Disjunct eddy covariance measurements of volatile organic compound fluxes using proton transfer reaction mass spectrometry

Volatile organic compounds (VOCs) are emitted into the atmosphere from natural and anthropogenic sources, vegetation being the dominant source on a global scale. Some of these reactive compounds are deemed major contributors or inhibitors to aerosol particle formation and growth, thus making VOC measurements essential for current climate change research. This thesis discusses ecosystem scale VOC fluxes measured above a boreal Scots pine dominated forest in southern Finland. The flux measurements were performed using the micrometeorological disjunct eddy covariance (DEC) method combined with proton transfer reaction mass spectrometry (PTR-MS), which is an online technique for measuring VOC concentrations. The measurement, calibration, and calculation procedures developed in this work proved to be well suited to long-term VOC concentration and flux measurements with PTR-MS. A new averaging approach based on running averaged covariance functions improved the determination of the lag time between wind and concentration measurements, which is a common challenge in DEC when measuring fluxes near the detection limit. The ecosystem scale emissions of methanol, acetaldehyde, and acetone were substantial. These three oxygenated VOCs made up about half of the total emissions, with the rest comprised of monoterpenes. Contrary to the traditional assumption that monoterpene emissions from Scots pine originate mainly as evaporation from specialized storage pools, the DEC measurements indicated a significant contribution from de novo biosynthesis to the ecosystem scale monoterpene emissions. This thesis offers practical guidelines for long-term DEC measurements with PTR-MS. In particular, the new averaging approach to the lag time determination seems useful in the automation of DEC flux calculations. Seasonal variation in the monoterpene biosynthesis and the detailed structure of a revised hybrid algorithm, describing both de novo and pool emissions, should be determined in further studies to improve biological realism in the modelling of monoterpene emissions from Scots pine forests. The increasing number of DEC measurements of oxygenated VOCs will probably enable better estimates of the role of these compounds in plant physiology and tropospheric chemistry. Keywords: disjunct eddy covariance, lag time determination, long-term flux measurements, proton transfer reaction mass spectrometry, Scots pine forests, volatile organic compounds

Modeling of solar radiation management: a comparison of simulations using reduced solar constant and stratospheric sulphate aerosols

The climatic effects of Solar Radiation Management (SRM) geoengineering have been often modeled by simply reducing the solar constant. This is most likely valid only for space sunshades and not for atmosphere and surface based SRM methods. In this study, a global climate model is used to evaluate the differences in the climate response to SRM by uniform solar constant reduction and stratospheric aerosols. Our analysis shows that when global mean warming from a doubling of CO2 is nearly cancelled by both these methods, they are similar when important surface and tropospheric climate variables are considered. However, a difference of 1 K in the global mean stratospheric (61-9.8 hPa) temperature is simulated between the two SRM methods. Further, while the global mean surface diffuse radiation increases by similar to 23 % and direct radiation decreases by about 9 % in the case of sulphate aerosol SRM method, both direct and diffuse radiation decrease by similar fractional amounts (similar to 1.0 %) when solar constant is reduced. When CO2 fertilization effects from elevated CO2 concentration levels are removed, the contribution from shaded leaves to gross primary productivity (GPP) increases by 1.8 % in aerosol SRM because of increased diffuse light. However, this increase is almost offset by a 15.2 % decline in sunlit contribution due to reduced direct light. Overall both the SRM simulations show similar decrease in GPP (similar to 8 %) and net primary productivity (similar to 3 %). Based on our results we conclude that the climate states produced by a reduction in solar constant and addition of aerosols into the stratosphere can be considered almost similar except for two important aspects: stratospheric temperature change and the consequent implications for the dynamics and the chemistry of the stratosphere and the partitioning of direct versus diffuse radiation reaching the surface. Further, the likely dependence of global hydrological cycle response on aerosol particle size and the latitudinal and height distribution of aerosols is discussed.

