Numerical simulations of microphysical processes in pyro-convective clouds

Hochreichende Konvektion über Waldbränden ist eine der intensivsten Formen von atmosphärischer Konvektion. Die extreme Wolkendynamik mit hohen vertikalen Windgeschwindigkeiten (bis 20 m/s) bereits an der Wolkenbasis, hohen Wasserdampfübersättigungen (bis 1%) und die durch das Feuer hohen Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln (bis 100000 cm^-3) bilden einen besonderen Rahmen für Aerosol-Wolken Wechselwirkungen.Ein entscheidender Schritt in der mikrophysikalischen Entwicklung einer konvektiven Wolke ist die Aktivierung von Aerosolpartikeln zu Wolkentropfen. Dieser Aktivierungsprozess bestimmt die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen und kann daher die Entwicklung einer konvektiven Wolke und deren Niederschlagsbildung beeinflussen. Die wichtigsten Faktoren, welche die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen bestimmen, sind die Größe und Hygroskopizität der an der Wolkenbasis verfügbaren Aerosolpartikel sowie die vertikale Windgeschwindigkeit. Um den Einfluss dieser Faktoren unter pyro-konvektiven Bedingungen zu untersuchen, wurden numerische Simulationen mit Hilfe eines Wolkenpaketmodells mit detaillierter spektraler Beschreibung der Wolkenmikrophysik durchgeführt. Diese Ergebnisse können in drei unterschiedliche Bereiche abhängig vom Verhältnis zwischen vertikaler Windgeschwindigkeit und Aerosolanzahlkonzentration (w/NCN) eingeteilt werden: (1) ein durch die Aerosolkonzentration limitierter Bereich (hohes w/NCN), (2) ein durch die vertikale Windgeschwindigkeit limitierter Bereich (niedriges w/NCN) und (3) ein Übergangsbereich (mittleres w/NCN). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität der anfänglichen Anzahlkonzentration der Wolkentropfen in (pyro-) konvektiven Wolken hauptsächlich durch die Variabilität der vertikalen Windgeschwindigkeit und der Aerosolkonzentration bestimmt wird. rnUm die mikrophysikalischen Prozesse innerhalb der rauchigen Aufwindregion einer pyrokonvektiven Wolke mit einer detaillierten spektralen Mikrophysik zu untersuchen, wurde das Paketmodel entlang einer Trajektorie innerhalb der Aufwindregion initialisiert. Diese Trajektore wurde durch dreidimensionale Simulationen eines pyro-konvektiven Ereignisses durch das Model ATHAM berechnet. Es zeigt sich, dass die Anzahlkonzentration der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration ansteigt. Auf der anderen Seite verringert sich die Größe der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration. Die Reduzierung der Verbreiterung des Tropfenspektrums stimmt mit den Ergebnissen aus Messungen überein und unterstützt das Konzept der Unterdrückung von Niederschlag in stark verschmutzen Wolken.Mit Hilfe des Models ATHAM wurden die dynamischen und mikrophysikalischen Prozesse von pyro-konvektiven Wolken, aufbauend auf einer realistischen Parametrisierung der Aktivierung von Aerosolpartikeln durch die Ergebnisse der Aktivierungsstudie, mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht. Ein modernes zweimomenten mikrophysikalisches Schema wurde in ATHAM implementiert, um den Einfluss der Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln auf die Entwicklung von idealisierten pyro-konvektiven Wolken in US Standardamtosphären für die mittleren Breiten und den Tropen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel die Bildung von Regen beeinflusst. Für geringe Aerosolkonzentrationen findet die rasche Regenbildung hauptsächlich durch warme mikrophysikalische Prozesse statt. Für höhere Aerosolkonzentrationen ist die Eisphase wichtiger für die Bildung von Regen. Dies führt zu einem verspäteten Einsetzen von Niederschlag für verunreinigtere Atmosphären. Außerdem wird gezeigt, dass die Zusammensetzung der Eisnukleationspartikel (IN) einen starken Einfluss auf die dynamische und mikrophysikalische Struktur solcher Wolken hat. Bei sehr effizienten IN bildet sich Regen früher. Die Untersuchung zum Einfluss des atmosphärischen Hintergrundprofils zeigt eine geringe Auswirkung der Meteorologie auf die Sensitivität der pyro-konvektiven Wolken auf diernAerosolkonzentration. Zum Abschluss wird gezeigt, dass die durch das Feuer emittierte Hitze einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung und die Wolkenobergrenze von pyro-konvektive Wolken hat. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in dieser Dissertation die Mikrophysik von pyrokonvektiven Wolken mit Hilfe von idealisierten Simulation eines Wolkenpaketmodell mit detaillierte spektraler Mikrophysik und eines 3D Modells mit einem zweimomenten Schema im Detail untersucht wurde. Es wird gezeigt, dass die extremen Bedingungen im Bezug auf die vertikale Windgeschwindigkeiten und Aerosolkonzentrationen einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung von pyro-konvektiven Wolken haben.

