Sources of carbonaceous aerosol in the Amazon basin

The quantification of sources of carbonaceous aerosol is important to understand their atmospheric concentrations and regulating processes and to study possible effects on climate and air quality, in addition to develop mitigation strategies. In the framework of the European Integrated Project on Aerosol Cloud Climate Interactions (EUCAARI) fine (D(p) < 2.5 mu m) and coarse (2.5 mu m < Dp < 10 mu m) aerosol particles were sampled from February to June (wet season) and from August to September (dry season) 2008 in the central Amazon basin. The mass of fine particles averaged 2.4 mu g m(-3) during the wet season and 4.2 mu g m(-3) during the dry season. The average coarse aerosol mass concentration during wet and dry periods was 7.9 and 7.6 mu g m(-3), respectively. The overall chemical composition of fine and coarse mass did not show any seasonality with the largest fraction of fine and coarse aerosol mass explained by organic carbon (OC); the average OC to mass ratio was 0.4 and 0.6 in fine and coarse aerosol modes, respectively. The mass absorbing cross section of soot was determined by comparison of elemental carbon and light absorption coefficient measurements and it was equal to 4.7 m(2) g(-1) at 637 nm. Carbon aerosol sources were identified by Positive Matrix Factorization (PMF) analysis of thermograms: 44% of fine total carbon mass was assigned to biomass burning, 43% to secondary organic aerosol (SOA), and 13% to volatile species that are difficult to apportion. In the coarse mode, primary biogenic aerosol particles (PBAP) dominated the carbonaceous aerosol mass. The results confirmed the importance of PBAP in forested areas. The source apportionment results were employed to evaluate the ability of global chemistry transport models to simulate carbonaceous aerosol sources in a regional tropical background site. The comparison showed an overestimation of elemental carbon (EC) by the TM5 model during the dry season and OC both during the dry and wet periods. The overestimation was likely due to the overestimation of biomass burning emission inventories and SOA production over tropical areas.

The gas-phase ozonolysis of unsaturated volatile organic compounds in the troposphere

The gas-phase reactions of ozone with unsaturated hydrocarbons are significant sources of free radical species (including (OH)-O-center dot) and particulate material in the Earth's atmosphere. In this tutorial review, the kinetics, products and mechanisms of these reactions are examined, starting with a discussion of the original mechanism proposed by Criegee and following with a summary presentation of the complex, free radical-mediated reactions of carbonyl oxide (Criegee) intermediates. The contribution of ozone-terpene reactions to the atmospheric burden of secondary organic aerosol material is also discussed from the viewpoint of the formation of non-volatile organic acid products from the complex chemistry of ozone with alpha-pinene. Throughout the article, currently accepted understanding is supported through the presentation of key experimental results, and areas of persistent or new uncertainty are highlighted.

A study on the sensitivities of simulated aerosol optical properties to composition and size distribution using airborne measurements

We present a flexible framework to calculate the optical properties of atmospheric aerosols at a given relative humidity based on their composition and size distribution. The similarity of this framework to climate model parameterisations allows rapid and extensive sensitivity tests of the impact of uncertainties in data or of new measurements on climate relevant aerosol properties. The data collected by the FAAM BAe-146 aircraft during the EUCAARI-LONGREX and VOCALS-REx campaigns have been used in a closure study to analyse the agreement between calculated and measured aerosol optical properties for two very different aerosol types. The agreement achieved for the EUCAARI-LONGREX flights is within the measurement uncertainties for both scattering and absorption. However, there is poor agreement between the calculated and the measured scattering for the VOCALS-REx flights. The high concentration of sulphate, which is a scattering aerosol with no absorption in the visible spectrum, made the absorption measurements during VOCALS-REx unreliable, and thus no closure study was possible for the absorption. The calculated hygroscopic scattering growth factor overestimates the measured values during EUCAARI-LONGREX and VOCALS-REx by ∼30% and ∼20%, respectively. We have also tested the sensitivity of the calculated aerosol optical properties to the uncertainties in the refractive indices, the hygroscopic growth factors and the aerosol size distribution. The largest source of uncertainty in the calculated scattering is the aerosol size distribution (∼35%), followed by the assumed hygroscopic growth factor for organic aerosol (∼15%), while the predominant source of uncertainty in the calculated absorption is the refractive index of organic aerosol (28–60%), although we would expect the refractive index of black carbon to be important for aerosol with a higher black carbon fraction.

Aerosol scattering and absorption during the EUCAARI-LONGREX flights of the Facility for Airborne Atmospheric Measurements (FAAM) BAe-146: can measurements and models agree?

