Chemical composition measurements of cloud condensation nuclei and ice nuclei by aerosol mass spectrometry

In this study the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (AMS) was used during three laboratory measurement campaigns, FROST1, FROST2 and ACI-03. The FROST campaigns took place at the Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (LACIS) at the IfT in Leipzig and the ACI-03 campaign was conducted at the AIDA facility at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). In all three campaigns, the effect of coatings on mineral dust ice nuclei (IN) was investigated. During the FROST campaigns, Arizona Test Dust (ATD) particles of 200, 300 and 400 nm diameter were coated with thin coatings (< 7 nm) of sulphuric acid. At these very thin coatings, the AMS was operated close to its detection limits. Up to now it was not possible to accurately determine AMS detection limits during regular measurements. Therefore, the mathematical tools to analyse the detection limits of the AMS have been improved in this work. It is now possible to calculate detection limits of the AMS under operating conditions, without losing precious time by sampling through a particle filter. The instrument was characterised in more detail to enable correct quantification of the sulphate loadings on the ATD particle surfaces. Correction factors for the instrument inlet transmission, the collection efficiency, and the relative ionisation efficiency have been determined. With these corrections it was possible to quantify the sulphate mass per particle on the ATD after the condensation of sulphuric acid on its surface. The AMS results have been combined with the ice nucleus counter results. This revealed that the IN-efficiency of ATD is reduced when it is coated with sulphuric acid. The reason for this reduction is a chemical reaction of sulphuric acid with the particle's surface. These reactions are increasingly taking place when the aerosol is humidified or heated after the coating with sulphuric acid. A detailed analysis of the solubility and the evaporation temperature of the surface reaction products revealed that most likely aluminium sulphate is produced in these reactions.

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Rapid chemical kinetic techniques for investigations of neurotransmitter receptors expressed in Xenopus oocytes

Xenopus laevis oocytes have been used extensively during the past decade to express and study neurotransmitter receptors of various origins and subunit composition and also to express and study receptors altered by site-specific mutations. Interpretations of the effects of structural differences on receptor mechanisms were, however, hampered by a lack of rapid chemical reaction techniques suitable for use with oocytes. Here we describe flow and photolysis techniques, with 2-ms and 100-μs time resolution, respectively, for studying neurotransmitter receptors in giant (≈20-μm diameter) patches of oocyte membranes, using muscle and neuronal acetylcholine receptors as examples. With these techniques, we find that the muscle receptor in BC3H1 cells and the same receptor expressed in oocytes have comparable kinetic properties. This finding is in contrast to previous studies and raises questions regarding the interpretations of the many studies of receptors expressed in oocytes in which an insufficient time resolution was available. The results obtained indicate that the rapid reaction techniques described here, in conjunction with the oocyte expression system, will be useful in answering many outstanding questions regarding the structure and function of diverse neurotransmitter receptors.

NO chemical events in the human airway during the immediate and late antigen-induced asthmatic response

A wealth of evidence supports increased NO (NO⋅) in asthma, but its roles are unknown. To investigate how NO participates in inflammatory airway events in asthma, we measured NO⋅ and NO⋅ chemical reaction products [nitrite, nitrate, S-nitrosothiols (SNO), and nitrotyrosine] before, immediately and 48 h after bronchoscopic antigen (Ag) challenge of the peripheral airways in atopic asthmatic individuals and nonatopic healthy controls. Strikingly, NO\documentclass[12pt]{minimal} \usepackage{amsmath} \usepackage{wasysym} \usepackage{amsfonts} \usepackage{amssymb} \usepackage{amsbsy} \usepackage{mathrsfs} \setlength{\oddsidemargin}{-69pt} \begin{document} \begin{equation*}{\mathrm{_{3}^{-}}}\end{equation*}\end{document} was the only NO⋅ derivative to increase during the immediate Ag-induced asthmatic response and continued to increase over 2-fold at 48 h after Ag challenge in contrast to controls [P < 0.05]. NO\documentclass[12pt]{minimal} \usepackage{amsmath} \usepackage{wasysym} \usepackage{amsfonts} \usepackage{amssymb} \usepackage{amsbsy} \usepackage{mathrsfs} \setlength{\oddsidemargin}{-69pt} \begin{document} \begin{equation*}{\mathrm{_{2}^{-}}}\end{equation*}\end{document} was not affected by Ag challenge at 10 min or 48 h after Ag challenge. Although SNO was not detectable in asthmatic airways at baseline or immediately after Ag, SNO increased during the late response to levels found in healthy controls. A model of NO⋅ dynamics derived from the current findings predicts that NO⋅ may have harmful effects through formation of peroxynitrite, but also subserves an antioxidant role by consuming reactive oxygen species during the immediate asthmatic response, whereas nitrosylation during the late asthmatic response generates SNO, safe reservoirs for removal of toxic NO⋅ derivatives.

Persistent confusion of total entropy and chemical system entropy in chemical thermodynamics.

The change in free energy with temperature at constant pressure of a chemical reaction is determined by the sum (dS) of changes in entropy of the system of reagents, dS(i), and the additional entropy change of the surroundings, dS(H), that results from the enthalpy change, W. A faulty identification of the total entropy change on reaction with dS(i) has been responsible for the attribution of general validity to the expressions (d deltaG/dT)p = -deltaS(i) and d(deltaG/T)/d(1/T)= deltaH, which are found in most textbooks and in innumerable papers.

Chemical Reactors. Problem 1: A simple ODE (chaos in the atmosphere) (2011-2012 Course)

Wording of problem 1: A simple ODE (chaos in the atmosphere).

Chemical Reactors. Problem 2: Constant pressure adiabatic stirred batch reactor with variable heat capacities (2011-2012 Course)

Wording of problem 2 (week 3, 17/10/11).

Chemical Reactors. Problem 2: Constant pressure adiabatic stirred batch reactor with variable heat capacities. Solution (2011-2012 Course)

Chemical Reaction Engineering. Course 2011-12. Solution of problem 2: constant pressure adiabatic stirred batch reactor with variable heat capacities.

Chemical Reactors. Problem 3: Isothermal plug flow reactor with multiple reactions (2011-2012 Course)

Wording of problem 3: Isothermal plug flow reactor with multiple reactions.