Stabilität und Transport in der planetaren Grenzschicht - Untersuchungen mit Radiosonden- und Spurengasmessungen während PARADE

Die vorliegende Arbeit untersucht die Struktur und Zusammensetzung der untersten Atmosphäre im Rahmen der PARADE-Messkampagne (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) am Kleinen Feldberg in Deutschland im Spätsommer 2011. Dazu werden Messungen von meteorologischen Grundgrößen (Temperatur, Feuchte, Druck, Windgeschwindigkeit und -richtung) zusammen mit Radiosonden und flugzeuggetragenen Messungen von Spurengasen (Kohlenstoffmonoxid, -dioxid, Ozon und Partikelanzahlkonzentrationen) ausgewertet. Ziel ist es, mit diesen Daten, die thermodynamischen und dynamischen Eigenschaften und deren Einfluss auf die chemische Luftmassenzusammensetzung in der planetaren Grenzschicht zu bestimmen. Dazu werden die Radiosonden und Flugzeugmessungen mit Lagrangeschen Methoden kombiniert und es wird zwischen rein kinematischen Modellen (LAGRANTO und FLEXTRA) sowie sogenannten Partikeldispersionsmodellen (FLEXPART) unterschieden. Zum ersten Mal wurde im Rahmen dieser Arbeit dabei auch eine Version von FLEXPART-COSMO verwendet, die von den meteorologischen Analysefeldern des Deutschen Wetterdienstes angetrieben werden. Aus verschiedenen bekannten Methoden der Grenzschichthöhenbestimmung mit Radiosondenmessungen wird die Bulk-Richardson-Zahl-Methode als Referenzmethode verwendet, da sie eine etablierte Methode sowohl für Messungen und als auch Modellanalysen darstellt. Mit einer Toleranz von 125 m, kann zu 95 % mit mindestens drei anderen Methoden eine Übereinstimmung zu der ermittelten Grenzschichthöhe festgestellt werden, was die Qualität der Grenzschichthöhe bestätigt. Die Grenzschichthöhe variiert während der Messkampagne zwischen 0 und 2000 m über Grund, wobei eine hohe Grenzschicht nach dem Durchzug von Kaltfronten beobachtet wird, hingegen eine niedrige Grenzschicht unter Hochdruckeinfluss und damit verbundener Subsidenz bei windarmen Bedingungen im Warmsektor. Ein Vergleich zwischen den Grenzschichthöhen aus Radiosonden und aus Modellen (COSMO-DE, COSMO-EU, COSMO-7) zeigt nur geringe Unterschiede um -6 bis +12% während der Kampagne am Kleinen Feldberg. Es kann allerdings gezeigt werden, dass in größeren Simulationsgebieten systematische Unterschiede zwischen den Modellen (COSMO-7 und COSMO-EU) auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird deutlich, dass die Bodenfeuchte, die in diesen beiden Modellen unterschiedlich initialisiert wird, zu verschiedenen Grenzschichthöhen führt. Die Folge sind systematische Unterschiede in der Luftmassenherkunft und insbesondere der Emissionssensitivität. Des Weiteren kann lokale Mischung zwischen der Grenzschicht und der freien Troposphäre bestimmt werden. Dies zeigt sich in der zeitlichen Änderung der Korrelationen zwischen CO2 und O3 aus den Flugzeugmessungen, und wird im Vergleich mit Rückwärtstrajektorien und Radiosondenprofilen bestärkt. Das Einmischen der Luftmassen in die Grenzschicht beeinflusst dabei die chemische Zusammensetzung in der Vertikalen und wahrscheinlich auch am Boden. Diese experimentelle Studie bestätigt die Relevanz der Einmischungsprozesse aus der freien Troposphäre und die Verwendbarkeit der Korrelationsmethode, um Austausch- und Einmischungsprozesse an dieser Grenzfläche zu bestimmen.