激光尘埃粒子计数器微型光学传感器的研究

研制成功便携式激光尘埃粒子计数器的核心部件——微型光学传感器。该传感器采用直角散射光收集形式。以高功率半导体激光器作为光源，同时采用高性能的PIN型光电二极管作为光电探测器。散射光收集系统为单一大数值孔径的球面反射镜，其对粒子散射光的收集角范围从20°到160°。粒子散射光信号是脉冲信号，其频谱成份主要在高频段，所以在PIN型光电二极管后用一个带通式前置放大器来消除外界的低频噪声．根据米氏散射理论计算了该光学传感器的光散射响应特性，并用聚苯乙烯标准粒子实测了该光学传感器的性能。结果表明，该系统具有高的信噪

Results from the CERN pilot CLOUD experiment

During a 4-week run in October–November 2006, a pilot experiment was performed at the CERN Proton Synchrotron in preparation for the Cosmics Leaving OUtdoor Droplets (CLOUD) experiment, whose aim is to study the possible influence of cosmic rays on clouds. The purpose of the pilot experiment was firstly to carry out exploratory measurements of the effect of ionising particle radiation on aerosol formation from trace H2SO4 vapour and secondly to provide technical input for the CLOUD design. A total of 44 nucleation bursts were produced and recorded, with formation rates of particles above the 3 nm detection threshold of between 0.1 and 100 cm−3 s−1, and growth rates between 2 and 37 nm h−1. The corresponding H2SO4 concentrations were typically around 106 cm−3 or less. The experimentally-measured formation rates and H2SO4 concentrations are comparable to those found in the atmosphere, supporting the idea that sulphuric acid is involved in the nucleation of atmospheric aerosols. However, sulphuric acid alone is not able to explain the observed rapid growth rates, which suggests the presence of additional trace vapours in the aerosol chamber, whose identity is unknown. By analysing the charged fraction, a few of the aerosol bursts appear to have a contribution from ion-induced nucleation and ion-ion recombination to form neutral clusters. Some indications were also found for the accelerator beam timing and intensity to influence the aerosol particle formation rate at the highest experimental SO2 concentrations of 6 ppb, although none was found at lower concentrations. Overall, the exploratory measurements provide suggestive evidence for ion-induced nucleation or ion-ion recombination as sources of aerosol particles. However in order to quantify the conditions under which ion processes become significant, improvements are needed in controlling the experimental variables and in the reproducibility of the experiments. Finally, concerning technical aspects, the most important lessons for the CLOUD design include the stringent requirement of internal cleanliness of the aerosol chamber, as well as maintenance of extremely stable temperatures (variations below 0.1 _C).

Atmospheric chemistry and physics in the atmosphere of a developed megacity (London): an overview of the REPARTEE experiment and its conclusions

The REgents PARk and Tower Environmental Experiment (REPARTEE) comprised two campaigns in London in October 2006 and October/November 2007. The experiment design involved measurements at a heavily trafficked roadside site, two urban background sites and an elevated site at 160–190 m above ground on the BT Tower, supplemented in the second campaign by Doppler lidar measurements of atmospheric vertical structure. A wide range of measurements of airborne particle physical metrics and chemical composition were made as well as measurements of a considerable range of gas phase species and the fluxes of both particulate and gas phase substances. Significant findings include (a) demonstration of the evaporation of traffic-generated nanoparticles during both horizontal and vertical atmospheric transport; (b) generation of a large base of information on the fluxes of nanoparticles, accumulation mode particles and specific chemical components of the aerosol and a range of gas phase species, as well as the elucidation of key processes and comparison with emissions inventories; (c) quantification of vertical gradients in selected aerosol and trace gas species which has demonstrated the important role of regional transport in influencing concentrations of sulphate, nitrate and secondary organic compounds within the atmosphere of London; (d) generation of new data on the atmospheric structure and turbulence above London, including the estimation of mixed layer depths; (e) provision of new data on trace gas dispersion in the urban atmosphere through the release of purposeful tracers; (f) the determination of spatial differences in aerosol particle size distributions and their interpretation in terms of sources and physico-chemical transformations; (g) studies of the nocturnal oxidation of nitrogen oxides and of the diurnal behaviour of nitrate aerosol in the urban atmosphere, and (h) new information on the chemical composition and source apportionment of particulate matter size fractions in the atmosphere of London derived both from bulk chemical analysis and aerosol mass spectrometry with two instrument types.

