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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Development and application of an analytical method for the determination of total atmospheric biogenic non-methane organic carbon

Ein wesentlicher Anteil an organischem Kohlenstoff, der in der Atmosphäre vorhanden ist, wird als leichtflüchtige organische Verbindungen gefunden. Diese werden überwiegend durch die Biosphäre freigesetzt. Solche biogenen Emissionen haben einen großen Einfluss auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre, indem sie zur Bildung von bodennahem Ozon und sekundären organischen Aerosolen beitragen. Um die Bildung von bodennahem Ozon und von sekundären organischen Aerosolen besser zu verstehen, ist die technische Fähigkeit zur genauen Messung der Summe dieser flüchtigen organischen Substanzen notwendig. Häufig verwendete Methoden sind nur auf den Nachweis von spezifischen Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffverbindungen fokussiert. Die Summe dieser Einzelverbindungen könnte gegebenenfalls aber nur eine Untergrenze an atmosphärischen organischen Kohlenstoffkonzentrationen darstellen, da die verfügbaren Methoden nicht in der Lage sind, alle organischen Verbindungen in der Atmosphäre zu analysieren. Einige Studien sind bekannt, die sich mit der Gesamtkohlenstoffbestimmung von Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffverbindung in Luft beschäftigt haben, aber Messungen des gesamten organischen Nicht-Methan-Verbindungsaustauschs zwischen Vegetation und Atmosphäre fehlen. Daher untersuchten wir die Gesamtkohlenstoffbestimmung organische Nicht-Methan-Verbindungen aus biogenen Quellen. Die Bestimmung des organischen Gesamtkohlenstoffs wurde durch Sammeln und Anreichern dieser Verbindungen auf einem festen Adsorptionsmaterial realisiert. Dieser erste Schritt war notwendig, um die stabilen Gase CO, CO2 und CH4 von der organischen Kohlenstofffraktion zu trennen. Die organischen Verbindungen wurden thermisch desorbiert und zu CO2 oxidiert. Das aus der Oxidation entstandene CO2 wurde auf einer weiteren Anreicherungseinheit gesammelt und durch thermische Desorption und anschließende Detektion mit einem Infrarot-Gasanalysator analysiert. Als große Schwierigkeiten identifizierten wir (i) die Abtrennung von CO2 aus der Umgebungsluft von der organischen Kohlenstoffverbindungsfaktion während der Anreicherung sowie (ii) die Widerfindungsraten der verschiedenen Nicht-Methan-Kohlenwasserstoff-verbindungen vom Adsorptionsmaterial, (iii) die Wahl des Katalysators sowie (iiii) auftretende Interferenzen am Detektor des Gesamtkohlenstoffanalysators. Die Wahl eines Pt-Rd Drahts als Katalysator führte zu einem bedeutenden Fortschritt in Bezug auf die korrekte Ermittlung des CO2-Hintergrund-Signals. Dies war notwendig, da CO2 auch in geringen Mengen auf der Adsorptionseinheit während der Anreicherung der leichtflüchtigen organischen Substanzen gesammelt wurde. Katalytische Materialien mit hohen Oberflächen stellten sich als unbrauchbar für diese Anwendung heraus, weil trotz hoher Temperaturen eine CO2-Aufnahme und eine spätere Abgabe durch das Katalysatormaterial beobachtet werden konnte. Die Methode wurde mit verschiedenen leichtflüchtigen organischen Einzelsubstanzen sowie in zwei Pflanzenkammer-Experimenten mit einer Auswahl an VOC-Spezies getestet, die von unterschiedlichen Pflanzen emittiert wurden. Die Pflanzenkammer-messungen wurden durch GC-MS und PTR-MS Messungen begleitet. Außerdem wurden Kalibrationstests mit verschiedenen Einzelsubstanzen aus Permeations-/Diffusionsquellen durchgeführt. Der Gesamtkohlenstoffanalysator konnte den tageszeitlichen Verlauf der Pflanzenemissionen bestätigen. Allerdings konnten Abweichungen für die Mischungsverhältnisse des organischen Gesamtkohlenstoffs von bis zu 50% im Vergleich zu den begleitenden Standardmethoden beobachtet werden.

