A Study on Aerosol Transport Dynamics over the Indian Landmass and the Adjoining Oceanic Regions Using Satellite Data

The present study brings out the influence of transport dynamics on the aerosol distribution over the Indian region at a few selected geographically distinct locations. Over the Bay of Bengal the dominant pathway of aerosol transport during the pre-monsoon period is through higher altitudes (~ 3 km); directed from the Indian main land. In contrast, the aerosol pathways over the Arabian Sea during the same period are quite complex. They are directed from geographically different environments around the ocean through different altitudes. However in general, the day-to-day variability of AOD at both these regions is significantly influenced by the features of atmospheric circulation especially, the wind convergence at higher altitudes (around 3 km). Over the Ganga Basin during the winter period, the wind convergence at lower altitudes (< I km) govems the shon term variations in AOD, while the mean AOD distribution at this location is mainly governed by the local anthropogenic sources.

General circulation model estimates of aerosol transport and radiative forcing during the Indian Ocean Experiment

Aerosol sources, transport, and sinks are simulated, and aerosol direct radiative effects are assessed over the Indian Ocean for the Indian Ocean Experiment (INDOEX) Intensive Field Phase during January to March 1999 using the Laboratoire de Me´te´orologie Dynamique (LMDZT) general circulation model. The model reproduces the latitudinal gradient in aerosol mass concentration and optical depth (AOD). The model-predicted aerosol concentrations and AODs agree reasonably well with measurements but are systematically underestimated during high-pollution episodes, especially in the month of March. The largest aerosol loads are found over southwestern China, the Bay of Bengal, and the Indian subcontinent. Aerosol emissions from the Indian subcontinent are transported into the Indian Ocean through either the west coast or the east coast of India. Over the INDOEX region, carbonaceous aerosols are the largest contributor to the estimated AOD, followed by sulfate, dust, sea salt, and fly ash. During the northeast winter monsoon, natural and anthropogenic aerosols reduce the solar flux reaching the surface by 25 W m�2, leading to 10–15% less insolation at the surface. A doubling of black carbon (BC) emissions from Asia results in an aerosol single-scattering albedo that is much smaller than in situ measurements, reflecting the fact that BC emissions are not underestimated in proportion to other (mostly scattering) aerosol types. South Asia is the dominant contributor to sulfate aerosols over the INDOEX region and accounts for 60–70% of the AOD by sulfate. It is also an important but not the dominant contributor to carbonaceous aerosols over the INDOEX region with a contribution of less than 40% to the AOD by this aerosol species. The presence of elevated plumes brings significant quantities of aerosols to the Indian Ocean that are generated over Africa and Southeast and east Asia.

A relationship between aerosol transport and compound-specific d13C land plant biomarker and pollen records

We examined near-surface, late Holocene deep-sea sediments at nine sites on a north-south transect from the Congo Fan (4°S) to the Cape Basin (30°S) along the Southwest African continental margin. Contents, distribution patterns and molecular stable carbon isotope signatures of long-chain n-alkanes (C27-C33) and n-alkanols (C22-C32) are indicators of land plant vegetation of different biosynthetic types, which can be correlated with concentrations and distributions of pollen taxa in the same sediments. Calculated clusters of wind trajectories and satellite Aerosol Index imagery afford information on the source areas for the lipids and pollen on land and their transport pathways to the ocean sites. This multidisciplinary approach on an almost continental scale provides clear evidence of latitudinal differences in lipid and pollen composition paralleling the major phytogeographic zonations on the adjacent continent. Dust and smoke aerosols are mainly derived from the western and central South African hinterland dominated by deserts, semi-deserts and savannah regions rich in C4 and CAM plants. The northern sites (Congo Fan area and northern Angola Basin), which get most of their terrestrial material from the Congo Basin and the Angolan highlands, may also receive some material from the Chad region. Very little aerosol from the African continent is transported to the most southerly sites in the Cape Basin. As can be expected from the present position of the phytogeographic zones, the carbon isotopic signatures of the n-alkanes and n-alkanols both become isotopically more enriched in 13C from north to south. The results of the study suggest that this combination of pollen data and compound-specific isotope geochemical proxies can be effectively applied in the reconstruction of past continental phytogeographic developments.