Carbon monoxide and related trace gases and aerosols over the Amazon Basin during the wet and dry seasons

We present the results of airborne measurements of carbon monoxide (CO) and aerosol particle number concentration (CN) made during the Balan double dagger o Atmosf,rico Regional de Carbono na Amazonia (BARCA) program. The primary goal of BARCA is to address the question of basin-scale sources and sinks of CO2 and other atmospheric carbon species, a central issue of the Large-scale Biosphere-Atmosphere (LBA) program. The experiment consisted of two aircraft campaigns during November-December 2008 (BARCA-A) and May-June 2009 (BARCA-B), which covered the altitude range from the surface up to about 4500 m, and spanned most of the Amazon Basin. Based on meteorological analysis and measurements of the tracer, SF6, we found that airmasses over the Amazon Basin during the late dry season (BARCA-A, November 2008) originated predominantly from the Southern Hemisphere, while during the late wet season (BARCA-B, May 2009) low-level airmasses were dominated by northern-hemispheric inflow and mid-tropospheric airmasses were of mixed origin. In BARCA-A we found strong influence of biomass burning emissions on the composition of the atmosphere over much of the Amazon Basin, with CO enhancements up to 300 ppb and CN concentrations approaching 10 000 cm(-3); the highest values were in the southern part of the Basin at altitudes of 1-3 km. The Delta CN/Delta CO ratios were diagnostic for biomass burning emissions, and were lower in aged than in fresh smoke. Fresh emissions indicated CO/CO2 and CN/CO emission ratios in good agreement with previous work, but our results also highlight the need to consider the residual smoldering combustion that takes place after the active flaming phase of deforestation fires. During the late wet season, in contrast, there was little evidence for a significant presence of biomass smoke. Low CN concentrations (300-500 cm(-3)) prevailed basinwide, and CO mixing ratios were enhanced by only similar to 10 ppb above the mixing line between Northern and Southern Hemisphere air. There was no detectable trend in CO with distance from the coast, but there was a small enhancement of CO in the boundary layer suggesting diffuse biogenic sources from photochemical degradation of biogenic volatile organic compounds or direct biological emission. Simulations of CO distributions during BARCA-A using a range of models yielded general agreement in spatial distribution and confirm the important contribution from biomass burning emissions, but the models evidence some systematic quantitative differences compared to observed CO concentrations. These mismatches appear to be related to problems with the accuracy of the global background fields, the role of vertical transport and biomass smoke injection height, the choice of model resolution, and reliability and temporal resolution of the emissions data base.

Numerical investigations on atmosphere-biosphere interactions

Der Austausch von Spurengasen und Aerosolpartikeln zwischenAtmosphäre und Biosphäre spielt eine wichtige Rolle in derAtmosphärenphysik und -chemie. Wälder repräsentieren sowohleine signifikante Senke als auch Quelle für Spurengase undPartikel und tragen somit maßgeblich zu derenatmosphärischem Budget bei. Strahlungsnebel beeinflußt durchAufnahme, Entfernen und Prozessieren von Aerosolpartikelnund löslichen Spurengasen deren Konzentrationen in derGasphase. In dieser Arbeit wird erstmalig ein Modell präsentiert,welches die Simulation des Austausches zwischen Atmosphäreund Biosphäre unter Berücksichtigung der dynamischenWechselwirkung zwischen Strahlungsnebel, Blattflächenwasserund Mehrphasenchemie ermöglicht. Numerische Fallstudien mitfolgenden Schwerpunkten werden präsentiert: - Einfluß von Vegetation und Blattflächenwasser auf diezeitlichen und räumlichen Schwankungen derGrößenabhängigkeit der Flüssigphasenkonzentrationen inNebeltropfen, - Einfluß von Blattflächenwasser auf dieTrockendepositionsflüsse von Ammoniak im Wald - Simulationenwurden mit einem neuen dynamischen Depositionsmodelldurchgeführt und mit dem Widerstandsansatz verglichen -, - Einfluß von physikalischen und chemischen Prozessen aufdie Reduktion von NO- und Isoprenemissionen aus demWaldbestand verglichen mit den primären Emissionen.

