"Will It Rain?" Activities Investigating Aerosol Hygroscopicity and Deliquescence

Climate change and its consequences seem to be increasingly evident in our daily lives. However, is it possible for students to identify a relationship between these large-scale events and the chemistry taught in the classroom? The aim of the present work is to demonstrate that chemistry can assist in elucidating important environmental issues. Simple experiments are used to demonstrate the mechanism of cloud formation, as well as the influence of anthropogenic and natural emissions on the precipitation process. The experiments presented show the way in which particles of soluble salts commonly found in the environment can absorb water in the atmosphere and influence cloud formation.

Estudo da distribuição de tamanho e composição iônica de aerossóis e seus efeitos na capacidade de nuclear gotas de nuvens

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Use of levoglucosan, potassium, and water-soluble organic carbon to characterize the origins of biomass-burning aerosols

Three chemical species related to biomass burning, levoglucosan, potassium and water-soluble organic carbon (WSOC), were measured in aerosol samples collected in a rural area on the outskirts of the municipality of Ourinhos (Sao Paulo State, Brazil). This region is representative of the rural interior of the State, where the economy is based on agro-industrial production, and the most important crop is sugar cane. The manual harvesting process requires that the cane be first burned to remove excess foliage, leading to large emissions of particulate materials to the atmosphere. Most of the levoglucosan (68-89%) was present in small particles (<1.5 mu m), and its concentration in total aerosol ranged from 25 to 1186 ng m(-3). The highest values were found at night, when most of the biomass burning occurs. In contrast, WSOC showed no diurnal pattern, with an average concentration of 5.38 +/- 2.97 mu g m(-3) (n = 27). A significant linear correlation between levoglucosan and WSOC (r = 0.54; n = 26; p < 0.0001) confirmed that biomass burning was in fact an important source of WSOC in the study region. A moderate (but significant) linear correlation between levoglucosan and potassium concentrations (r = 0.62; n = 40; p < 0.0001) was indicative of the influence of other sources of potassium in the study region, such as soil resuspension and fertilizers. When only the fine particles (<1.5 pm; typical of biomass burning) were considered, the linear coefficient increased to 0.91 (n = 9). In this case, the average levoglucosan/K+ ratio was 0.24, which may be typical of biomass burning in the study region. This ratio is about 5 times lower than that previously found for Amazon aerosol collected during the day, when flaming combustion prevails. This suggests that the levoglucosan/K+ ratio may be especially helpful for characterization of the type of vegetation burned (such as crops or forest), when biomass-burning is the dominant source of potassium. The relatively high concentrations of WSOC (and inorganic ions) suggest an important influence on the formation of cloud condensation nuclei, which is likely to affect cloud formation and precipitation patterns. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Iron solubility in mineral dust and aerosol generated from soil samples