Aerosol transport in a bifurcating tube at cyclic flow

Branching tube flow is a common feature of many fields of science and technology, and occurs both in animate and inanimate systems [1]. The transport of aerosol particles is of particular importance in industrial flow networks but also for the respiratory tree [2]. In this analysis a 3-D numerical study is performed to investigate transport and deposition of aerosol particles in branching tubes. Bifurcation tubes designed according to Hess-Murray law [3] but with different branching angles are analyzed. This study covers cyclic flow conditions at frequencies of 0.25 Hz, 0.50 Hz and 0.75 Hz, Stokes numbers ranging between 0.03 and 0.25, and Reynolds numbers up to 3000.

Comparisons of an aerosol transport model with a 4-year analysis of summer aerosol optical depth retrievals over the Canadian Arctic

Abstract : This is a study concerning comparisons between the Dubovik Aerosol optical depth (AOD) retrievals from AEROCAN (ARONET) stations and AOD estimates from simulations provided by a chemical transport model (GEOS-Chem : Goddard Earth Observing System Chemistry). The AOD products associated with the Dubovik product are divided into total, fine and coarse mode components. The retrieval period is from January 2009 to January 2013 for 5 Arctic stations (Barrow, Alaska; Resolute Bay, Nunavut; 0PAL and PEARL (Eureka), Nunavut; and Thule, Greenland). We also employed AOD retrievals from 10 other mid-latitude Canadian stations for comparisons with the Arctic stations. The results of our investigation were submitted to Atmosphere-Ocean. To briefly summarize those results, the model generally but not always tended to underestimate the (monthly) averaged AOD and its components. We found that the subdivision into fine and coarse mode components could provide unique signatures of particular events (Asian dust) and that the means of characterizing the statistics (log-normal frequency distributions versus normal distributions) was an attribute that was common to both the retrievals and the model.

A Study on the Transport and Distribution of Atmospheric Aerosols and its Influence on Regional Meteorological Parameters over the Indian Subcontinent

This doctoral thesis addresses the growing concern about the significant changes in the climatic and weather patterns due to the aerosol loading that have taken place in the Indo Gangetic Plain(IGP)which includes most of the Northern Indian region. The study region comprises of major industrial cities in India (New Delhi, Kanpur, Allahabad, Jamshedpur and Kolkata). Northern and central parts of India are one of the most thickly populated areas in the world and have the most intensely farmed areas. Rapid increase in population and urbanization has resulted in an abrupt increase in aerosol concentrations in recent years. The IGP has a major source of coal; therefore most of the industries including numerous thermal power plants that run on coal are located around this region. They inject copious amount of aerosols into the atmosphere. Moreover, the transport of dust aerosols from arid locations is prevalent during the dry months which increase the aerosol loading in theatmosphere. The topography of the place is also ideal for the congregation of aerosols. It is bounded by the Himalayas in the north, Thar Desert in the west, the Vindhyan range in the south and Brahmaputra ridge in the east. During the non‐monsoon months (October to May) the weather in the location is dry with very little rainfall. Surface winds are weak during most of the time in this dry season. The aerosols that reach the location by means of long distance transport and from regional sources get accumulated under these favourable conditions. The increase in aerosol concentration due to the complex combination of aerosol transport and anthropogenic factors mixed with the contribution from the natural sources alters the optical properties and the life time of clouds in the region. The associated perturbations in radiative balance have a significant impact on the meteorological parameters and this in turn determines the precipitation forming process. Therefore, any change in weather which disturbs the normal hydrological pattern is alarming in the socio‐economic point of view. Hence, the main focus of this work is to determine the variation in transport and distribution of aerosols in the region and to understand the interaction of these aerosols with meteorological parameters and cloud properties.

Numerical modeling of inhaled charged aerosol deposition in human airways

A new numerical modeling of inhaled charge aerosol has been developed based on a modified Weibel's model. Both the velocity profiles (slug and parabolic flows) and the particle distributions (uniform and parabolic distributions) have been considered. Inhaled particles are modeled as a dilute dispersed phase flow in which the particle motion is controlled by fluid force and external forces acting on particles. This numerical study extends the previous numerical studies by considering both space- and image-charge forces. Because of the complex computation of interacting forces due to space-charge effect, the particle-mesh (PM) method is selected to calculate these forces. In the PM technique, the charges of all particles are assigned to the space-charge field mesh, for calculating charge density. The Poisson's equation of the electrostatic potential is then solved, and the electrostatic force acting on individual particle is interpolated. It is assumed that there is no effect of humidity on charged particles. The results show that many significant factors also affect the deposition, such as the volume of particle cloud, the velocity profile and the particle distribution. This study allows a better understanding of electrostatic mechanism of aerosol transport and deposition in human airways.