Scattering and absorption by aerosol in anthropogenically perturbed air masses over Europe has been measured using instrumentation flown on the UK’s BAe-146-301 large Atmospheric Research Aircraft (ARA) operated by the Facility for Airborne Atmospheric Measurements (FAAM) on 14 flights during the EUCAARI-LONGREX campaign in May 2008. The geographical and temporal variations of the derived shortwave optical properties of aerosol are presented. Values of single scattering albedo of dry aerosol at 550 nm varied considerably from 0.86 to near unity, with a campaign average of 0.93 ± 0.03. Dry aerosol optical depths ranged from 0.030 ± 0.009 to 0.24 ± 0.07. An optical properties closure study comparing calculations from composition data and Mie scattering code with the measured properties is presented. Agreement to within measurement uncertainties of 30% can be achieved for both scattering and absorption,but the latter is shown to be sensitive to the refractive indices chosen for organic aerosols, and to a lesser extent black carbon, as well as being highly dependent on the accuracy of the absorption measurements. Agreement with the measured absorption can be achieved either if organic carbon is assumed to be weakly absorbing, or if the organic aerosol is purely scattering and the absorption measurement is an overestimate due to the presence of large amounts of organic carbon. Refractive indices could not be inferred conclusively due to this uncertainty, despite the enhancement in methodology compared to previous studies that derived from the use of the black carbon measurements. Hygroscopic growth curves derived from the wet nephelometer indicate moderate water uptake by the aerosol with a campaign mean f (RH) value (ratio in scattering) of 1.5 (range from 1.23 to 1.63) at 80% relative humidity. This value is qualitatively consistent with the major chemical components of the aerosol measured by the aerosol mass spectrometer, which are primarily mixed organics and nitrate and some sulphate.

Mass spectral characterization of submicron biogenic organic particles in the Amazon Basin

Submicron atmospheric particles in the Amazon Basin were characterized by a high-resolution aerosol mass spectrometer during the wet season of 2008. Patterns in the mass spectra closely resembled those of secondary-organic-aerosol (SOA) particles formed in environmental chambers from biogenic precursor gases. In contrast, mass spectral indicators of primary biological aerosol particles (PBAPs) were insignificant, suggesting that PBAPs contributed negligibly to the submicron fraction of particles during the period of study. For 40% of the measurement periods, the mass spectra indicate that in-Basin biogenic SOA production was the dominant source of the submicron mass fraction, contrasted to other periods (30%) during which out-of-Basin organic-carbon sources were significant on top of the baseline in-Basin processes. The in-Basin periods had an average organic-particle loading of 0.6 mu g m(-3) and an average elemental oxygen-to-carbon (O:C) ratio of 0.42, compared to 0.9 mu g m(-3) and 0.49, respectively, during periods of out-of-Basin influence. On the basis of the data, we conclude that most of the organic material composing submicron particles over the Basin derived from biogenic SOA production, a finding that is consistent with microscopy observations made in a concurrent study. This source was augmented during some periods by aged organic material delivered by long-range transport. Citation: Chen, Q., et al. (2009), Mass spectral characterization of submicron biogenic organic particles in the Amazon Basin, Geophys. Res. Lett., 36, L20806, doi: 10.1029/2009GL039880.

Spectral absorption properties of aerosol particles from 350-2500nm

The aerosol spectral absorption efficiency (alpha(a) in m(2)/g) is measured over an extended wavelength range (350-2500 nm) using an improved calibrated and validated reflectance technique and applied to urban aerosol samples from Sao Paulo, Brazil and from a site in Virginia, Eastern US, that experiences transported urban/industrial aerosol. The average alpha(a) values (similar to 3m(2)/g at 550 nm) for Sao Paulo samples are 10 times larger than a a values obtained for aerosols in Virginia. Sao Paulo aerosols also show evidence of enhanced UV absorption in selected samples, probably associated with organic aerosol components. This extra UV absorption can double the absorption efficiency observed from black carbon alone, therefore reducing by up to 50% the surface UV fluxes, with important implications for climate, UV photolysis rates, and remote sensing from space. Citation: Martins, J.V., P. Artaxo, Y.J. Kaufman, A.D. Castanho, and L.A. Remer (2009), Spectral absorption properties of aerosol particles from 350-2500nm, Geophys. Res. Lett., 36, L13810, doi: 10.1029/2009GL037435.