Máster Universitario en Oceanografía

Dynamik orographischer Bannerwolken

Der Begriff "Bannerwolke" bezeichnet ein eindrucksvolles Phänomen aus dem Bereich der Gebirgsmeteorologie. Bannerwolken können gelegentlich im Hochgebirge im Bereich steiler Bergspitzen oder langgezogener Bergrücken, wie z.B. dem Matterhorn in den Schweizer Alpen oder dem Zugspitzgrat in den Bayrischen Alpen beobachtet werden. Der Begriff bezeichnet eine Banner- oder Fahnen-ähnliche Wolkenstruktur, welche an der windabgewandten Seite des Berges befestigt zu sein scheint, während die windzugewandte Seite vollkommen wolkenfrei ist. Bannerwolken fanden bislang, trotz ihres relativ häufigen Auftretens in der wissenschaftlichen Literatur kaum Beachtung. Entsprechend wenig ist über ihren Entstehungsmechanismus und insbesondere die relative Bedeutung dynamischer gegenüber thermodynamischer Prozesse bekannt. In der wissenschaftlichen Literatur wurden bislang 3 unterschiedliche Mechanismen postuliert, um die Entstehung von Bannerwolken zu erklären. Demnach entstehen Bannerwolken durch (a) den Bernoulli-Effekt, insbesondere durch die lokale adiabatische Kühlung hervorgerufen durch eine Druckabnahme entlang quasi-horizontal verlaufender, auf der windzugewandten Seite startender Trajektorien, (b) durch isobare Mischung bodennaher kälterer Luft mit wärmerer Luft aus höheren Schichten, oder (c) durch erzwungene Hebung im aufsteigenden Ast eines Leerotors. Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres physikalisches Verständnis für das Phänomen der Bannerwolke zu entwickeln. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem dominierenden Entstehungsmechanismus, der relativen Bedeutung dynamischer und thermodynamischer Prozesse, sowie der Frage nach geeigneten meteorologischen Bedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein neues Grobstruktursimulations (LES)-Modell entwickelt, welches geeignet ist turbulente, feuchte Strömungen in komplexem Terrain zu untersuchen. Das Modell baut auf einem bereits existierenden mesoskaligen (RANS) Modell auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das neue Modell ausführlich gegen numerische Referenzlösungen und Windkanal-Daten verglichen. Die wesentlichen Ergebnisse werden diskutiert, um die Anwendbarkeit des Modells auf die vorliegende wissenschaftliche Fragestellung zu überprüfen und zu verdeutlichen. Die Strömung über eine idealisierte pyramidenförmige Bergspitze wurde für Froude-Zahlen Fr >> 1 sowohl auf Labor- als auch atmosphärischer Skala mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik untersucht. Die Simulationen zeigen, dass Bannerwolken ein primär dynamisches Phänomen darstellen. Sie entstehen im Lee steiler Bergspitzen durch dynamisch erzwungene Hebung. Die Simulationen bestätigen somit die Leerotor-Theorie. Aufgrund des stark asymmetrischen, Hindernis-induzierten Strömungsfeldes können Bannerwolken sogar im Falle horizontal homogener Anfangsbedingungen hinsichtlich Feuchte und Temperatur entstehen. Dies führte zu der neuen Erkenntnis, dass zusätzliche leeseitige Feuchtequellen, unterschiedliche Luftmassen in Luv und Lee, oder Strahlungseffekte keine notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer Bannerwolke darstellen. Die Wahrscheinlichkeit der Bannerwolkenbildung steigt mit zunehmender Höhe und Steilheit des pyramidenförmigen Hindernisses und ist in erster Näherung unabhängig von dessen Orientierung zur Anströmung. Simulationen mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik machen deutlich, dass thermodynamische Prozesse (insbes. die Umsetzung latenter Wärme) für die Dynamik prototypischer (nicht-konvektiver) Bannerwolken zweitrangig ist. Die Verstärkung des aufsteigenden Astes im Lee und die resultierende Wolkenbildung, hervorgerufen durch die Freisetzung latenter Wärme, sind nahezu vernachlässigbar. Die Feuchtephysik induziert jedoch eine Dipol-ähnliche Struktur im Vertikalprofil der Brunt-Väisälä Frequenz, was zu einem moderaten Anstieg der leeseitigen Turbulenz führt. Es wird gezeigt, dass Gebirgswellen kein entscheidendes Ingredienz darstellen, um die Dynamik von Bannerwolken zu verstehen. Durch eine Verstärkung der Absinkbewegung im Lee, haben Gebirgswellen lediglich die Tendenz die horizontale Ausdehnung von Bannerwolken zu reduzieren. Bezüglich geeigneter meteorologischer Bedingungen zeigen die Simulationen, dass unter horizontal homogenen Anfangsbedingungen die äquivalentpotentielle Temperatur in der Anströmung mit der Höhe abnehmen muss. Es werden 3 notwendige und hinreichende Kriterien, basierend auf dynamischen und thermodynamischen Variablen vorgestellt, welche einen weiteren Einblick in geeignete meteorologische Bedingungen geben.