Flugzeuggetragene in-situ Messungen zur Eis- und Flüssigphase troposphärischer Wolken

Die Mikrophysik in Wolken bestimmt deren Strahlungseigenschaften und beeinflusst somit auch den Strahlungshaushalt des Planeten Erde. Aus diesem Grund werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die mikrophysikalischen Charakteristika von Cirrus-Wolken sowie von arktischen Grenzschicht-Wolken behandelt. Die Untersuchung dieser Wolken wurde mithilfe verschiedener Instrumente verwirklicht, welche Partikel in einem Durchmesserbereich von 250nm bis zu 6.4mm vermessen und an Forschungsflugzeugen montiert werden. Ein Instrumentenvergleich bestätigt, dass innerhalb der Bereiche in denen sich die Messungen dieser Instrumente überlappen, die auftretenden Diskrepanzen als sehr gering einzustufen sind. Das vorrangig verwendete Instrument trägt die Bezeichnung CCP (Cloud Combination Probe) und ist eine Kombination aus einem Instrument, das Wolkenpartikel anhand von vorwärts-gerichtetem Streulicht detektiert und einem weiteren, das zweidimensionale Schattenbilder einzelner Wolkenpartikel aufzeichnet. Die Untersuchung von Cirrus-Wolken erfolgt mittels Daten der AIRTOSS-ICE (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle - Inhomogeneous Cirrus Experiment) Kampagne, welche im Jahr 2013 über der deutschen Nord- und Ostsee stattfand. Parameter wie Partikeldurchmesser, Partikelanzahlkonzentration, Partikelform, Eiswassergehalt, Wolkenhöhe und Wolkendicke der detektierten Cirrus-Wolken werden bestimmt und im Kontext des aktuellen Wissenstandes diskutiert. Des Weiteren wird eine beprobte Cirrus-Wolke im Detail analysiert, welche den typischen Entwicklungsprozess und die vertikale Struktur dieser Wolkengattung widerspiegelt. Arktische Grenzschicht-Wolken werden anhand von Daten untersucht, die während der VERDI (VERtical Distribution of Ice in Arctic Clouds) Kampagne im Jahr 2012 über der kanadischen Beaufortsee aufgezeichnet wurden. Diese Messkampagne fand im Frühling statt, um die Entwicklung von Eis-Wolken über Mischphasen-Wolken bis hin zu Flüssigwasser-Wolken zu beobachten. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen tritt innerhalb von Mischphasen-Wolken der sogenannte Wegener-Bergeron-Findeisen Prozess auf, bei dem Flüssigwassertropfen zugunsten von Eispartikeln verdampfen. Es wird bestätigt, dass dieser Prozess anhand von mikrophysikalischen Messungen, insbesondere den daraus resultierenden Größenverteilungen, nachweisbar ist. Darüber hinaus wird eine arktische Flüssigwasser-Wolke im Detail untersucht, welche im Inneren das Auftreten von monomodalen Tröpfchen-Größenverteilungen zeigt. Mit zunehmender Höhe wachsen die Tropfen an und die Maxima der Größenverteilungen verschieben sich hin zu größeren Durchmessern. Dahingegen findet im oberen Übergangsbereich dieser Flüssigwasser-Wolke, zwischen Wolke und freier Atmosphäre, ein Wechsel von monomodalen zu bimodalen Tröpfchen-Größenverteilungen statt. Diese weisen eine Mode 1 mit einem Tropfendurchmesser von 20μm und eine Mode 2 mit einem Tropfendurchmesser von 10μm auf. Das dieses Phänomen eventuell typisch für arktische Flüssigwasser-Wolken ist, zeigen an dem Datensatz durchgeführte Analysen. Mögliche Entstehungsprozesse der zweiten Mode können durch Kondensation von Wasserdampf auf eingetragenen Aerosolpartikeln, die aus einer Luftschicht oberhalb der Wolke stammen oder durch Wirbel, welche trockene Luftmassen in die Wolke induzieren und Verdampfungsprozesse von Wolkentröpfchen hervorrufen, erklärt werden. Unter Verwendung einer direkten numerischen Simulation wird gezeigt, dass die Einmischung von trockenen Luftmassen in den Übergangsbereich der Wolke am wahrscheinlichsten die Ausbildung von Mode 2 verursacht.

