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.

Hurricanes and climate: the U.S. CLIVAR working group on hurricanes

While a quantitative climate theory of tropical cyclone formation remains elusive, considerable progress has been made recently in our ability to simulate tropical cyclone climatologies and understand the relationship between climate and tropical cyclone formation. Climate models are now able to simulate a realistic rate of global tropical cyclone formation, although simulation of the Atlantic tropical cyclone climatology remains challenging unless horizontal resolutions finer than 50 km are employed. This article summarizes published research from the idealized experiments of the Hurricane Working Group of U.S. CLIVAR (CLImate VARiability and predictability of the ocean-atmosphere system). This work, combined with results from other model simulations, has strengthened relationships between tropical cyclone formation rates and climate variables such as mid-tropospheric vertical velocity, with decreased climatological vertical velocities leading to decreased tropical cyclone formation. Systematic differences are shown between experiments in which only sea surface temperature is increased versus experiments where only atmospheric carbon dioxide is increased, with the carbon dioxide experiments more likely to demonstrate the decrease in tropical cyclone numbers previously shown to be a common response of climate models in a warmer climate. Experiments where the two effects are combined also show decreases in numbers, but these tend to be less for models that demonstrate a strong tropical cyclone response to increased sea surface temperatures. Further experiments are proposed that may improve our understanding of the relationship between climate and tropical cyclone formation, including experiments with two-way interaction between the ocean and the atmosphere and variations in atmospheric aerosols.

Downwelling solar irradiance in the biomass burning region of the southern Amazon: Dependence on aerosol intensive optical properties and role of water vapor

The sensitivity of solar irradiance at the surface to the variability of aerosol intensive optical properties is investigated for a site (Alta Floresta) in the southern portion of the Amazon basin using detailed comparisons between measured and modeled irradiances. Apart from aerosol intensive optical properties, specifically single scattering albedo (omega(o lambda)) and asymmetry parameter (g(lambda)), which were assumed constant, all other relevant input to the model were prescribed based on observation. For clean conditions, the differences between observed and modeled irradiances were consistent with instrumental uncertainty. For polluted conditions, the agreement was significantly worse, with a root mean square difference three times larger (23.5 Wm(-2)). Analysis revealed a noteworthy correlation between the irradiance differences (observed minus modeled) and the column water vapor (CWV) for polluted conditions. Positive differences occurred mostly in wet conditions, while the differences became more negative as the atmosphere dried. To explore the hypothesis that the irradiance differences might be linked to the modulation of omega(o lambda) and g(lambda) by humidity, AERONET retrievals of aerosol properties and CWV over the same site were analyzed. The results highlight the potential role of humidity in modifying omega(o lambda) and g(lambda) and suggest that to explain the relationship seen between irradiances differences via aerosols properties the focus has to be on humidity-dependent processes that affect particles chemical composition. Undoubtedly, there is a need to better understand the role of humidity in modifying the properties of smoke aerosols in the southern portion of the Amazon basin.

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%.

Lidar observation campaign of sugar cane fires and industrial emissions in the State of São Paulo, Brazil

Brazil has an important role in the biomass burning, with the detection of approximately 100,000 burning spots in a single year (2007). Most of these spots occur in the southern part of the Amazon basin during the dry season (from August to november) and these emissions reach the southeast of the country, a highly populated region and with serious urban air pollution problems. With the growing demand on biofuels, sugarcane is considerably expanding in the state of São Paulo, being a strong contributor to the bad air quality in this region. In the state of São Paulo, the main land use are pasture and sugarcane crop, that covers around 50% and 10% of the total area, respectively. Despite the aerosol from sugarcane burning having reduced atmospheric residence time, from a few days to some weeks, they might get together with those aerosol which spread over long distances (hundreds to thousands of kilometers). In the period of June through February 2010 a LIDAR observation campaign was carried in the state of São Paulo, Brazil, in order to observe and characterize optically the aerosols from two distinct sources, namely, sugar cane biomass burning and industrial emissions. For this purpose 2 LIDAR systems were available, one mobile and the other placed in a laboratory, both working in the visible (532 nm) and additionally the mobile system had a Raman channel available (607 nm). Also this campaign counted with a SODAR, a meteorological RADAR specially set up to detect aerosol echoes and gas-particle analyzers. To guarantee a good regional coverage 4 distinct sites were available to deploy the instruments, 2 in the near field of biomass burning activities (Rio Claro and Bauru), one for industrial emissions (Cubatão) and others from urban sources (São Paulo). The whole campaign provide the equivalent of 30 days of measurements which allowed us to get aerosol optical properties such as backscattering/extinction coefficients, scatter and LIDAR ratios, those were used to correlate with air quality and meteorological indicators and quantities. In this paper we should focus on the preliminary results of the Raman LIDAR system and its derived aerosol optical quantities. © 2010 Copyright SPIE - The International Society for Optical Engineering.