Using sulfur isotope fractionation to understand the atmospheric oxidation of SO 2

Sulfate aerosol plays an important but uncertain role in cloud formation and radiative forcing of the climate, and is also important for acid deposition and human health. The oxidation of SO2 to sulfate is a key reaction in determining the impact of sulfate in the environment through its effect on aerosol size distribution and composition. This thesis presents a laboratory investigation of sulfur isotope fractionation during SO2 oxidation by the most important gas-phase and heterogeneous pathways occurring in the atmosphere. The fractionation factors are then used to examine the role of sulfate formation in cloud processing of aerosol particles during the HCCT campaign in Thuringia, central Germany. The fractionation factor for the oxidation of SO2 by ·OH radicals was measured by reacting SO2 gas, with a known initial isotopic composition, with ·OH radicals generated from the photolysis of water at -25, 0, 19 and 40°C (Chapter 2). The product sulfate and the residual SO2 were collected as BaSO4 and the sulfur isotopic compositions measured with the Cameca NanoSIMS 50. The measured fractionation factor for 34S/32S during gas phase oxidation is αOH = (1.0089 ± 0.0007) − ((4 ± 5) × 10−5 )T (°C). Fractionation during oxidation by major aqueous pathways was measured by bubbling the SO2 gas through a solution of H2 O2

Einsatz eines Aerosolmassenspektrometers während der CYPHEX-Kampagne und zur Methodenentwicklung einer Echtzeitquantifizierung gasförmiger Amine