Cellular responses after exposure of lung cell cultures to secondary organic aerosol particles

The scope of this work was to examine in vitro responses of lung cells to secondary organic aerosol (SOA) particles, under realistic ambient air and physiological conditions occurring when particles are inhaled by mammals, using a novel particle deposition chamber. The cell cultures included cell types that are representative for the inner surface of airways and alveoli and are the target cells for inhaled particles. The results demonstrate that an exposure to SOA at ambient-air concentrations of about 10(4) particles/cm(3) for 2 h leads to only moderate cellular responses. There is evidence for (i) cell type specific effects and for (ii) different effects of SOA originating from anthropogenic and biogenic precursors, i.e. 1,3,5-trimethylbenzene (TMB) and alpha-pinene, respectively. There was no indication for cytotoxic effects but for subtle changes in cellular functions that are essential for lung homeostasis. Decreased phagocytic activity was found in human macrophages exposed to SOA from alpha-pinene. Alveolar epithelial wound repair was affected by TMB-SOA exposure, mainly because of altered cell spreading and migration at the edge of the wound. In addition, cellular responses were found to correlate with particle number concentration, as interleukin-8 production was increased in pig explants exposed to TMB-SOA with high particle numbers.

Toxicity of aged gasoline exhaust particles to normal and diseased airway epithelia

Particulate matter (PM) pollution is a leading cause of premature death, particularly in those with pre-existing lung disease. A causative link between particle properties and adverse health effects remains unestablished mainly due to complex and variable physico-chemical PM parameters. Controlled laboratory experiments are required. Generating atmospherically realistic Aerosols and performing cell-exposure studies at relevant particle-doses are challenging. Here we examine gasoline-exhaust particle toxicity from a Euro-5 passenger car in a uniquely realistic exposure scenario, combining a smog chamber simulating atmospheric ageing, an aerosol enrichment System varying particle number concentration independent of particle chemistry, and an aerosol Deposition chamber physiologically delivering particles on air-liquid interface (ALI) cultures reproducing normal and susceptible health status. Gasoline-exhaust is an important PM source with largely unknown health effects. We investigated acute responses of fully-differentiated normal, distressed (antibiotics treated) normal, and cystic fibrosis human bronchial epithelia (HBE), and a proliferating, single-cell type bronchial epithelial cell-line (BEAS-2B). We show that a single, short-term exposure to realistic doses of atmospherically-aged gasoline-exhaust particles impairs epithelial key-defence mechanisms, rendering it more vulnerable to subsequent hazards. We establish dose-response curves at realistic particle-concentration levels. Significant differences between cell models suggest the use of fully differentiated HBE is most appropriate in future toxicity studies.