Initial analysis from a Lidar observation campaign of sugar cane fires in the central and western portion of the S̃ao Paulo State - Brazil

The central and western portion of the S̃ao Paulo State has large areas of sugar cane plantations, and due to the growing demand for biofuels, the production is increasing every year. During the harvest period some plantation areas are burnt a few hours before the manual cutting, causing significant quantities of biomass burning aerosol to be injected into the atmosphere. During August 2010, a field campaign has been carried out in Ourinhos, situated in the south-western region of S̃ao Paulo State. A 2-channel Raman Lidar system and two meteorological S-Band Doppler Radars are used to indentify and quantify the biomass burning plumes. In addiction, CALIPSO Satellite observations were used to compare the aerosol optical properties detected in that region with those retrieved by Raman Lidar system. Although the campaign yielded 30 days of measurements, this paper will be focusing only one case study, when aerosols released from nearby sugar cane fires were detected by the Lidar system during a CALIPSO overpass. The meteorological radar, installed in Bauru, approximately 110 km northeast from the experimental site, had recorded echoes (dense smoke comprising aerosols) from several fires occurring close to the Raman Lidar system, which also detected an intense load of aerosol in the atmosphere. HYSPLIT model forward trajectories presented a strong indication that both instruments have measured the same air masss parcels, corroborated with the Lidar Ratio values from the 532 nm elastic and 607 nm Raman N2 channel analyses and data retrieved from CALIPSO have indicated the predominance of aerosol from biomass burning sources. © 2011 SPIE.

Carbono orgânico solúvel em água no material particulado de regiões canavieiras do Estado de São Paulo

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Particle emission from heavy-duty engine fuelled with blended diesel and biodiesel

In this study, particulate matter (PM) were characterized from a place impacted by heavy-duty vehicles (Bus Station) fuelled with diesel/biodiesel fuel blend (B3) in the city of Londrina, Brazil. Sixteen priority polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) concentrations were analyzed in the samples by their association with atmospheric PM, mass size distributions and major ions (fluorite, chloride, bromide, nitrate, phosphate, sulfate, nitrite, oxalate; fumarate, formate, succinate and acetate; lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium and ammonium). Results indicate that major ions represented 21.2% particulate matter mass. Nitrate, sulfate, and ammonium, respectively, presented the highest concentration levels, indicating that biodiesel may also be a significant source for these ions, especially nitrate. Dibenzo[a,h]anthracene and indeno[1,2,3,-cd]pyrene were the main PAH found, and a higher fraction of PAH particles was found in diameters lower than 0.25 mu m in Londrina bus station. The fine and ultrafine particles were dominant among the PM evaluated, suggesting that biodiesel decreases the total PAH emission. However, it does also increase the fraction of fine and ultrafine particles when compared to diesel.