Atmosphärische Aerosole haben einen starken Einfluss auf das Klima, der bisher nur grundlegend verstanden ist und weiterer Forschung bedarf. Das atmosphärische Verhalten der Aerosolpartikel hängt maßgeblich von ihrer Größe und chemischen Zusammensetzung ab. Durch Reflexion, Absorption und Streuung des Sonnenlichtes verändern sie den Strahlungshaushalt der Erde direkt und durch ihre Einflussnahme auf die Wolkenbildung indirekt. Besonders gealterte, stark oxidierte organische Aerosole mit großem Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis wirken als effektive Wolkenkondensationskeime. Neben primären Aerosolpartikeln, die direkt partikelförmig in die Atmosphäre gelangen, spielen sekundäre Aerosolpartikel eine große Rolle, die aus Vorläufergasen in der Atmosphäre entstehen. Aktuelle Forschungsergebnisse legen nahe, dass kurzkettige aliphatische Amine bei Nukleationsprozessen beteiligt sind und somit die Partikelneubildung vielerorts mitsteuern. Um die Rolle von Aminen in der Atmosphäre besser erforschen und industrielle Emissionen kontrollieren zu können, bedarf es einer zuverlässigen Methode zur Echtzeitquantifizierung gasförmiger Amine mit hoher Zeitauflösung und niedriger Nachweisgrenze.rnDas hochauflösende Flugzeit-Aerosolmassenspektrometer (HR-ToF-AMS) bietet die Möglichkeit, atmosphärische Partikel in Echtzeit zu analysieren. Dabei werden Größe, Menge und grundlegende chemische Zusammensetzung erfasst. Anorganische Aerosolbestandteile können eindeutig zugeordnet werden. Es ist jedoch kaum möglich, einzelne organische Verbindungen in den komplizierten Massenspektren atmosphärischer Aerosole zu identifizieren und quantifizieren.rnIn dieser Arbeit wird atmosphärisches Aerosol untersucht, das im Westen Zyperns während der CYPHEX-Kampagne mit einem HR-ToF-AMS gemessen wurde. An diesem Standort ist vor allem stark gealtertes Aerosol vorzufinden, das aus Zentral- und Westeuropa stammt. Lokale Einflüsse spielen fast keine Rolle. Es wurde eine durchschnittliche Massenkonzentration von 10,98 μg/m3 gefunden, zusammengesetzt aus 57 % Sulfat, 30 % organischen Bestandteilen, 12 % Ammonium, < 1 % Nitrat und < 1 % Chlorid, bezogen auf das Gewicht. Der Median des vakuum-aerodynamischen Durchmessers betrug 446,25 nm. Es wurde sehr acides Aerosol gefunden, dessen anorganische Bestandteile weitgehend der Zusammensetzung von Ammoniumhydrogensulfat entsprachen. Tag-Nacht-Schwankungen in der Zusammensetzung wurden beobachtet. Die Sulfatkonzentration und die Acidität zeigten tagsüber Maxima und nachts Minima. Konzentrationsschwankungen an Nitrat und Chlorid zeigten einen weniger ausgeprägten Rhythmus, Maxima fallen aber immer mit Minima der Sulfatkonzentration, Aerosolacidität und Umgebungstemperatur zusammen. Organische Aerosolbestandteile entsprachen stark gealtertem, schwerflüchtigem oxidiertem organischem Aerosol. Es wurde eine interne Mischung der Partikel beobachtet, die ebenfalls meist bei alten Aerosolen auftritt.rnUm mit dem HR-ToF-AMS auch einzelne organische Verbindungen identifizieren und quantifizieren zu können, wurde eine Methode entwickelt, mit der man Amine der Gasphase selektiv in künstlich erzeugte Phosphorsäurepartikel aufnimmt und so für die HR-ToF-AMS-Messung zugänglich macht. Dadurch kombiniert man die Vorteile der Online-Messung des HR-ToF-AMS mit den Vorteilen klassischer Offline-Probenahmen. So können in Echtzeit sehr einfache Massenspektren gemessen werden, in denen störende Komponenten abgetrennt sind, während die Analyten eindeutig identifiziert werden können. Systeme dieser Art wurden GTRAP-AMS (Gaseous compound TRapping in Artificially-generated Particles – Aerosol Mass Spectrometry) genannt. Kalibrierungen für (Mono)Methylamin, Dimethylamin, Trimethylamin, Diethylamin und Triethylamin ergaben Nachweisgrenzen im ppt-Bereich bei einer Zeitauflösung von 3 min. Kammerexperimente zur Aminemission von Pflanzen zeigten eine gute Übereinstimmung des neu entwickelten Systems mit einer Gasdiffusionsabscheider-Offline-Probenahme und anschließender ionenchromatographischer Analyse. Beide Methoden zeigten Reaktionen der Pflanzen auf eine Veränderung der Lichtverhältnisse, während erhöhte Ozonkonzentrationen die Aminemission nicht veränderten. Die GTRAP-AMS-Methode eignet sich bereits für die Messung von Umgebungsluftkonzentrationen an einigen Orten, für die meisten Orte reicht die Nachweisgrenze allerdings noch nicht aus. Die Technik könnte bereits zur Echtzeitkontrolle industrieller Abgasemissionen eingesetzt werden.

Inference of inhomogeneous clouds in an exoplaent atmosphere

We present new visible and infrared observations of the hot Jupiter Kepler-7b to determine its atmospheric properties. Our analysis allows us to (1) refine Kepler-7b's relatively large geometric albedo of Ag = 0.35 ± 0.02, (2) place upper limits on Kepler-7b thermal emission that remains undetected in both Spitzer bandpasses and (3) report a westward shift in the Kepler optical phase curve. We argue that Kepler-7b's visible flux cannot be due to thermal emission or Rayleigh scattering from H2 molecules. We therefore conclude that high altitude, optically reflective clouds located west from the substellar point are present in its atmosphere. We find that a silicate-based cloud composition is a possible candidate. Kepler-7b exhibits several properties that may make it particularly amenable to cloud formation in its upper atmosphere. These include a hot deep atmosphere that avoids a cloud cold trap, very low surface gravity to suppress cloud sedimentation, and a planetary equilibrium temperature in a range that allows for silicate clouds to potentially form in the visible atmosphere probed by Kepler. Our analysis does not only present evidence of optically thick clouds on Kepler-7b but also yields the first map of clouds in an exoplanet atmosphere.

