Einzelpartikel- und Ensemblemessungen mit dem Aerosolmassenspektrometer (AMS): Untersuchungen zu Quellen und chemischer Prozessierung von Aerosolpartikeln im Submikrometerbereich

Atmosphärische Aerosolpartikel haben einen Einfluss sowohl auf das Klima als auch auf die menschliche Gesundheit, wobei sowohl die Größe, als auch die chemische Zusammensetzung der Partikel maßgeblich sind. Um insbesondere die chemische Zusammensetzung der Partikel in Abhängigkeit ihrer Quellen besser zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit massenspektrometrische Untersuchungen thermisch verdampfbarer Partikel im Submikrometerbereich durchgeführt. Hierzu wurden sowohl die Massenspektren einzelner Partikel, als auch die von Ensembles von Partikeln mit dem Aerodyne Aerosolmassenspektrometer (AMS) in mehreren Feldmesskampagnen untersucht. Für die Messung von Einzelpartikelmassenspektren wurde das AMS zunächst durch den Einbau eines optischen Partikeldetektors (light scattering probe) modifiziert und anschließend eingehend charakterisiert. Dabei wurde festgestellt, dass mit dem Gerät im Partikelgrößenbereich von etwa 400-750 nm (untere Grenze bedingt durch die Detektionseffizienz des optischen Detektors, obere Grenze durch die Transmissionseffizienz des Aerosoleinlasssystems) quantitative Einzelpartikelmessungen möglich sind. Zudem wurde die Analyse der erhaltenen Messdaten systematisiert, und durch Einsatz von Standardspektren ein Sortieralgorithmus für die Einzelpartikelmassenspektren entwickelt, der erfolgreich auf Daten von Feldmesskampagnen angewandt werden konnte. Mit diesem Sortieralgorithmus sind zudem quantitative Aussagen über die verschiedenen Partikelbestandteile möglich. Im Sommer 2009 und im Winter 2010 fanden im Großraum Paris zwei einmonatige Feldmesskampagnen statt, bei denen unter anderem der Einfluss der Abluftfahne der Megastadt auf seine Vororte untersucht wurde. Erhöhte Konzentrationen sekundär gebildeter Aerosolkomponenten (Nitrat, Sulfat, oxidiertes organisches Aerosol (OOA)) waren insbesondere beim Herantransport kontinentaler Luftmassen zu beobachten. Im Gegensatz dazu waren die beobachteten Konzentrationen der Tracer primärer Emissionen NOx, BC (black carbon) und HOA (hydrocarbonlike organic aerosol) neben der lokalen Quellstärke insbesondere durch die herrschende Windgeschwindigkeit beeinflusst. Aus dem Vergleich der Messungen an drei Stationen konnte der Einfluss der Megastadt Paris auf seine Vororte (unter Annahme gleicher lokaler Emissionen an den zwei Vorort-Stationen) zu 0,1-0,7 µg m-3 BC, 0,3-1,1 µg m-3 HOA, und 3-5 ppb NOx abgeschätzt werden. Zudem konnten für zwei Stationen aus den Ensemble- bzw. den Einzelpartikelmessungen unabhängig voneinander zwei verschiedene HOA-Typen unterschieden werden, die den Quellen „Kochen“ und „Autoabgase“ zugeordnet wurden. Der Anteil der Partikel aus den Quellen „Kochen“ bzw. „Autoabgase“ am Gesamt-HOA betrug 65,5 % und 34,5 % für die Ensemblemessungen in der Innenstadt (nahe vieler Restaurants), und für die Einzelpartikelmessungen in einem Vorort 59 % bzw. 41 % (bezogen auf die Partikelanzahl, welche hier der Masse etwa proportional ist). Die Analyse der Einzelpartikelmassenspektren erbrachte zudem neue Erkenntnisse über den Mischungszustand der Einzelpartikel. So konnte belegt werden, dass Nitrat, Sulfat und OOA intern gemischt sind, HOA-Partikel aber als externe Mischung mit diesen vorliegen. Zudem konnte anhand der Tagesgänge der Masse pro Partikel von OOA, Nitrat und Sulfat und der Anzahl der diese Substanzen enthaltenden Partikel gezeigt werden, dass der im Ensemblemodus beobachtete fehlende Tagesgang der Sulfat-Massenkonzentration wahrscheinlich durch die gegensätzlichen Effekte der Modulation der Partikelanzahlkonzentration durch die sich verändernde Mischungsschichthöhe und der variierenden Masse an Sulfat pro Partikel (mittägliche photochemische Neuproduktion und Kondensation auf existierende Partikel) erklärt werden kann. Für OOA ist eine ähnliche Erklärung des Ensemblemodus-Tagesganges jedoch nur teilweise möglich; weitere Arbeit ist daher nötig, um auch für diese Substanzklasse belastbare Aussagen aus dem Vergleich der Ensemble- und Einzelpartikelmessungen zu erhalten. Im Rahmen einer Labormesskampagne an der AIDA-Kammer in Karlsruhe wurden Ensemble- und Einzelpartikelmassenspektren von Bakterien aufgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass es prinzipiell möglich ist, Bakterien in Außenluft mittels Einzelpartikelmessungen nachzuweisen, jedoch wahrscheinlich nur bei sehr hohen Anzahlkonzentrationen. Der Nachweis von Bakterien und anderen primären biologischen Aerosolpartikeln mit dem AMS sollte daher in weiterführenden Experimenten noch optimiert werden.