Comparison of the radiative properties and direct radiative effect of aerosols from a global aerosol model and remote sensing data over ocean

A global aerosol transport model (Oslo CTM2) with main aerosol components included is compared to five satellite retrievals of aerosol optical depth (AOD) and one data set of the satellite-derived radiative effect of aerosols. The model is driven with meteorological data for the period November 1996 to June 1997 which is the time period investigated in this study. The modelled AOD is within the range of the AOD from the various satellite retrievals over oceanic regions. The direct radiative effect of the aerosols as well as the atmospheric absorption by aerosols are in both cases found to be of the order of 20 Wm−2 in certain regions in both the satellite-derived and the modelled estimates as a mean over the period studied. Satellite and model data exhibit similar patterns of aerosol optical depth, radiative effect of aerosols, and atmospheric absorption of the aerosols. Recently published results show that global aerosol models have a tendency to underestimate the magnitude of the clear-sky direct radiative effect of aerosols over ocean compared to satellite-derived estimates. However, this is only to a small extent the case with the Oslo CTM2. The global mean direct radiative effect of aerosols over ocean is modelled with the Oslo CTM2 to be –5.5 Wm−2 and the atmospheric aerosol absorption 1.5 Wm−2.

Aeolian geomorphodynamics in endorheic basins of the Mongolian Gobi Desert

Die vorliegende Arbeit ist im Zuge des DFG Projektes Spätpleistozäne, holozäne und aktuelle Geomorphodynamik in abflusslosen Becken der Mongolischen Gobi´´ entstanden. Das Arbeitsgebiet befindet sich in der südlichen Mongolei im nördlichen Teil der Wüste Gobi. Neben einigen Teilen der Sahara (Heintzenberg, 2009), beispielsweise das Bodélé Becken des nördlichen Tschads (z.B. Washington et al., 2006a; Todd et al., 2006; Warren et al., 2007) wird Zentralasien als ein Hauptliefergebiet für Partikel in die globale Zirkulation der Atmosphäre gesehen (Goudie, 2009). Hauptaugenmerk liegt hierbei besonders auf den abflusslosen Becken und deren Sedimentablagerungen. Die, der Deflation ausgesetzten Flächen der Seebecken, sind hauptsächliche Quelle für Partikel die sich in Form von Staub respektive Sand ausbreiten. Im Hinblick auf geomorphologische Landschaftsentwicklung wurde der Zusammenhang von Beckensedimenten zu Hangdepositionen numerisch simuliert. Ein von Grunert and Lehmkuhl (2004) publiziertes Model, angelehnt an Ideen von Pye (1995) wird damit in Betracht gezogen. Die vorliegenden Untersuchungen modellieren Verbreitungsmechanismen auf regionaler Ebene ausgehend von einer größeren Anzahl an einzelnen punktuellen Standorten. Diese sind repräsentativ für die einzelnen geomorphologischen Systemglieder mit möglicherweise einer Beteiligung am Budget aeolischer Geomorphodynamik. Die Bodenbedeckung durch das charakteristische Steinpflaster der Gobi - Region, sowie unter anderem Korngrößenverteilungen der Oberflächensedimente wurden untersucht. Des Weiteren diente eine zehnjährige Zeitreihe (Jan 1998 bis Dez 2007) meteorologischer Daten als