Impacts on particles and ozone by transport processes recorded at urban and high-altitude monitoring stations

In order to evaluate the influence of particle transport episodes on particle number concentration temporal trends at both urban and high-altitude (Aitana peak-1558 m a.s.l.) stations, a simultaneous sampling campaign from October 2011 to September 2012 was performed. The monitoring stations are located in southeastern Spain, close to the Mediterranean coast. The annual average value of particle concentration obtained in the larger accumulation mode (size range 0.25–1 μm) at the mountain site, 55.0 ± 3.0 cm− 3, was practically half that of the value obtained at the urban station (112.0 ± 4.0 cm− 3). The largest difference between both stations was recorded during December 2011 and January 2012, when particles at the mountain station registered the lowest values. It was observed that during urban stagnant episodes, particle transport from urban sites to the mountain station could take place under specific atmospheric conditions. During these transports, the major particle transfer is produced in the 0.5–2 μm size range. The minimum difference between stations was recorded in summer, particularly in July 2012, which is most likely due to several particle transport events that affected only the mountain station. The particle concentration in the coarse mode was very similar at both monitoring sites, with the biggest difference being recorded during the summer months, 0.4 ± 0.1 cm− 3 at the urban site and 0.9 ± 0.1 cm− 3 at the Aitana peak in August 2012. Saharan dust outbreaks were the main factor responsible for these values during summer time. The regional station was affected more by these outbreaks, recording values of > 4.0 cm− 3, than the urban site. This long-range particle transport from the Sahara desert also had an effect upon O3 levels measured at the mountain station. During periods affected by Saharan dust outbreaks, ozone levels underwent a significant decrease (3–17%) with respect to its mean value.

Size-partitioned phytoplankton carbon concentrations retrieved from ocean color data, links to data in netCDF format

Owing to their important roles in biogeochemical cycles, phytoplankton functional types (PFTs) have been the aim of an increasing number of ocean color algorithms. Yet, none of the existing methods are based on phytoplankton carbon (C) biomass, which is a fundamental biogeochemical and ecological variable and the "unit of accounting" in Earth system models. We present a novel bio-optical algorithm to retrieve size-partitioned phytoplankton carbon from ocean color satellite data. The algorithm is based on existing methods to estimate particle volume from a power-law particle size distribution (PSD). Volume is converted to carbon concentrations using a compilation of allometric relationships. We quantify absolute and fractional biomass in three PFTs based on size - picophytoplankton (0.5-2 µm in diameter), nanophytoplankton (2-20 µm) and microphytoplankton (20-50 µm). The mean spatial distributions of total phytoplankton C biomass and individual PFTs, derived from global SeaWiFS monthly ocean color data, are consistent with current understanding of oceanic ecosystems, i.e., oligotrophic regions are characterized by low biomass and dominance of picoplankton, whereas eutrophic regions have high biomass to which nanoplankton and microplankton contribute relatively larger fractions. Global climatological, spatially integrated phytoplankton carbon biomass standing stock estimates using our PSD-based approach yield - 0.25 Gt of C, consistent with analogous estimates from two other ocean color algorithms and several state-of-the-art Earth system models. Satisfactory in situ closure observed between PSD and POC measurements lends support to the theoretical basis of the PSD-based algorithm. Uncertainty budget analyses indicate that absolute carbon concentration uncertainties are driven by the PSD parameter No which determines particle number concentration to first order, while uncertainties in PFTs' fractional contributions to total C biomass are mostly due to the allometric coefficients. The C algorithm presented here, which is not empirically constrained a priori, partitions biomass in size classes and introduces improvement over the assumptions of the other approaches. However, the range of phytoplankton C biomass spatial variability globally is larger than estimated by any other models considered here, which suggests an empirical correction to the No parameter is needed, based on PSD validation statistics. These corrected absolute carbon biomass concentrations validate well against in situ POC observations.

Investigating Marine Boundary Layer Aerosol Budgets and Variability

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Occupational exposure to particles during hotel´s rooms cleaning

Background: The majority of studies investigated ambient particles, although in most industrialized countries people spend most of their time indoors and significant emissions of fine and ultrafine particles leading to human exposure are caused by various indoor tasks, including cleaning tasks. Objective: To characterize the occupational exposure to particles during cleaning of hotel's rooms. Methodology: Measurements of mass concentration and particle number concentration were performed before and during cleaning tasks in two rooms with different floor types (wood and carpet) with the equipment Lighthouse, model 3016 IAQ. Results: Considering mass concentration, particles with higher were responsable for higher leves of contamination, particularly PM5.0 and PM10.0. However, considering the particle number concentration, the smaller particle size obtained the higher values. Conclusion: It was observed higher number of particles of the smaller size in all tasks, which is associated with worse health effects. It was observed that the room with wood in the floor has lower values when compared to the room with carpet. The tasks with greater exposure were the 'vacuuming' and 'clean up powder'.