Airborne minerals and related aerosol particles: Effects on climate and the environment

Aerosol particles are ubiquitous in the troposphere and exert an important influence on global climate and the environment. They affect climate through scattering, transmission, and absorption of radiation as well as by acting as nuclei for cloud formation. A significant fraction of the aerosol particle burden consists of minerals, and most of the remainder— whether natural or anthropogenic—consists of materials that can be studied by the same methods as are used for fine-grained minerals. Our emphasis is on the study and character of the individual particles. Sulfate particles are the main cooling agents among aerosols; we found that in the remote oceanic atmosphere a significant fraction is aggregated with soot, a material that can diminish the cooling effect of sulfate. Our results suggest oxidization of SO2 may have occurred on soot surfaces, implying that even in the remote marine troposphere soot provided nuclei for heterogeneous sulfate formation. Sea salt is the dominant aerosol species (by mass) above the oceans. In addition to being important light scatterers and contributors to cloud condensation nuclei, sea-salt particles also provide large surface areas for heterogeneous atmospheric reactions. Minerals comprise the dominant mass fraction of the atmospheric aerosol burden. As all geologists know, they are a highly heterogeneous mixture. However, among atmospheric scientists they are commonly treated as a fairly uniform group, and one whose interaction with radiation is widely assumed to be unpredictable. Given their abundances, large total surface areas, and reactivities, their role in influencing climate will require increased attention as climate models are refined.

Improving constraints on the sources and distribution of sea salt aerosols in polar regions

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Tree mortality, fire scar formation and regeneration 8 years after low-intensity fire in managed Pinus sylvestris stands

Fire is an important driver of the boreal forest ecosystem, and a useful tool for the restoration of degraded forests. However, we lack knowledge on the ecological processes initiated by prescribed fires, and whether they bring about the desired restoration effects. The purpose of this study was to investigate the impacts of low-intensity experimental prescribed fires on four ecological processes in young commercial Scots pine (Pinus sylvestris) stands eight years after the burning. The processes of interest were tree mortality, dead wood creation, regeneration and fire scar formation. These were inventoried in twelve study plots, which were 30 m x 30 m in size. The plots belonged to two different stand age classes: 30-35 years or 45 years old at the time of burning. The study was partly a follow-up of study plots researched by Sidoroff et al. (2007) one year after burning in 2003. Tree mortality increased from 183 stems ha-1 in 2003 to 259 stems ha-1 in 2010, corresponding to 15 % and 21 % of stem number respectively. Most mortality was experienced in the stands of the younger age class, in smaller diameter classes and among species other than Scots pine. By 2010, the average mortality of Scots pine per plot was 18%, but varied greatly ranging from 0% to 63% of stem number. Delayed mortality, i.e. mortality that occurred between 2 and 8 years after fire, seemed to become more important with increasing diameter. The input of dead wood also varied greatly between plots, from none to 72 m3 ha-1, averaging at 12 m3 ha-1. The amount of fire scarred trees per plot ranged from none to 20 %. Four out of twelve plots (43 %) did not have any fire scars. Scars were on average small: 95% of scars were less than 4 cm in width, and 75% less than 40 cm in length. Owing to the light nature of the fire, the remaining overstorey and thick organic layer, regeneration was poor overall. The abundance of pine and other seedlings indicated a viable seed source existed, but the seedlings failed to establish under dense canopy. The number of saplings ranged from 0 to 12 333 stems ha-1. The results of this study indicate that a low intensity fire does not necessarily initiate the ecological processes of tree mortality, dead wood creation and regeneration in the desired scale. Fire scars, which form the basis of fire dating in fire history studies, did not form in all cases.