Aerosol inorganic composition at a tropical site: Discrepancies between filter-based sampling and a semi-continuous method

The concentrations of the water-soluble inorganic aerosol species, ammonium (NH4+), nitrate (NO3-), chloride (Cl-), and sulfate (SO42-), were measured from September to November 2002 at a pasture site in the Amazon Basin (Rondnia, Brazil) (LBA-SMOCC). Measurements were conducted using a semi-continuous technique (Wet-annular denuder/Steam-Jet Aerosol Collector: WAD/SJAC) and three integrating filter-based methods, namely (1) a denuder-filter pack (DFP: Teflon and impregnated Whatman filters), (2) a stacked-filter unit (SFU: polycarbonate filters), and (3) a High Volume dichotomous sampler (HiVol: quartz fiber filters). Measurements covered the late dry season (biomass burning), a transition period, and the onset of the wet season (clean conditions). Analyses of the particles collected on filters were performed using ion chromatography (IC) and Particle-Induced X-ray Emission spectrometry (PIXE). Season-dependent discrepancies were observed between the WAD/SJAC system and the filter-based samplers. During the dry season, when PM2.5 (D-p <= 2.5 mu m) concentrations were similar to 100 mu g m(-3), aerosol NH4+ and SO42- measured by the filter-based samplers were on average two times higher than those determined by the WAD/SJAC. Concentrations of aerosol NO3- and Cl- measured with the HiVol during daytime, and with the DFP during day- and nighttime also exceeded those of the WAD/SJAC by a factor of two. In contrast, aerosol NO3- and Cl- measured with the SFU during the dry season were nearly two times lower than those measured by the WAD/SJAC. These differences declined markedly during the transition period and towards the cleaner conditions during the onset of the wet season (PM2.5 similar to 5 mu g m(-3)); when filter-based samplers measured on average 40-90% less than the WAD/SJAC. The differences were not due to consistent systematic biases of the analytical techniques, but were apparently a result of prevailing environmental conditions and different sampling procedures. For the transition period and wet season, the significance of our results is reduced by a low number of data points. We argue that the observed differences are mainly attributable to (a) positive and negative filter sampling artifacts, (b) presence of organic compounds and organosulfates on filter substrates, and (c) a SJAC sampling efficiency of less than 100%.

Aerosol and precipitation chemistry measurements in a remote site in Central Amazonia: the role of biogenic contribution

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Size distributions and temporal variations of biological aerosol particles in the Amazon rainforest characterized by microscopy and real-time UV-APS fluorescence techniques during AMAZE-08

As a part of the AMAZE-08 campaign during the wet season in the rainforest of central Amazonia, an ultraviolet aerodynamic particle sizer (UV-APS) was operated for continuous measurements of fluorescent biological aerosol particles (FBAP). In the coarse particle size range (> 1 mu m) the campaign median and quartiles of FBAP number and mass concentration were 7.3x10(4) m(-3) (4.0-13.2x10(4) m(-3)) and 0.72 mu g m(-3) (0.42-1.19 mu g m(-3)), respectively, accounting for 24% (11-41%) of total particle number and 47% (25-65%) of total particle mass. During the five-week campaign in February-March 2008 the concentration of coarse-mode Saharan dust particles was highly variable. In contrast, FBAP concentrations remained fairly constant over the course of weeks and had a consistent daily pattern, peaking several hours before sunrise, suggesting observed FBAP was dominated by nocturnal spore emission. This conclusion was supported by the consistent FBAP number size distribution peaking at 2.3 mu m, also attributed to fungal spores and mixed biological particles by scanning electron microscopy (SEM), light microscopy and biochemical staining. A second primary biological aerosol particle (PBAP) mode between 0.5 and 1.0 mu m was also observed by SEM, but exhibited little fluorescence and no true fungal staining. This mode may have consisted of single bacterial cells, brochosomes, various fragments of biological material, and small Chromalveolata (Chromista) spores. Particles liquid-coated with mixed organic-inorganic material constituted a large fraction of observations, and these coatings contained salts likely from primary biological origin. We provide key support for the suggestion that real-time laser-induce fluorescence (LIF) techniques using 355 nm excitation provide size-resolved concentrations of FBAP as a lower limit for the atmospheric abundance of biological particles in a pristine environment. We also show some limitations of using the instrument for ambient monitoring of weakly fluorescent particles < 2 mu m. Our measurements confirm that primary biological particles, fungal spores in particular, are an important fraction of supermicron aerosol in the Amazon and that may contribute significantly to hydrological cycling, especially when coated by mixed inorganic material.