6.2

Airborne particles can come from a variety of sources and contain variable chemical constituents. Some particles are formed by natural processes, such as volcanoes, erosion, sea spray, and forest fires, while other are formed by anthropogenic processes, such as industrial- and motor vehicle-related combustion, road-related wear, and mining. In general, larger particles (those greater than 2.5 μm) are formed by mechanical processes, while those less than 2.5 μm are formed by combustion processes. The chemical composition of particles is highly influenced by the source: for combustion-related particles, factors such as temperature of combustion, fuel type, and presence of oxygen or other gases can also have a large impact on PM composition. These differences can often be observed at a regional level, such as the greater sulphate-composition of PM in regions that burn coal for electricity production (which contains sulphur) versus regions that do not. Most countries maintain air monitoring networks, and studies based on the resulting data are the most common basis for epidemiology studies on the health effects of PM. Data from these monitoring stations can be used to evaluate the relationship between community-level exposure to ambient particles and health outcomes (i.e., morbidity or mortality from various causes). Respiratory and cardiovascular outcomes are the most commonly assessed, although studies have also considered other related specific outcomes such as diabetes and congenital heart disease. The data on particle characteristics is usually not very detailed and most often includes some combination of PM2.5, PM10, sulphate, and NO2. Other descriptors that are less commonly found include particle number (ultrafine particles), metal components of PM, local traffic intensity, and EC/OC. Measures of association are usually reported per 10 μg/m3 or interquartile range increase in pollutant concentration. As the exposure data are taken from regional monitoring stations, the measurements are not representative of an individual's exposure. Particle size is an important descriptor for understanding where in the human respiratory system the particles will deposit: as a general rule, smaller particles penetrate to deeper regions of the lungs. Initial studies on the health effects of particulate matter focused on mass of the particles, including either all particles (often termed total suspended particulate or TSP) or PM10 (all particles with an aerodynamic diameter less than 10 μm). More recently, studies have considered both PM10 and PM2.5, with the latter corresponding more directly to combustion-related processes. UFPs are a dominant source of particles in terms of PNC, yet are negligible in terms of mass. Very few epidemiology studies have measured the effect of UFPs on health; however, the numbers of studies on this topic are increasing. In addition to size, chemical composition is of importance when understanding the toxicity of particles. Some studies consider the composition of particles in addition to mass; however this is not common, in part due the cost and labour involved in such analyses.

Continuous condensation particle (CP) observations from 1984 through 2009 at Neumayer Station, Antacrtica

Continuous condensation particle (CP) observations were conducted from 1984 through 2009 at Neumayer Station under stringent contamination control. During this period, the CP concentration (median 258 1/cm**3) showed no significant long term trend but exhibited a pronounced seasonality characterized by a stepwise increase starting in September and reaching its annual maximum of around 10**3/cm**3 in March. Minimum values below 10**2/cm**3 were observed during June/July. Dedicated time series analyses in the time and frequency domain revealed no significant correlations between inter-annual CP concentration variations and atmospheric circulation indices like Southern Annular Mode (SAM) or Southern Ocean Index (SOI). The impact of the Pinatubo volcanic eruption and strong El Niño events did not affect CP concentrations. From thermodenuder experiments we deduced that the portion of volatile (at 125 °C) and semi-volatile (at 250 °C) particles which could be both associated with biogenic sulfur aerosol, was maximum during austral summer, while during winter non-volatile sea salt particles dominated. During September through April we could frequently observe enhanced concentrations of ultrafine particles within the nucleation mode (between 3 nm and 7 nm particle diameter), preferentially in the afternoon.