Fog- and cloud-induced aerosol modification observed by the Aerosol Robotic Network (AERONET)

Large fine mode-dominated aerosols (submicron radius) in size distributions retrieved from the Aerosol Robotic Network (AERONET) have been observed after fog or low-altitude cloud dissipation events. These column-integrated size distributions have been obtained at several sites in many regions of the world, typically after evaporation of low-altitude cloud such as stratocumulus or fog. Retrievals with cloud-processed aerosol are sometimes bimodal in the accumulation mode with the larger-size mode often similar to 0.4-0.5 mu m radius (volume distribution); the smaller mode, typically similar to 0.12 to similar to 0.20 mu m, may be interstitial aerosol that were not modified by incorporation in droplets and/or aerosol that are less hygroscopic in nature. Bimodal accumulation mode size distributions have often been observed from in situ measurements of aerosols that have interacted with clouds, and AERONET size distribution retrievals made after dissipation of cloud or fog are in good agreement with particle sizes measured by in situ techniques for cloud-processed aerosols. Aerosols of this type and large size range (in lower concentrations) may also be formed by cloud processing in partly cloudy conditions and may contribute to the "shoulder" of larger-size particles in the accumulation mode retrievals, especially in regions where sulfate and other soluble aerosol are a significant component of the total aerosol composition. Observed trends of increasing aerosol optical depth (AOD) as fine mode radius increased suggests higher AOD in the near-cloud environment and higher overall AOD than typically obtained from remote sensing owing to bias toward sampling at low cloud fraction.

New Aerosol Particle formation in Amazonia

Events of new particle formation (NPF) in tropical boundary layer followed by consecutive growth towards Aitken mode size range are sparse compared to mid- latitudes Kulmala et al. (2004). This is also the case for rainforest environment. More often short episodes of elevated ultrafine and Aitken mode aerosol particle concentrations are observed their origin and the processes governing these episodes do however remain unclear. Based on observations performed in the Amazonian rainforest environment combined with statistical analysis we present a mechanism explaining the erratic appearance of ultra-fine aerosol in tropical boundary layer of the rainforest.

Overview of the South American Biomass burning analysis (SAMBBA) field experiment.

Biomass burning represents one of the largest sources of particulate matter to the atmosphere, which results in a significant perturbation to the Earth’s radiative balance coupled with serious negative impacts on public health. Globally, biomass burning aerosols are thought to exert a small warming effect of 0.03 Wm-2, however the uncertainty is 4 times greater than the central estimate. On regional scales, the impact is substantially greater, particularly in areas such as the Amazon Basin where large, intense and frequent burning occurs on an annual basis for several months (usually from August-October). Furthermore, a growing number of people live within the Amazon region, which means that they are subject to the deleterious effects on their health from exposure to substantial volumes of polluted air. Initial results from the South American Biomass Burning Analysis (SAMBBA) field experiment, which took place during September and October 2012 over Brazil, are presented here. A suite of instrumentation was flown on-board the UK Facility for Airborne Atmospheric Measurement (FAAM) BAe-146 research aircraft and was supported by ground based measurements, with extensive measurements made in Porto Velho, Rondonia. The aircraft sampled a range of conditions with sampling of fresh biomass burning plumes, regional haze and elevated biomass burning layers within the free troposphere. The physical, chemical and optical properties of the aerosols across the region will be characterized in order to establish the impact of biomass burning on regional air quality, weather and climate.

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

Water-soluble organic compounds in air particulate matter analyzed by HPLC-DAD-MS and HPLC-MS/MS: abundance, sources and transformation of carboxylic acids, nitrophenols and nitrated proteins