Aerosol and precipitation chemistry measurements in a remote site in Central Amazonia: the role of biogenic contribution

In this analysis a 3.5 years data set of aerosol and precipitation chemistry, obtained in a remote site in Central Amazonia (Balbina, (1A degrees 55' S, 59A degrees 29' W, 174 m a.s.l.), about 200 km north of Manaus) is discussed. Aerosols were sampled using stacked filter units (SFU), which separate fine (d < 2.5 mu m) and coarse mode (2.5 mu m < d < 10.0 mu m) aerosol particles. Filters were analyzed for particulate mass (PM), Equivalent Black Carbon (BCE) and elemental composition by Particle Induced X-Ray Emission (PIXE). Rainwater samples were collected using a wet-only sampler and samples were analyzed for pH and ionic composition, which was determined using ionic chromatography (IC). Natural sources dominated the aerosol mass during the wet season, when it was predominantly of natural biogenic origin mostly in the coarse mode, which comprised up to 81% of PM10. Biogenic aerosol from both primary emissions and secondary organic aerosol dominates the fine mode in the wet season, with very low concentrations (average 2.2 mu g m(-3)). Soil dust was responsible for a minor fraction of the aerosol mass (less than 17%). Sudden increases in the concentration of elements as Al, Ti and Fe were also observed, both in fine and coarse mode (mostly during the April-may months), which we attribute to episodes of Saharan dust transport. During the dry periods, a significant contribution to the fine aerosols loading was observed, due to the large-scale transport of smoke from biomass burning in other portions of the Amazon basin. This contribution is associated with the enhancement of the concentration of S, K, Zn and BCE. Chlorine, which is commonly associated to sea salt and also to biomass burning emissions, presented higher concentration not only during the dry season but also for the April-June months, due to the establishment of more favorable meteorological conditions to the transport of Atlantic air masses to Central Amazonia. The chemical composition of rainwater was similar to those ones observed in other remote sites in tropical forests. The volume-weighted mean (VWM) pH was 4.90. The most important contribution to acidity was from weak organic acids. The organic acidity was predominantly associated with the presence of acetic acid instead of formic acid, which is more often observed in pristine tropical areas. Wet deposition rates for major species did not differ significantly between dry and wet season, except for NH4+, citrate and acetate, which had smaller deposition rates during dry season. While biomass burning emissions were clearly identified in the aerosol component, it did not present a clear signature in rainwater. The biogenic component and the long-range transport of sea salt were observed both in aerosols and rainwater composition. The results shown here indicate that in Central Amazonia it is still possible to observe quite pristine atmospheric conditions, relatively free of anthropogenic influences.

Identifizierung und Quantifizierung von sauren Markersubstanzen für troposphärisches sekundäres organisches Aerosol aus biogenen Kohlenwasserstoffen mittels Kapillar-HPLC-ESI-MS n