Flugzeuggestützte Messungen des atmosphärischen Aerosols

Flugzeuggestützte Messungen des atmosphärischen Aerosols: Saharastaub, stratosphärisches Hintergrundaerosol und nichtsichtbare Wolken in den Tropen Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden flugzeuggestütze Messungen des atmosphärischen Aerosols durchgeführt. Das hierfür eingesetzten Meßinstrument (FSSP-300) mißt die Intensität des von einzelnen Aerosolpartikeln in Vorwärtsrichtung gestreuten Lichts. Der Meßbereich umfaßt Partikeldurchmesser von ca. 0,4 µm bis 20 µm. Das FSSP-300 wurde auf mehreren Flugzeugen eingesetzt, u. a. auch erstmals auf dem russischen Höhenforschungsflugzeug Geophysika. Bei der Meßkampagen ACE-2 wurden im Juli 1997 von Teneriffa aus zwei Schichten windgetragenen Sahara-Staubes beobachtet. Die tiefere Schicht reichte bis in 1500 m Höhe, die höhere Schicht bis in 6000 m bei einer Schichtdicke von über 3000 m. In einer Analyse der Wetterlage und von Rückwärtstrajektorien wird der Ursprung des Staubes dargestellt. Die mit dem FSSP-300 gemessenen Größenverteilungen werden durch Messungen anderer Partikel-Meßinstrumente ergänzt und mit Literaturdaten verglichen. Im Rahmen der Untersuchung des stratosphärischen Aerosols wurden Messungen aus zwei Perioden ohne vulkanischen Einfluß und aus der Zeit nach dem Ausbruch des Vulkans Pinatubo verglichen. Die beiden Perioden reinen Hintergrundaerosols lagen mit über fünf Jahren eine vergleichbare Zeitspanne nach großen Vulkanausbrüchen. Die Analyse der Aerosolmessungen umfaßt den zeitlichen Verlauf der Gesamtkonzentration als auch den Vergleich von Größenverteilungen aus den verschiedenen Perioden. Bei den Flügen über dem Indischen Ozean während der Meßkampagne APE-THESEO auf den Seychellen wurden verschiedene Schichten von Cirren im Bereich des Ausläufers eines Cumulonimbus und direkt an der Tropopause beobachtet. Letztere und auch einige Bereiche der ersteren waren nichtsichtbar, d. h. hatten eine optische Dicke von weniger als 0,03 im sichtbaren Licht. Die Partikelmessungen werden auch im Kontext der Ergebnisse anderer Meßinstrumente und einer meteorologischen Analyse der Wettersituation betrachtet. Die gemessenen Größenverteilungen sind eine wichtige Ergänzung der wenigen früheren Veröffentlichungen zu diesem Thema.

Entwicklung, Aufbau und Messungen eines schnellen Eiskeimzählers

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer Eiskeimzähler FINCH (Fast Ice Nucleus CHamber) entwickelt und erste Messungen von verschiedenen Testaerosolen im Labor und atmosphärischem Aerosol durchgeführt. Die Aerosolpartikel bzw. Ice Nuclei IN werden bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt und Übersättigungen in Bezug auf Eis zum Anwachsen zu Eiskristallen gebracht, um sie mittels optischer Detektion zu erfassen. In FINCH ist dies durch das Prinzip der Mischung realisiert, wodurch eine kontinuierliche Messung der IN-Anzahlkonzentration gewährleistet ist. Hierbei kann mit sehr hohen Sammelflussraten von bis zu 10 l/min gemessen werden. Ebenso ist ein schnelles Abfahren von verschiedenen Sättigungsverhältnissen in Bezug auf Eis in einem weiten Bereich von 0.9 - 1.7 bei konstanten Temperaturen bis zu −23 °C möglich. Die Detektion der Eiskristalle und damit der Bestimmung der IN-Anzahlkonzentration erfolgt über einen neu entwickelten optischen Sensor basierend auf der unterschiedlichen Depolarisation des zurückgestreuten Lichtes von Eiskristallen und unterkühlten Tropfen. In Labermessungen wurden Aktivierungstemperatur und -sättigungsverhältnis von Silberjodid AgI und Kaolinit vermessen. Die Resultate zeigten gute Übereinstimmungen mit Ergebnissen aus der Literatur sowie Parallelmessungen mit FRIDGE (FRankfurt Ice Deposition freezinG Experiment). FRIDGE ist eine statische Diffusionskammer zur Aktivierung und Auszählung von Eiskeimen, die auf einem Filter gesammelt wurden. Bei atmosphärischen Messungen auf dem Jungfraujoch(Schweiz) lagen die IN-Anzahlkonzentrationen mit bis zu 4 l−1 im Rahmen der aus der Literatur bekannten Werte. Messungen der Eiskristallresiduen von Mischwolken zeigten hingegen, dass nur jedes tausendste als Eiskeim im Depositionsmode aktiv ist. Hier scheinen andere Gefrierprozesse und sekundäre Eiskristallbildung von sehr großer Bedeutung für die Anzahlkonzentration der Eiskristallresiduen zu sein. Eine weitere Messung von atmosphärischem Aerosol in Frankfurt zeigte IN-Anzahlkonzentrationen bis zu 30 l−1 bei Aktivierungstemperaturen um −14 °C. Die parallele Probenahme auf Siliziumplättchen für die Messungen der IN-Anzahlkonzentration in FRIDGE ergaben Werte im gleichen Anzahlkonzentrationsbereich.