Grundlage zur Analyse der Bedingungen für äolische Geomorphodynamik. Die Daten stammen von 32 staatlichen mongolischen Wetterstationen aus der Region und Teile davon wurden für die Simulationen verwendet. Zusätzlich wurden atmosphärische Messungen zur Untersuchung der atmosphärischen Stabilität und ihrer tageszeitlichen Variabilität mit Mess-Drachenaufstiegen vorgenommen. Die Feldbefunde und auch die Ergebnisse der Laboruntersuchungen sowie der Datensatz meteorologischer Parameter dienten als Eingangsparameter für die Modellierungen. Emissionsraten der einzelnen Standorte und die Partikelverteilung im 3D Windfeld wurden modelliert um die Konvektivität der Beckensedimente und Hangdepositionen zu simulieren. Im Falle hoher mechanischer Turbulenz der bodennahen Luftschicht (mit einhergehender hoher Wind Reibungsgeschwindigkeit), wurde generell eine neutrale Stabilität festgestellt und die Simulationen von Partikelemission sowie deren Ausbreitung und Deposition unter neutraler Stabilitätsbedingung berechnet. Die Berechnung der Partikelemission wurde auf der Grundlage eines sehr vereinfachten missionsmodells in Anlehnung an bestehende Untersuchungen (Laurent et al., 2006; Darmenova et al., 2009; Shao and Dong, 2006; Alfaro, 2008) durchgeführt. Sowohl 3D Windfeldkalkulationen als auch unterschiedliche Ausbreitungsszenarien äolischer Sedimente wurden mit dem kommerziellen Programm LASAT® (Lagrange-Simulation von Aerosol-Transport) realisiert. Diesem liegt ein Langargischer Algorithmus zugrunde, mittels dessen die Verbreitung einzelner Partikel im Windfeld mit statistischer Wahrscheinlichkeit berechnet wird. Über Sedimentationsparameter kann damit ein Ausbreitungsmodell der Beckensedimente in Hinblick auf die Gebirgsfußflächen und -hänge generiert werden. Ein weiterer Teil der Untersuchungen beschäftigt sich mit der geochemischen Zusammensetzung der Oberflächensedimente. Diese Proxy sollte dazu dienen die simulierten Ausbreitungsrichtungen der Partikel aus unterschiedlichen Quellregionen nach zu verfolgen. Im Falle der Mongolischen Gobi zeigte sich eine weitestgehende Homogenität der Minerale und chemischen Elemente in den Sedimenten. Laser Bebohrungen einzelner Sandkörner zeigten nur sehr leichte Unterschiede in Abhängigkeit der Quellregionen. Die Spektren der Minerale und untersuchten Elemente deuten auf graitische Zusammensetzungen hin. Die, im Untersuchungsgebiet weit verbreiteten Alkali-Granite (Jahn et al., 2009) zeigten sich als hauptverantwortlich für die Sedimentproduktion im Untersuchungsgebiet. Neben diesen Mineral- und Elementbestimmungen wurde die Leichtmineralfraktion auf die Charakteristik des Quarzes hin untersucht. Dazu wurden Quarzgehalt, Kristallisation und das Elektronen-Spin-Resonanz Signal des E’1 - Centers in Sauerstoff Fehlstellungen des SiO2 Gitters bestimmt. Die Untersuchungen sind mit dem Methodenvorschlag von Sun et al. (2007) durchgeführt worden und sind prinzipiell gut geeignet um Herkunftsanalysenrndurchzuführen. Eine signifikante Zuordnung der einzelnen Quellgebiete ist jedoch auch in dieser Proxy nicht zu finden gewesen.

Entwicklung eines Pikoliter-Tropfengenerators für die Massenspektrometrische Spuren- und Speziesanalytik