Sekundäres organisches Aerosol (SOA) ist ein wichtiger Bestandteil von atmosphärischen Aerosolpartikeln. Atmosphärische Aerosole sind bedeutsam, da sie das Klima über direkte (Streuung und Absorption von Strahlung) und indirekte (Wolken-Kondensationskeime) Effekte beeinflussen. Nach bisherigen Schätzungen ist die SOA-Bildung aus biogenen Kohlenwasserstoffen global weit wichtiger als die SOA-Bildung aus anthropogenen Kohlenwasserstoffen. Reaktive Kohlenwasserstoffe, die in großen Mengen von der Vegetation emittiert werden und als die wichtigsten Vorläufersubstanzen für biogenes SOA gelten, sind die Terpene. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode entwickelt, welche die Quantifizierung von aciden Produkten der Terpen-Oxidation ermöglicht. Die Abscheidung des größenselektierten Aerosols (PM 2.5) erfolgte auf Quarzfilter, die unter Zuhilfenahme von Ultraschall mittels Methanol extrahiert wurden. Nach Aufkonzentrierung und Lösungsmittelwechsel auf Wasser sowie Standardaddition wurden die Proben mit einer Kapillar-HPLC-ESI-MSn-Methode analysiert. Das verwendete Ionenfallen-Massenspektrometer (LCQ-DECA) bietet die Möglichkeit, Strukturaufklärung durch selektive Fragmentierung der Qasimolekülionen zu betreiben. Die Quantifizierung erfolgte teilweise im MS/MS-Modus, wodurch Selektivität und Nachweisgrenze verbessert werden konnten. Um Produkte der Terpen-Oxidation zu identifizieren, die nicht als Standards erhältlich waren, wurden Ozonolysexperimente durchgeführt. Dadurch gelang die Identifizierung einer Reihe von Oxidationsprodukten in Realproben. Neben schon bekannten Produkten der Terpen-Oxidation konnten einige Produkte erstmals in Realproben eindeutig als Produkte des α Pinens nachgewiesen werden. In den Proben der Ozonolyseexperimente konnten auch Produkte mit hohem Molekulargewicht (>300 u) nachgewiesen werden, die Ähnlichkeit zeigen zu den als Dimeren oder Polymeren in der Literatur bezeichneten Substanzen. Sie konnten jedoch nicht in Feldproben gefunden werden. Im Rahmen von 5 Messkampagnen in Deutschland und Finnland wurden Proben der atmosphärischen Partikelphase genommen. Die Quantifizierung von Produkten der Oxidation von α-Pinen, β-Pinen, 3-Caren, Sabinen und Limonen in diesen Proben ergab eine große zeitliche und örtliche Variationsbreite der Konzentrationen. Die Konzentration von Pinsäure bewegte sich beispielsweise zwischen etwa 0,4 und 21 ng/m³ während aller Messkampagnen. Es konnten stets Produkte verschiedener Terpene nachgewiesen werden. Produkte einiger Terpene eignen sich sogar als Markersubstanzen für verschiedene Pflanzenarten. Sabinen-Produkte wie Sabinsäure können als Marker für die Emissionen von Laubbäumen wie Buchen oder Birken verwendet werden, während Caren-Produkte wie Caronsäure als Marker für Nadelbäume, speziell Kiefern, verwendet werden können. Mit den quantifizierten Substanzen als Marker wurde unter zu Hilfenahme von Messungen des Gehaltes an organischem und elementarem Kohlenstoff im Aerosol der Anteil des sekundären organischen Aerosols (SOA) errechnet, der von der Ozonolyse der Terpene stammt. Erstaunlicherweise konnten nur 1% bis 8% des SOA auf die Ozonolyse der Terpene zurückgeführt werden. Dies steht im Gegensatz zu der bisherigen Meinung, dass die Ozonolyse der Terpene die wichtigste Quelle für biogenes SOA darstellt. Gründe für diese Diskrepanz werden in der Arbeit diskutiert. Um die atmosphärischen Prozesse der Bildung von SOA vollständig zu verstehen, müssen jedoch noch weitere Anstrengungen unternommen werden.

Massenspektrometrische Untersuchungen und Nachweise von organischen Hydroperoxiden und höhermolekularen Verbindungen im biogenen sekundären organischen Aerosol

