromatography coupled with mass spectroscopy. Variability in the concentrations of perfluorooctanoic acid or perfluorooctane sulfonate in river waters (range perfluorooctanoic acid 0.4 – 96.4 ng/L and perfluorooctane sulfonate < 0.4 – 13.2 ng/L) was higher than for Lake waters (range perfluorooctanoic acid 0.4 – 11.7 ng/L and perfluorooctane sulfonate < 0.4 – 2.5 ng/L respectively). Significant correlations were tested between perfluorinated compounds levels in sediments, fish and water. Wastewater treatment plants and other anthropogenic sources have been identified as significant sources or pathways for the introduction of perfluoroalkyl compounds into Lake Victoria ecosystem. In this study, elevated concentrations of perfluorooctanoic acid and perfluorooctane sulfonate was found in two wastewater treatment plants (WWTPs) in Kisumu, City of Kenya. An alternative analytical method to liquid chromatography/ mass spectroscopy for analysis of perfluorocarboxylic acids in abiotic and biotic matrices where high concentrations are expected is also presented. Derivatisation of the acid group to form a suitable alkyl ester provided a suitable compound for mass spectroscopy detection coupled to gas chromatography instrumental analysis. The acid is esterified by an alkyl halide i.e benzyl bromide as the alkylating agent for Perfluorocarboxylic acids quantification. The study also involved degradability measurements of emerging perfluorinated surfactants substitutes. The stability of the substitutes of perfluorinated surfactants was tested by employing advanced oxidation processes, followed by conventional tests, among them an automated method based on the manometric respirometry test and standardized fix bed bioreactor [FBBR] on perfluorobutane sulfonate (PFBS), a fluoroethylene polymer, fluorosurfactant (Zonyl), two fluoraliphaticesters (NOVEC ™ FC4430 and NOVEC ™ FC4432) and 10-(trifluoromethoxy) decane-sulfonate. Most of these emmerging surfactants are well-established in the market and have been used in several applications as alternatives to PFOS and PFOA based surfactants. The results of this study can be used as pioneer information for further studies on the sources, behaviour and fate of PFOA and PFOS and other related compounds in both abiotic and biota compartments of Lake Victoria and other lakes. Further an overview in degradation of emerging perfluorinated compounds substitutes is presented. Contribution in method development especially for acid group based fluorosurfactants is presented. The data obtained in this study can particularly be considered when formulating policies and management measures for preservation and sustainability of Lake Victoria resources.

Speziation von Plutonium bei der Sorption und Diffusion in Opalinuston

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des BMWi-Verbundprojektes Wechselwirkung und Transport von Aktiniden im natürlichen Tongestein unter Berücksichtigung von Huminstoffen und Tonorganika – Wechselwirkung von Neptunium und Plutonium mit natürlichem Tongestein“ durchgeführt. Um die langfristige Sicherheit der nuklearen Endlager beurteilen zu können, muss eine mögliche Migration der radiotoxischen Abfälle in die Umwelt betrachtet werden. Wegen seiner langen Halbwertszeit (24000 a) leistet Pu-239 einen wesentlichen Beitrag zur Radiotoxizität abgebrannter Kernbrennstoffe in einem Endlager. Das redox-sensitive Pu tritt in Lösung unter umweltrelevanten Bedingungen in den Oxidationsstufen +III bis +VI auf und kann nebeneinander in bis zu vier Oxidationsstufen vorliegen. Tonsteinformationen werden als mögliches Wirtsgestein für Endlager hoch-radioaktiver Abfälle betrachtet. Deshalb sind ausführliche Informationen zur Mobilisierung und Immobilisierung des Pu durch/in das Grundwasser aus einem Endlager von besonderer Bedeutung. In dieser Arbeit wurden neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Pu und dem natürlichen Tongestein Opalinuston (OPA, Mont Terri, Schweiz) mit Hinblick auf die Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle in einem geologischen Tiefenlager gewonnen.rnDer Fokus der Arbeit lag dabei auf der Bestimmung der Speziation von Pu an der Mineraloberfläche nach Sorptions- und Diffusionsprozessen mittels verschiedener synchrotronbasierter Methoden (µ-XRF, µ-XANES/EXAFS, µ-XRD, XANES/EXAFS). rnDie Wechselwirkung zwischen Pu und OPA wurde zunächst in Batch- und Diffusionsexperimenten in Abhängigkeit verschiedener experimenteller Parameter (u.a. pH, Pu-Oxidationsstufe) untersucht. In Sorptionsexperimenten konnte gezeigt werden, dass einige Parameter (z.B. Temperatur, Huminsäure) einen deutlichen Einfluss auf die Sorption von Pu haben.rnDie Speziationsuntersuchungen wurden zum einen an Pulverproben aus Batchexperimenten und zum anderen an OPA-Dünnschliffen bzw. Diffusionsproben in Abhängigkeit verschiedener experimenteller Parameter durchgeführt. Die EXAFS-Messungen an der Pu LIII-Kante der Pulverproben ergaben, dass eine innersphäriche Sorption von Pu(IV) an Tongestein unabhängig von dem Ausgangsoxidationszustand des Plutoniums in Lösung stattgefunden hat. Durch die Kombination der ortsaufgelösten Methoden wurde erstmalig mittels μ-XRF die Verteilung von Pu und anderen in OPA enthaltenen Elementen bestimmt. µ-XANES-Spektren an Pu-Anreicherungen auf OPA-Dünnschliffen und in Diffusionsproben bestätigen, dass das weniger mobile Pu(IV) die dominierende Spezies nach den Sorptions- und Diffusionsprozessen ist. Darüber hinaus wurde zum ersten Mal ein Diffusionsprofil von Pu in OPA mittels µ-XRF gemessen. Die Speziationsuntersuchungen mittels μ-XANES zeigten, dass das eingesetzte Pu(V) entlang seines Diffusionspfades zunehmend zu Pu(IV) reduziert wird. Mit µ-XRD wurde Illit als dominierende Umgebung, in der Pu angereichert wurde, identifiziert und Siderit als eine redoxaktive Phase auftreten kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Sicherheit von OPA als Wirtsgestein eines Endlagers hoch-radioaktiver Abfälle positiv zu bewerten ist. rn