Wasserlösliche organische Verbindungen (WSOCs) sind Hauptbestandteile atmosphärischer Aerosole, die bis zu ~ 50% und mehr der organischen Aerosolfraktion ausmachen. Sie können die optischen Eigenschaften sowie die Hygroskopizität von Aerosolpartikeln und damit deren Auswirkungen auf das Klima beeinflussen. Darüber hinaus können sie zur Toxizität und Allergenität atmosphärischer Aerosole beitragen.In dieser Studie wurde Hochleistungsflüssigchromatographie gekoppelt mit optischen Diodenarraydetektion und Massenspektrometrie (HPLC-DAD-MS und HPLC-MS/MS) angewandt, um WSOCs zu analysieren, die für verschiedene Aerosolquellen und -prozesse charakteristisch sind. Niedermolekulare Carbonsäuren und Nitrophenole wurden als Indikatoren für die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Entstehung sowie Alterung sekundärer organischer Aerosole (SOA) aus biogenen Vorläufern untersucht. Protein-Makromoleküle wurden mit Blick auf den Einfluss von Luftverschmutzung und Nitrierungsreaktionen auf die Allergenität primärer biologischer Aerosolpartikel – wie Pollen und Pilzsporen – untersucht.rnFilterproben von Grob- und Feinstaubwurden über ein Jahr hinweg gesammelt und auf folgende WSOCs untersucht: die Pinen-Oxidationsprodukte Pinsäure, Pinonsäure und 3-Methyl-1,2,3-Butantricarbonsäure (3-MBTCA) sowie eine Vielzahl anderer Dicarbonsäuren und Nitrophenole. Saisonale Schwankungen und andere charakteristische Merkmale werden mit Blick auf Aerosolquellen und -senken im Vergleich zu Daten anderen Studien und Regionen diskutiert. Die Verhätlnisse von Adipinsäure und Phthalsäure zu Azelainsäure deuten darauf hin, dass die untersuchten Aerosolproben hauptsächlich durch biogene Quellen beeinflusst werden. Eine ausgeprägte Arrhenius-artige Korrelation wurde zwischen der 3-MBTCA-¬Konzentration und der inversen Temperatur beobachtet (R2 = 0.79, Ea = 126±10 kJ mol-1, Temperaturbereich 275–300 K). Modellrechnungen zeigen, dass die Temperaturabhängigkeit auf eine Steigerung der photochemischen Produktionsraten von 3-MBTCA durch erhöhte OH-Radikal-Konzentrationen bei erhöhten Temperaturen zurückgeführt werden kann. Im Vergleich zur chemischen Reaktionskinetik scheint der Einfluss von Gas-Partikel-Partitionierungseffekten nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Die Ergebnisse zeigen, dass die OH-initiierte Oxidation von Pinosäure der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Bildung von 3-MBTCA ist. 3-MBTCA erscheint somit als Indikator für die chemische Alterung von biogener sekundärer organischer Aerosole (SOA) durch OH-Radikale geeignet. Eine Arrhenius-artige Temperaturabhängigkeit wurde auch für Pinäure beobachtet und kann durch die Temperaturabhängigkeit der biogenen Pinen-Emissionen als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Pinsäure-Bildung erklärt werden (R2 = 0.60, Ea = 84±9 kJ mol-1).rn rnFür die Untersuchung von Proteinnitrierungreaktionen wurde nitrierte Protein¬standards durch Flüssigphasenreaktion von Rinderserumalbumin (BSA) und Ovalbumin (OVA) mit Tetranitromethan (TNM) synthetisiert.Proteinnitrierung erfolgt vorrangig an den Resten der aromatischen Aminosäure Tyrosin auf, und mittels UV-Vis-Photometrie wurde der Proteinnnitrierungsgrad (ND) bestimmt. Dieser ist definiert als Verhältnis der mittleren Anzahl von Nitrotyrosinresten zur Tyrosinrest-Gesamtzahl in den Proteinmolekülen. BSA und OVA zeigten verschiedene Relationen zwischen ND und TNM/Tyrosin-Verhältnis im Reaktionsgemisch, was vermutlich auf Unterschiede in den Löslichkeiten und den molekularen Strukturen der beiden Proteine zurück zu führen ist.rnDie Nitrierung von BSA und OVA durch Exposition mit einem Gasgemisch aus Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) wurde mit einer neu entwickelten HPLC-DAD-¬Analysemethode untersucht. Diese einfache und robuste Methode erlaubt die Bestimmung des ND ohne Hydrolyse oder Verdau der untersuchten Proteine und ernöglicht somit eine effiziente Untersuchung der Kinetik von Protein¬nitrierungs-Reaktionen. Für eine detaillierte Produktstudien wurden die nitrierten Proteine enzymatisch verdaut, und die erhaltenen Oligopeptide wurden mittels HPLC-MS/MS und Datenbankabgleich mit hoher Sequenzübereinstimmung analysiert. Die Nitrierungsgrade individueller Nitrotyrosin-Reste (NDY) korrelierten gut mit dem Gesamt-Proteinnitrierungsgrad (ND), und unterschiedliche Verhältnisse von NDY zu ND geben Aufschluss über die Regioselektivität der Reaktion. Die Nitrierungmuster von BSA und OVA nach Beahndlung mit TNM deuten darauf hin, dass die Nachbarschaft eines negativ geladenen Aminosäurerestes die Tyrosinnitrierung fördert. Die Behandlung von BSA durch NO2 und O3 führte zu anderend Nitrierungemustern als die Behandlung mit TNM, was darauf hindeutet, dass die Regioselektivität der Nitrierung vom Nitrierungsmittel abhängt. Es zeigt sich jedoch, dass Tyrosinreste in Loop-Strukturen bevorzugt und unabhängig vom Reagens nitriert werden.Die Methoden und Ergebnisse dieser Studie bilden eine Grundlage für weitere, detaillierte Untersuchungen der Reaktionskinetik sowie der Produkte und Mechanismen von Proteinnitrierungreaktionen. Sie sollen helfen, die Zusammenhänge zwischen verkehrsbedingten Luftschadstoffen wie Stickoxiden und Ozon und der Allergenität von Luftstaub aufzuklären.rn