Atmosphärische Aerosole beeinflussen den Strahlungshaushalt und damit das Klima der Erde. Dies geschieht sowohl direkt (Streuung und Absorption), als auch indirekt (Wolkenkondensationskeime). Das sekundäre organische Aerosol (SOA) bildet einen wichtigen Bestandteil des atmosphärischen Aerosols. Seine Bildung erfolgt durch Reaktionen von Kohlenwasserstoffen mit atmosphärischen Oxidationsmitteln (z.B. Ozon, OH-Radikalen). Eine Klasse dieser Kohlenwasserstoffe sind die Terpene. Sie werden in großen Mengen durch die Vegetation emittiert und gelten als wichtige Vorläufersubstanzen des biogenen SOAs. In den Reaktionen von Monoterpenen und Sesquiterpenen mit atmosphärischen Reaktionspartnern wird eine große Vielfalt an multifunktionellen Reaktionsprodukten gebildet, von denen bis heute nur ein Bruchteil identifiziert werden konnte. In der vorliegenden Arbeit soll im Speziellen die Bildung von organischen Peroxiden und oligomeren Verbindungen im biogenen SOA untersucht und Nachweise einzelner Moleküle erbracht werden.rnFür eine Identifizierung von organischen Peroxiden aus der Oxidation einzelner Monoterpene und Sesquiterpene mit Ozon wurden die Reaktionsprodukte direkt in eine bei Atmosphärendruck arbeitende chemische Ionisationsquelle überführt und massenspektrometrisch untersucht (online-APCI-MS). Hierdurch konnten organische Hydroperoxide in der Partikelphase nachgewiesen werden, welche sich durch eine signifikante Abspaltung von H2O2 im Tandem-Massenspektrum (MS/MS) auszeichneten. Des Weiteren sollte die Bildung von höhermolekularen Verbindungen („Dimere“) im SOA des α-Pinens untersucht werden. Hierfür wurden zunächst die Reaktionsprodukte des Cyclohexens, das als einfache Modellverbindung des α-Pinens dient, mittels online-APCI-MS und offline durch Flüssigkeitschromatographie und Elektrospray-Ionenfallenmassenspektrometrie (HPLC/ESI-MS) untersucht. Verschiedene Produkte der Cyclohexen-Ozonolyse konnten hierbei als Esterverbindungen identifiziert werden, wobei eigens synthetisierte Referenzsubstanzen für die Identifizierung verwendet wurden. In einem weiteren Experiment, indem gleichzeitig Cyclohexen und α-Pinen mit Ozon umgesetzt wurden, konnten ebenfalls eine Bildung von höhermolekularen Estern nachgewiesen werden. Es handelte sich hierbei um „Mischester“, deren Struktur aus Reaktionsprodukten der beiden VOC-Vorläufermoleküle aufgebaut war. Durch diese neuen Erkenntnisse, über die Bildung von Estern im SOA des Cyclohexens, wurden die Dimer-Bildung einer reinen α-Pinen/Ozon-Reaktion online und offline massenspektrometrisch untersucht. Hier stellten sich als Hauptprodukte die Verbindungen mit m/z 357 und m/z 367 ([M-H]--Ionen) heraus, welche zudem erstmals auf einem Filter einer Realprobe aus Hyytiälä, Finnland nachgewiesen werden konnten. Aufgrund ihrer Fragmentierung in MS/MS-Untersuchungen sowie den exakten Summenformeln aus FT-MS Messungen konnte für die Struktur der höhermolekularen Verbindung mit m/z 367 ebenfalls ein Ester und für m/z 357 ein Peroxyhemiacetal vorgeschlagen werden. Die vorgeschlagene Struktur der Verbindung m/z 367 konnte im Anschluss über eine Reaktion aus Hydroxypinonsäure mit Pinsäure bestätigt werden. Die Identifizierung der Esterverbindung des α-Pinen-SOA erfolgte ebenfalls mit Hilfe von LC-MSn-Messungen.rnDie bisher diskutierten Ergebnisse, sowie die meisten in der Literatur beschriebenen Studien befassen sich jedoch mit einzelnen Vorläuferverbindungen, im Gegensatz zu den komplexen SOA-Proben aus den Emissionen der Vegetation. Im Rahmen einer Messkampagne am Forschungszentrum Jülich erfolgte eine massenspektrometrische Charakterisierung (online-APCI-MS) des SOAs aus direkten VOC-Emissionen von Pflanzen. Durch einen Vergleich der Produktverteilung dieser erhalten online-Massenspektren mit denen aus den Reaktionen einzelner VOCs, konnten Aussagen über die in den Reaktionen umgesetzten VOCs gemacht werden. Es konnte gezeigt werden, dass in stressbedingten Situationen die untersuchten Exemplare der Betula pendula (Birke) hauptsächlich Sesquiterpene, Picea abies (Fichte) eher Monoterpene und Eucalyptus (Eukalyptus) sowohl Sesquiterpene als auch Monoterpene emittieren. Um die atmosphärischen Prozesse, die zur Bildung der Produkte im SOA führen vollständig zu verstehen, müssen jedoch noch weitere Anstrengungen unternommen werden.rn

Massenspektrometrische Untersuchungen zur Aufklärung der Bildungsmechanismen von Oligomeren in sekundärem organischen Aerosol und zur Zusammensetzung von marinem Hintergrund-Aerosol