Microscopic and spectroscopic analysis of biogenic aerosols

Aerosol particles are important actors in the Earth’s atmosphere and climate system. They scatter and absorb sunlight, serve as nuclei for water droplets and ice crystals in clouds and precipitation, and are a subject of concern for public health. Atmospheric aerosols originate from both natural and anthropogenic sources, and emissions resulting from human activities have the potential to influence the hydrological cycle and climate. An assessment of the extent and impacts of this human force requires a sound understanding of the natural aerosol background. This dissertation addresses the composition, properties, and atmospheric cycling of biogenic aerosol particles, which represent a major fraction of the natural aerosol burden. The main focal points are: (i) Studies of the autofluo-rescence of primary biological aerosol particles (PBAP) and its application in ambient measure-ments, and (ii) X-ray microscopic and spectroscopic investigations of biogenic secondary organic aerosols (SOA) from the Amazonian rainforest.rnAutofluorescence of biological material has received increasing attention in atmospheric science because it allows real-time monitoring of PBAP in ambient air, however it is associated with high uncertainty. This work aims at reducing the uncertainty through a comprehensive characterization of the autofluorescence properties of relevant biological materials. Fluorescence spectroscopy and microscopy were applied to analyze the fluorescence signatures of pure biological fluorophores, potential non-biological interferences, and various types of reference PBAP. Characteristic features and fingerprint patterns were found and provide support for the operation, interpretation, and further development of PBAP autofluorescence measurements. Online fluorescence detection and offline fluorescence microscopy were jointly applied in a comprehensive bioaerosol field measurement campaign that provided unprecedented insights into PBAP-linked biosphere-atmosphere interactions in a North-American semi-arid forest environment. Rain showers were found to trigger massive bursts of PBAP, including high concentrations of biological ice nucleators that may promote further precipitation and can be regarded as part of a bioprecipitation feedback cycle in the climate system. rnIn the pristine tropical rainforest air of the Amazon, most cloud and fog droplets form on bio-genic SOA particles, but the composition, morphology, mixing state and origin of these particles is hardly known. X-ray microscopy and spectroscopy (STXM-NEXAFS) revealed distinctly different types of secondary organic matter (carboxyl- vs. hydroxy-rich) with internal structures that indicate a strong influence of phase segregation, cloud and fog processing on SOA formation, and aging. In addition, nanometer-sized potassium-rich particles emitted by microorganisms and vegetation were found to act as seeds for the condensation of SOA. Thus, the influence of forest biota on the atmospheric abundance of cloud condensation nuclei appears to be more direct than previously assumed. Overall, the results of this dissertation suggest that biogenic aerosols, clouds and precipitation are indeed tightly coupled through a bioprecipitation cycle, and that advanced microscopic and spectroscopic techniques can provide detailed insights into these mechanisms.rn

Development and application of mass-spectrometric methods for the quantification and characterization of organic compounds in ice cores

Eisbohrkerne stellen wertvolle Klimaarchive dar, da sie atmosphärisches Aerosol konservieren. Die Analyse chemischer Verbindungen als Bestandteil atmosphärischer Aerosole in Eisbohrkernen liefert wichtige Informationen über Umweltbedingungen und Klima der Vergangenheit. Zur Untersuchung der α-Dicarbonyle Glyoxal und Methylglyoxal in Eis- und Schneeproben wurde eine neue, sensitive Methode entwickelt, die die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) mit der Hochleistungsflüssigchromatographie-Massenspektrometrie (HPLC-MS) kombiniert. Zur Analyse von Dicarbonsäuren in Eisbohrkernen wurde eine weitere Methode entwickelt, bei der die Festphasenextraktion mit starkem Anionenaustauscher zum Einsatz kommt. Die Methode erlaubt die Quantifizierung aliphatischer Dicarbonsäuren (≥ C6), einschließlich Pinsäure, sowie aromatischer Carbonsäuren (wie Phthalsäure und Vanillinsäure), wodurch die Bestimmung wichtiger Markerverbindungen für biogene und anthropogene Quellen ermöglicht wurde. Mit Hilfe der entwickelten Methoden wurde ein Eisbohrkern aus den Schweizer Alpen analysiert. Die ermittelten Konzentrationsverläufe der Analyten umfassen die Zeitspanne von 1942 bis 1993. Mittels einer Korrelations- und Hauptkomponentenanalyse konnte gezeigt werden, dass die organischen Verbindungen im Eis hauptsächlich durch Waldbrände und durch vom Menschen verursachte Schadstoffemissionen beeinflusst werden. Im Gegensatz dazu sind die Konzentrationsverläufe einiger Analyten auf den Mineralstaubtransport auf den Gletscher zurückzuführen. Zusätzlich wurde ein Screening der Eisbohrkernproben mittels ultrahochauflösender Massenspektrometrie durchgeführt. Zum ersten Mal wurden in diesem Rahmen auch Organosulfate und Nitrooxyorganosulfate in einem Eisbohrkern identifiziert.