Measurement and modeling of cloud condensation nuclei in continental air

Atmospheric aerosol particles serving as cloud condensation nuclei (CCN) are key elements of the hydrological cycle and climate. Knowledge of the spatial and temporal distribution of CCN in the atmosphere is essential to understand and describe the effects of aerosols in meteorological models. In this study, CCN properties were measured in polluted and pristine air of different continental regions, and the results were parameterized for efficient prediction of CCN concentrations.The continuous-flow CCN counter used for size-resolved measurements of CCN efficiency spectra (activation curves) was calibrated with ammonium sulfate and sodium chloride aerosols for a wide range of water vapor supersaturations (S=0.068% to 1.27%). A comprehensive uncertainty analysis showed that the instrument calibration depends strongly on the applied particle generation techniques, Köhler model calculations, and water activity parameterizations (relative deviations in S up to 25%). Laboratory experiments and a comparison with other CCN instruments confirmed the high accuracy and precision of the calibration and measurement procedures developed and applied in this study.The mean CCN number concentrations (NCCN,S) observed in polluted mega-city air and biomass burning smoke (Beijing and Pearl River Delta, China) ranged from 1000 cm−3 at S=0.068% to 16 000 cm−3 at S=1.27%, which is about two orders of magnitude higher than in pristine air at remote continental sites (Swiss Alps, Amazonian rainforest). Effective average hygroscopicity parameters, κ, describing the influence of chemical composition on the CCN activity of aerosol particles were derived from the measurement data. They varied in the range of 0.3±0.2, were size-dependent, and could be parameterized as a function of organic and inorganic aerosol mass fraction. At low S (≤0.27%), substantial portions of externally mixed CCN-inactive particles with much lower hygroscopicity were observed in polluted air (fresh soot particles with κ≈0.01). Thus, the aerosol particle mixing state needs to be known for highly accurate predictions of NCCN,S. Nevertheless, the observed CCN number concentrations could be efficiently approximated using measured aerosol particle number size distributions and a simple κ-Köhler model with a single proxy for the effective average particle hygroscopicity. The relative deviations between observations and model predictions were on average less than 20% when a constant average value of κ=0.3 was used in conjunction with variable size distribution data. With a constant average size distribution, however, the deviations increased up to 100% and more. The measurement and model results demonstrate that the aerosol particle number and size are the major predictors for the variability of the CCN concentration in continental boundary layer air, followed by particle composition and hygroscopicity as relatively minor modulators. Depending on the required and applicable level of detail, the measurement results and parameterizations presented in this study can be directly implemented in detailed process models as well as in large-scale atmospheric and climate models for efficient description of the CCN activity of atmospheric aerosols.