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.

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.

Stationary in-situ measurements of aerosols, gaseous pollutants and meteorology : chemical and physical characterization of natural and anthropogenic sources

Natural and anthropogenic emissions of gaseous and particulate matter affect the chemical composition of the atmosphere, impact visibility, air quality, clouds and climate. Concerning climate, a comprehensive characterization of the emergence, composition and transformation of aerosol particles is relevant as their influence on the radiation budget is still rarely understood. Regarding air quality and therefore human health, the formation of atmospheric aerosol particles is of particular importance as freshly formed, small particles penetrate into the human alveolar region and can deposit. Additionally, due to the long residence times of aerosol particles in the atmosphere it is crucial to examine their chemical and physical characteristics.This cumulative dissertation deals with stationary measurements of particles, trace gases and meteorological parameters during the DOMINO (Diel Oxidant Mechanism In relation to Nitrogen Oxide) campaign at the southwest coast of Spain in November/December 2008 and the ship emission campaign on the banks of the Elbe in Freiburg/Elbe in April 2011. Measurements were performed using the Mobile research Laboratory “MoLa” which is equipped with state-of-the-art aerosol particle and trace gas instruments as well as a meteorological station.

Untersuchungen von Aerosolpartikeln und Wolkenresidualpartikeln mittels Einzelpartikel-Massenspektrometrie und optischen Methoden

Atmosphärische Partikel beeinflussen das Klima durch Prozesse wie Streuung, Reflexion und Absorption. Zusätzlich fungiert ein Teil der Aerosolpartikel als Wolkenkondensationskeime (CCN), die sich auf die optischen Eigenschaften sowie die Rückstreukraft der Wolken und folglich den Strahlungshaushalt auswirken. Ob ein Aerosolpartikel Eigenschaften eines Wolkenkondensationskeims aufweist, ist vor allem von der Partikelgröße sowie der chemischen Zusammensetzung abhängig. Daher wurde die Methode der Einzelpartikel-Laserablations-Massenspektrometrie angewandt, die eine größenaufgelöste chemische Analyse von Einzelpartikeln erlaubt und zum Verständnis der ablaufenden multiphasenchemischen Prozesse innerhalb der Wolke beitragen soll.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde zur Charakterisierung von atmosphärischem Aerosol sowie von Wolkenresidualpartikel das Einzelpartikel-Massenspektrometer ALABAMA (Aircraft-based Laser Ablation Aerosol Mass Spectrometer) verwendet. Zusätzlich wurde zur Analyse der Partikelgröße sowie der Anzahlkonzentration ein optischer Partikelzähler betrieben. rnZur Bestimmung einer geeigneten Auswertemethode, die die Einzelpartikelmassenspektren automatisch in Gruppen ähnlich aussehender Spektren sortieren soll, wurden die beiden Algorithmen k-means und fuzzy c-means auf ihrer Richtigkeit überprüft. Es stellte sich heraus, dass beide Algorithmen keine fehlerfreien Ergebnisse lieferten, was u.a. von den Startbedingungen abhängig ist. Der fuzzy c-means lieferte jedoch zuverlässigere Ergebnisse. Darüber hinaus wurden die Massenspektren anhand auftretender charakteristischer chemischer Merkmale (Nitrat, Sulfat, Metalle) analysiert.rnIm Herbst 2010 fand die Feldkampagne HCCT (Hill Cap Cloud Thuringia) im Thüringer Wald statt, bei der die Veränderung von Aerosolpartikeln beim Passieren einer orographischen Wolke sowie ablaufende Prozesse innerhalb der Wolke untersucht wurden. Ein Vergleich der chemischen Zusammensetzung von Hintergrundaerosol und Wolkenresidualpartikeln zeigte, dass die relativen Anteile von Massenspektren der Partikeltypen Ruß und Amine für Wolkenresidualpartikel erhöht waren. Dies lässt sich durch eine gute CCN-Aktivität der intern gemischten Rußpartikel mit Nitrat und Sulfat bzw. auf einen begünstigten Übergang der Aminverbindungen aus der Gas- in die Partikelphase bei hohen relativen Luftfeuchten und tiefen Temperaturen erklären. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass bereits mehr als 99% der Partikel des Hintergrundaerosols intern mit Nitrat und/oder Sulfat gemischt waren. Eine detaillierte Analyse des Mischungszustands der Aerosolpartikel zeigte, dass sich sowohl der Nitratgehalt als auch der Sulfatgehalt der Partikel beim Passieren der Wolke erhöhte. rn