Methodenentwicklung zur Spurenanalyse organischer Biomarker in Speläothemen und Tropfwasser mittels Flüssigchromatographie-(HR-)Massenspektrometrie

Speläotheme und Tropfwasser spielen eine wichtige Rolle bei der Erforschung von Naturerscheinungen. Während sich bisherige Studien größtenteils auf anorganische Proxies konzentrieren, wächst das Interesse an organischen Biomarkern, vor allem Lipidbiomarkern.rnAufgrund dessen wurde eine neue Methode entwickelt, um Fettsäuren mit einer geradzahligen Kettenlänge C12-C20 in Speläothem- und Tropfwasserproben zu bestimmen. Dabei kam eine Festphasenextraktion mit anschließender HPLC-MS Messung zum Einsatz. Die Methode wurde auf mehrere Proben aus der Herbstlabyrinth-Adventhöhle angewendet. Die benötigte Probenmenge wurde im Vergleich zu früheren Studien von etwa 4 L auf 60-100 mL bei Tropfwasser und von 10-100 g auf ca. 0,5-3,5 g bei Stalagmitproben reduziert. Es konnte eine interne Variation der Analyten festgestellt werden. Korrelationen der Fettsäuren ließen vermuten, dass C12-C18 von der gleichen Quelle stammen, während C20 teilweise andere Quellen besitzt. Korrelationen mit δ13C verdeutlichten, dass es einen Zusammenhang zwischen der Vegetationsdichte und dem Vorkommen der Fett-säuren in dem Probenmaterial gibt. Vergleiche mit Mg Konzentrationen zeigten, dass die Niederschlagsmenge zwar den Transport der Fettsäuren mit dem Tropfwasser beeinflusst, allerdings nicht ihre ermittelte Konzentration in Stalagmitproben. Die ermittelten Ergebnisse ließen darauf schließen, dass eindeutigere Vegetations-Proxies als die Fettsäuren gefunden werden müssen. Ein erstmaliges non-target screening verdeutlichte, dass Lignine und Tannine als charakteristische Biomarker eingesetzt werden können.rn

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

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

Bodenuntersuchungen in Trockenmaaren der Eifel – Deckschichten in einer Vulkanreliefform und deren anthropogene Überprägung

Die im Rahmen des ELSA-Projekts des Geowissenschaftlichen Instituts der Johannes Gutenberg-Universität Mainz erbohrten Kerne im Oberwinkler Maar (OW1) und im Jungferweiher Maar (JW3) wurden auf das Vorkommen des periglazialen Deckschichtensystems und dessen anthropogenen Überprägung untersucht. Es gab bis dato noch keine Unternehmungen diese Formen der Bodenbildung und -entwicklung in einem Trockenmaar zu suchen, geschweige denn zu untersuchen. rnDie Ergebnisse zeigen auf, dass sich Deckschichten auch in der Vulkanreliefform eines Trockenmaars ausbilden können und dass die Überprägung je nach Kraterform und anthropogener Flächennutzung unterschiedlich im Bodenprofil in Erscheinung tritt (Mächtigkeit von kolluvialen/alluvialen Lagen oder Anzahl der Holzkohlefunde).rnZur Untersuchung der Deckschichten und deren anthropogenen Überprägung wurden sowohl bodenkundliche Analysen als auch Literatur- und Kartenauswertungen unternommen. Als eine neue Methode zur Identifizierung von den verschiedenen Bodenhorizonten wurde die mikroskopische Analyse eingeführt. Dabei kam es hauptsächlich darauf an, die Minerale der Laacher-See-Tephra (LST) ausfindig zu machen und so die Bodenbildung und -entwicklung nicht nur zeitlich einordnen zu können, sondern auch die verschiedenen Materialeinträge (u.a. Deckschichtenmaterial) an den Profilstandort unterscheiden zu können.rnAls grundlegendes Ergebnis liefert die vorliegende Arbeit den Beweis, dass sich die periglazialen Deckschichten und deren anthropogenen Überprägung nicht nur in den typischen Zonen der deutschen Mittelgebirge ausbilden, sondern auch in der vulkanischen Reliefform eines Trockenmaars. Hinzukommt die Tatsache, dass statt den typischen vielen Geländeaufschlüssen für einen Standort – Catena – jeweils ein einzelner Bohrkern ausgereicht hat, um zu dieser genauen Erkenntnisgewinnung – maßgeblich bedingt durch die mikroskopische Analyse – zu kommen.