Die Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung einer alternativen Probenzuführungstechnik für flüssige Proben in der Massenspektrometrie. Obwohl bereits einige Anstrengungen zur Verbesserung unternommen wurden, weisen konventionelle pneumatische Zerstäuber- und Sprühkammersysteme, die in der Elementspurenanalytik mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) standardmäßig verwendet werden, eine geringe Gesamteffizienz auf. Pneumatisch erzeugtes Aerosol ist durch eine breite Tropfengrößenverteilung gekennzeichnet, was den Einsatz einer Sprühkammer bedingt, um die Aerosolcharakteristik an die Betriebsbedingungen des ICPs anzupassen.. Die Erzeugung von Tropfen mit einer sehr engen Tropfengrößenverteilung oder sogar monodispersen Tropfen könnte die Effizienz des Probeneintrags verbessern. Ein Ziel dieser Arbeit ist daher, Tropfen, die mittels des thermischen Tintenstrahldruckverfahrens erzeugt werden, zum Probeneintrag in der Elementmassenspektrometrie einzusetzen. Das thermische Tintenstrahldruckverfahren konnte in der analytischen Chemie im Bereich der Oberflächenanalytik mittels TXRF oder Laserablation bisher zur gezielten, reproduzierbaren Deposition von Tropfen auf Oberflächen eingesetzt werden. Um eine kontinuierliche Tropfenerzeugung zu ermöglichen, wurde ein elektronischer Mikrokontroller entwickelt, der eine Dosiereinheit unabhängig von der Hard- und Software des Druckers steuern kann. Dabei sind alle zur Tropfenerzeugung relevanten Parameter (Frequenz, Heizpulsenergie) unabhängig voneinander einstellbar. Die Dosiereinheit, der "drop-on-demand" Aerosolgenerator (DOD), wurde auf eine Aerosoltransportkammer montiert, welche die erzeugten Tropfen in die Ionisationsquelle befördert. Im Bereich der anorganischen Spurenanalytik konnten durch die Kombination des DOD mit einem automatischen Probengeber 53 Elemente untersucht und die erzielbare Empfindlichkeiten sowie exemplarisch für 15 Elemente die Nachweisgrenzen und die Untergrundäquivalentkonzentrationen ermittelt werden. Damit die Vorteile komfortabel genutzt werden können, wurde eine Kopplung des DOD-Systems mit der miniaturisierten Fließinjektionsanalyse (FIA) sowie miniaturisierten Trenntechniken wie der µHPLC entwickelt. Die Fließinjektionsmethode wurde mit einem zertifizierten Referenzmaterial validiert, wobei für Vanadium und Cadmium die zertifizierten Werte gut reproduziert werden konnten. Transiente Signale konnten bei der Kopplung des Dosiersystems in Verbindung mit der ICP-MS an eine µHPLC abgebildet werden. Die Modifikation der Dosiereinheit zum Ankoppeln an einen kontinuierlichen Probenfluss bedarf noch einer weiteren Reduzierung des verbleibenden Totvolumens. Dazu ist die Unabhängigkeit von den bisher verwendeten, kommerziell erhältlichen Druckerpatronen anzustreben, indem die Dosiereinheit selbst gefertigt wird. Die Vielseitigkeit des Dosiersystems wurde mit der Kopplung an eine kürzlich neu entwickelte Atmosphärendruck-Ionisationsmethode, die "flowing atmospheric-pressure afterglow" Desorptions/Ionisations Ionenquelle (FAPA), aufgezeigt. Ein direkter Eintrag von flüssigen Proben in diese Quelle war bislang nicht möglich, es konnte lediglich eine Desorption von eingetrockneten Rückständen oder direkt von der Flüssigkeitsoberfläche erfolgen. Die Präzision der Analyse ist dabei durch die variable Probenposition eingeschränkt. Mit dem Einsatz des DOD-Systems können flüssige Proben nun direkt in die FAPA eingetragen, was ebenfalls das Kalibrieren bei quantitativen Analysen organischer Verbindungen ermöglicht. Neben illegalen Drogen und deren Metaboliten konnten auch frei verkäufliche Medikamente und ein Sprengstoffanalogon in entsprechend präpariertem reinem Lösungsmittel nachgewiesen werden. Ebenso gelang dies in Urinproben, die mit Drogen und Drogenmetaboliten versetzt wurden. Dabei ist hervorzuheben, dass keinerlei Probenvorbereitung notwendig war und zur Ermittlung der NWG der einzelnen Spezies keine interne oder isotopenmarkierte Standards verwendet wurden. Dennoch sind die ermittelten NWG deutlich niedriger, als die mit der bisherigen Prozedur zur Analyse flüssiger Proben erreichbaren. Um im Vergleich zu der bisher verwendeten "pin-to-plate" Geometrie der FAPA die Lösungsmittelverdampfung zu beschleunigen, wurde eine alternative Elektrodenanordnung entwickelt, bei der die Probe länger in Kontakt mit der "afterglow"-Zone steht. Diese Glimmentladungsquelle ist ringförmig und erlaubt einen Probeneintrag mittels eines zentralen Gasflusses. Wegen der ringförmigen Entladung wird der Name "halo-FAPA" (h-FAPA) für diese Entladungsgeometrie verwendet. Eine grundlegende physikalische und spektroskopische Charakterisierung zeigte, dass es sich tatsächlich um eine FAPA Desorptions/Ionisationsquelle handelt.