Diese Arbeit präsentiert Forschungsergebnisse der beiden wissenschaftlichen Projekte POLYSOA und OOMPH. Für das POLYSOA-Projekt, welches sich mit der Oligomerbildung in sekundären organischen Aerosolen befasst, wurden zwei Dicarbonylverbindungen bezüglich ihres Oligomerisationsverhaltens untersucht. Hierfür wurden zunächst verschiedene Herstellungsmethoden für die reinen, wasserfreien Monomere Glyoxal (Ethandial) und Methylglyoxal (2-Oxopropanal) erprobt. Diese wurden mit Reinstwasser umgesetzt und die Reaktionsprodukte massenspektrometrisch mittels Direktinfusion in ein ESI-MS untersucht. Es wurde bei den wässrigen Lösungen von Glyoxal eine starke Tendenz zur Oligomerbildung beobachtet. Die Zusammensetzung dieser Acetal-Oligomere wurde durch MS2-Experimente analysiert. Methylglyoxal bildete bei den durchgeführten Experimenten ebenfalls bei der Reaktion mit Wasser Oligomere. Zum Ausschluss, dass es sich bei den mittels ESI-MS gemessenen Oligomer-Ionen nicht um Ionenquellenartefakte handelte, wurde eine HPLC-Trennung vorgenommen. Diese Experimente ergaben, dass es sich nicht um Artefakte handelt. Als Teil des OOMPH-Projekts wurden mit einem Aerodyne-HRToF-AMS Messungen an Bord des französischem Forschungsschiffes RV Marion Dufresne durchgeführt. Um detaillierte Informationen über die hierbei im organischen Aerosol enthaltenen Moleküle zu erhalten wurde eine neue Methode entwickelt. Es wurde eine Ionenliste erstellt, die mögliche Fragment-Ionen sowie deren exakte Masse enthält. Reihen von homologen Ionen wurden in Gruppen zusammengefasst. Ein selbstentwickelter Algorithmus berechnet die Signalanteile der einzelnen Ionen aus der Ionenliste am Gesamtsignal. Die erhaltenen einzelnen Signalanteile wurden entsprechend den Ionengruppen zusammengefasst. Hieraus können Informationen über die im Aerosol enthaltenen Molekülbausteine erhalten werden. Im OOMPH-Datensatz konnten so Aerosole verschiedener chemischer Zusammensetzung unterschieden werden. Ein Rückschluss auf einzelne Moleküle kann jedoch nicht gezogen werden.

Untersuchung von organischen Spurengasen und sekundärem organischem Aerosol in der Atmosphäre mittels PTR-MS

In dieser Arbeit wurden die OH-Radikalausbeuten beider Doppelbindungen von alpha-Phellandren, alpha-Terpinen, Limonen und Terpinolen bei der Ozonolyse getrennt voneinander bestimmt. Dabei wurde sich die hohe zeitliche Auflösung des PTR-MS zunutze gemacht. Es wurden die OH-Radikale mittels Cyclohexan abgefangen und aus dem daraus gebildeten Cyclohexanon die OH-Radikalausbeute berechnet. Dadurch konnten zum ersten Mal die OH-Radikalausbeuten der langsamer reagierenden Doppelbindung bestimmt werden. Es ergaben sich für alpha-Phellandren 8%11% (±3%), alpha-Terpinen 12%14% (±4%), Limonen 7%10% (±3%) und für Terpinolen 39%48% (±14%). Desweiteren wurde eine theoretische Diskussion über den Reaktionsmechanismus der Ozonolyse und dem daraus gebildetem Criegee-Intermediat durchgeführt. Dadurch konnten die OH-Radikalausbeuten erklärt werden und eine Voraussage über die OH-Radikalausbeute bei anderen Verbindungen ist mit diesen Überlegungen möglich. In einer Messkampagne in Paris konnten verschiedene VOCs und andere atmosphärisch relevante Komponenten wie Ozon, CO, NO2 und NO gemessen werden. Aus diesen Daten wurde zum einen ein Datenpaket in Igor gefertigt, welches die Interpretation der Daten erleichtern sollte. Zum anderen wurden die Daten mit einem PMF-Model analysiert.Durch die Analyse verschiedener Komponenten konnte die Frage beantwortet werden, ob die Lösungsmittelindustrie in und um Paris einen großen Einfluss auf die Konzentrationen gewisser Komponenten in der Luft hat. Über die Korrelation von Benzol und Toluol mit schwarzem Kohlenstoff und den typischen Tagesverlauf mit zwei Konzentrationsmaxima dieser Komponenten konnte gezeigt werden, dass als Hauptquelle diese beiden Stoffe nur der Straßenverkehr infrage kommt. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass die Luftmassen die Paris erreichen einen großen Einfluss auf die Konzentration gewisser Komponenten in der Luft haben. Dadurch konnte gut zwischen lokalen Quellen und weit transportierten VOCs unterschieden werden. Schließlich konnten über das PFM-Model ein Großteil der in Paris gemessenen Substanzen in sieben unterschiedliche Quellen eingeteilt werden und deren prozentualer Einfluss während ozeanischer Luftmassen und kontinentalen Luftmassen bestimmt werden. Um Bestandteile von organischem Aerosol mithilfe eines PTR-MS und dessen schonender Ionisationstechnik detektieren zu können, wurde erfolgreich ein Einlass für das PTR-MS entwickelt der es ermöglicht neben den Messungen von VOCs in der Gasphase auch organisches Aerosol zu sammeln, desorbieren und zu detektieren. Zu Testen des neuen Einlasses wurden verschiedene Laborexperimente durchgeführt und es wurde eine Messkampagne in Cabauw (nahe Utrecht, NL) durchgeführt. Die Labortests des neuen Einlasses zeigen, dass es möglich ist organisches Aerosol und VOCs (Aerosol Precurser) in der Gasphase mit einem einzelnen Instrument zu messen. Dazu wurden in einer Smog Chamber Isopren, alpha-Pinen, Limonen und beta-Caryophyllen jeweils mit Ozon zur Reaktion gebracht. Die Messungen in der Gasphase zeigten, dass verschiedene Komponenten wie gewohnt mit hoher Zeitauflösung durch das PTR-MS detektiert werden konnten. Die Messungen des Aerosols zeigten, dass es möglich ist, viele der aus den Reaktionen bekannten Produkte direkt oder mit geringer Fragmentation zu detektieren. Die Messkampagne in Cabauw zeigte, dass es mit diesem Einlass möglich ist über einen langen Zeitraum Aerosol und VOCs mit nur einem Instrument zu messen. Die Gasphasenmessungen sind unbeeinflusst von den Modifikationen, die an dem PTR-MS und der Driftröhre vorgenommen werden mussten um Aerosol detektieren zu können. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass sich natürliches organisches Aerosol von Aerosol aus einer Smog Chamber im Dampfdruck unterscheidet. Deswegen muss man vorsichtig sein, falls man diese zwei Aerosolarten miteinander vergleichen will.