Polychlorinated Biphenyls in Glaciers. 2. Model Results of Deposition and Incorporation Processes

In previous work, Alpine glaciers have been identified as a secondary source of persistent organic pollutants (POPs). However, detailed understanding of the processes organic chemicals undergo in a glacial system was missing. Here, we present results from a chemical fate model describing deposition and incorporation of polychlorinated biphenyls (PCBs) into an Alpine glacier (Fiescherhorn, Switzerland) and an Arctic glacier (Lomonosovfonna, Norway). To understand PCB fate and dynamics, we investigate the interaction of deposition, sorption to ice and particles in the atmosphere and within the glacier, revolatilization, diffusion and degradation, and discuss the effects of these processes on the fate of individual PCB congeners. The model is able to reproduce measured absolute concentrations in the two glaciers for most PCB congeners. While the model generally predicts concentration profiles peaking in the 1970s, in the measurements, this behavior can only be seen for higher-chlorinated PCB congeners on Fiescherhorn glacier. We suspect seasonal melt processes are disturbing the concentration profiles of the lower-chlorinated PCB congeners. While a lower-chlorinated PCB congener is mainly deposited by dry deposition and almost completely revolatilized after deposition, a higher-chlorinated PCB congener is predominantly transferred to the glacier surface by wet deposition and then is incorporated into the glacier ice. The incorporated amounts of PCBs are higher on the Alpine glacier than on the Arctic glacier due to the higher precipitation rate and aerosol particle concentration on the former. Future studies should include the effects of seasonal melt processes, calculate the quantities of PCBs incorporated into the entire glacier surface, and estimate the quantity of chemicals released from glaciers to determine the importance of glaciers as a secondary source of organic chemicals to remote aquatic ecosystems.

[Pilot Project: Improved Lung Deposition via a New Nasal Inhalation Procedure].

INTRODUCTION Inhaled drugs can only be effective if they reach the middle and small airways. This study introduces a system that combines a trans-nasal application of aerosols with noninvasive pressure support ventilation. METHODS In a pilot study, 7 COPD patients with GOLD stages II and III inhaled a radiolabeled marker dissolved in water via a trans-nasal route. The mean aerosol particle size was 5.5 µm. Each patient took part in two inhalation sessions that included two application methods and were at least 70 hours apart. During the first session ("passive method"), the patient inhaled the aerosol through an open tube system. The second session ("active method") included pressure support ventilation during the inhalation process. A gamma camera and planar scintigraphy was used to determine the distribution of aerosol particles in the patient's body and lung. RESULTS The pressure supported inhalation ("active method") results in an increased aerosol lung deposition compared to the passive method. Above all, we could demonstrate deposition in the lung periphery with relatively large aerosol particles (5.5 µm). DISCUSSION The results prove that the combination of trans-nasal inhalation with noninvasive pressure support ventilation leads to significantly increased particle deposition in the lung.