Entwicklung und Charakterisierung eines Drop-on-Demand-Aerosolgenerators für die Probenzuführung kleinster Flüssigkeitsmengen in der analytischen Atomspektroskopie

Die pneumatische Zerstäubung ist die häufigste Methode der Probenzuführung von Flüssigkeiten in der Plasmaspektrometrie. Trotz der bekannten Limitierungen dieser Systeme, wie die hohen Probenverluste, finden diese Zerstäuber aufgrund ihrer guten Robustheit eine breite Anwendung. Die flussratenabhängige Aerosolcharakteristik und pumpenbasierte Signalschwankungen limitieren bisher Weiterentwicklungen. Diese Probleme werden umso gravierender, je weiter die notwendige Miniaturisierung dieser Systeme fortschreitet. Der neuartige Ansatz dieser Arbeit basiert auf dem Einsatz modifizierter Inkjet-Druckerpatronen für die Dosierung von pL-Tropfen. Ein selbst entwickelter Mikrokontroller ermöglicht den Betrieb von matrixkodierten Patronen des Typs HP45 mit vollem Zugriff auf alle essentiellen Betriebsparameter. Durch die neuartige Aerosoltransportkammer gelang die effiziente Kopplung des Tropfenerzeugungssystems an ein ICP-MS. Das so aufgebaute drop-on-demand-System (DOD) zeigt im Vergleich zu herkömmlichen und miniaturisierten Zerstäubern eine deutlich gesteigerte Empfindlichkeit (8 - 18x, elementabhängig) bei leicht erhöhtem, aber im Grunde vergleichbarem Signalrauschen. Darüber hinaus ist die Flexibilität durch die große Zahl an Freiheitsgraden des Systems überragend. So ist die Flussrate über einen großen Bereich variabel (5 nL - 12,5 µL min-1), ohne dabei die primäre Aerosolcharakteristik zu beeinflussen, welche vom Nutzer durch Wahl der elektrischen Parameter bestimmt wird. Das entwickelte Probenzuführungssystem ist verglichen mit dem pneumatischen Referenzsystem weniger anfällig gegenüber Matrixeffekten beim Einsatz von realen Proben mit hohen Anteilen gelöster Substanzen. So gelingt die richtige Quantifizierung von fünf Metallen im Spurenkonzentrationsbereich (Li, Sr, Mo, Sb und Cs) in nur 12 µL Urin-Referenzmaterial mittels externer Kalibrierung ohne Matrixanpassung. Wohingegen beim pneumatischen Referenzsystem die aufwändigere Standardadditionsmethode sowie über 250 µL Probenvolumen für eine akkurate Bestimmung der Analyten nötig sind. Darüber hinaus wird basierend auf der Dosierfrequenz eines dualen DOD-Systems eine neuartige Kalibrierstrategie vorgestellt. Bei diesem Ansatz werden nur eine Standard- und eine Blindlösung anstelle einer Reihe unterschiedlich konzentrierter Standards benötigt, um eine lineare Kalibrierfunktion zu erzeugen. Zusätzlich wurde mittels selbst entwickelter, zeitlich aufgelöster ICP-MS umfangreiche Rauschspektren aufgenommen. Aus diesen gelang die Ermittlung der Ursache des erhöhten Signalrauschens des DOD, welches maßgeblich durch das zeitlich nicht äquidistante Eintreffen der Tropfen am Detektor verursacht wird. Diese Messtechnik erlaubt auch die Detektion einzeln zugeführter Tropfen, wodurch ein Vergleich der Volumenverteilung der mittels ICP-MS detektierten, gegenüber den generierten und auf optischem Wege charakterisierten Tropfen möglich wurde. Dieses Werkzeug ist für diagnostische Untersuchungen äußerst hilfreich. So konnte aus diesen Studien neben der Aufklärung von Aerosoltransportprozessen die Transporteffizienz des DOD ermittelt werden, welche bis zu 94 Vol.-% beträgt.