Aircraft-based in-situ aerosol mass spectrometry: Chemical characterization and source identification of submicron particulate matter in the free and upper troposphere and lower stratosphere

The composition of the atmosphere is frequently perturbed by the emission of gaseous and particulate matter from natural as well as anthropogenic sources. While the impact of trace gases on the radiative forcing of the climate is relatively well understood the role of aerosol is far more uncertain. Therefore, the study of the vertical distribution of particulate matter in the atmosphere and its chemical composition contribute valuable information to bridge this gap of knowledge. The chemical composition of aerosol reveals information on properties such as radiative behavior and hygroscopicity and therefore cloud condensation or ice nucleus potential. rnThis thesis focuses on aerosol pollution plumes observed in 2008 during the POLARCAT (Polar Study using Aircraft, Remote Sensing, Surface Measurements and Models, of Climate, Chemistry, Aerosols, and Transport) campaign over Greenland in June/July and CONCERT (Contrail and Cirrus Experiment) campaign over Central and Western Europe in October/November. Measurements were performed with an Aerodyne compact time-of-flight aerosol mass spectrometer (AMS) capable of online size-resolved chemical characterization of non-refractory submicron particles. In addition, the origins of pollution plumes were determined by means of modeling tools. The characterized pollution episodes originated from a large variety of sources and were encountered at distinct altitudes. They included pure natural emissions from two volcanic eruptions in 2008. By the time of detection over Western Europe between 10 and 12 km altitude the plume was about 3 months old and composed to 71 % of particulate sulfate and 21 % of carbonaceous compounds. Also, biomass burning (BB) plumes were observed over Greenland between 4 and 7 km altitude (free troposphere) originating from Canada and East Siberia. The long-range transport took roughly one and two weeks, respectively. The aerosol was composed of 78 % organic matter and 22 % particulate sulfate. Some Canadian and all Siberian BB plumes were mixed with anthropogenic emissions from fossil fuel combustion (FF) in North America and East Asia. It was found that the contribution of particulate sulfate increased with growing influences from anthropogenic activity and Asia reaching up to 37 % after more than two weeks of transport time. The most exclusively anthropogenic emission source probed in the upper troposphere was engine exhaust from commercial aircraft liners over Germany. However, in-situ characterization of this aerosol type during aircraft chasing was not possible. All long-range transport aerosol was found to have an O:C ratio close to or greater than 1 implying that low-volatility oxygenated organic aerosol was present in each case despite the variety of origins and the large range in age from 3 to 100 days. This leads to the conclusion that organic particulate matter reaches a final and uniform state of oxygenation after at least 3 days in the free troposphere. rnExcept for aircraft exhaust all emission sources mentioned above are surface-bound and thus rely on different types of vertical transport mechanisms, such as direct high altitude injection in the case of a volcanic eruption, or severe BB, or uplift by convection, to reach higher altitudes where particles can travel long distances before removal mainly caused by cloud scavenging. A lifetime for North American mixed BB and FF aerosol of 7 to 11 days was derived. This in consequence means that emission from surface point sources, e.g. volcanoes, or regions, e.g. East Asia, do not only have a relevant impact on the immediate surroundings but rather on a hemispheric scale including such climate sensitive zones as the tropopause or the Arctic.