Complementary mass spectrometric techniques for the characterization of the organic fraction in atmospheric aerosols

Aerosol particles are strongly related to climate, air quality, visibility and human health issues. They contribute the largest uncertainty in the assessment of the Earth´s radiative budget, directly by scattering or absorbing solar radiation or indirectly by nucleating cloud droplets. The influence of aerosol particles on cloud related climatic effects essentially depends upon their number concentration, size and chemical composition. A major part of submicron aerosol consists of secondary organic aerosol (SOA) that is formed in the atmosphere by the oxidation of volatile organic compounds. SOA can comprise a highly diverse spectrum of compounds that undergo continuous chemical transformations in the atmosphere.rnThe aim of this work was to obtain insights into the complexity of ambient SOA by the application of advanced mass spectrometric techniques. Therefore, an atmospheric pressure chemical ionization ion trap mass spectrometer (APCI-IT-MS) was applied in the field, facilitating the measurement of ions of the intact molecular organic species. Furthermore, the high measurement frequency provided insights into SOA composition and chemical transformation processes on a high temporal resolution. Within different comprehensive field campaigns, online measurements of particular biogenic organic acids were achieved by combining an online aerosol concentrator with the APCI-IT-MS. A holistic picture of the ambient organic aerosol was obtained through the co-located application of other complementary MS techniques, such as aerosol mass spectrometry (AMS) or filter sampling for the analysis by liquid chromatography / ultrahigh resolution mass spectrometry (LC/UHRMS).rnIn particular, during a summertime field study at the pristine boreal forest station in Hyytiälä, Finland, the partitioning of organic acids between gas and particle phase was quantified, based on the online APCI-IT-MS and AMS measurements. It was found that low volatile compounds reside to a large extent in the gas phase. This observation can be interpreted as a consequence of large aerosol equilibration timescales, which build up due to the continuous production of low volatile compounds in the gas phase and/or a semi-solid phase state of the ambient aerosol. Furthermore, in-situ structural informations of particular compounds were achieved by using the MS/MS mode of the ion trap. The comparison to MS/MS spectra from laboratory generated SOA of specific monoterpene precursors indicated that laboratory SOA barely depicts the complexity of ambient SOA. Moreover, it was shown that the mass spectra of the laboratory SOA more closely resemble the ambient gas phase composition, indicating that the oxidation state of the ambient organic compounds in the particle phase is underestimated by the comparison to laboratory ozonolysis. These observations suggest that the micro-scale processes, such as the chemistry of aerosol aging or the gas-to-particle partitioning, need to be better understood in order to predict SOA concentrations more reliably.rnDuring a field study at the Mt. Kleiner Feldberg, Germany, a slightly different aerosol concentrator / APCI-IT-MS setup made the online analysis of new particle formation possible. During a particular nucleation event, the online mass spectra indicated that organic compounds of approximately 300 Da are main constituents of the bulk aerosol during ambient new particle formation. Co-located filter analysis by LC/UHRMS analysis supported these findings and furthermore allowed to determine the molecular formulas of the involved organic compounds. The unambiguous identification of several oxidized C 15 compounds indicated that oxidation products of sesquiterpenes can be important compounds for the initial formation and subsequent growth of atmospheric nanoparticles.rnThe LC/UHRMS analysis furthermore revealed that considerable amounts of organosulfates and nitrooxy organosulfates were detected on the filter samples. Indeed, it was found that several nitrooxy organosulfate related APCI-IT-MS mass traces were simultaneously enhanced. Concurrent particle phase ion chromatography and AMS measurements indicated a strong bias between inorganic sulfate and total sulfate concentrations, supporting the assumption that substantial amounts of sulfate was bonded to organic molecules.rnFinally, the comprehensive chemical analysis of the aerosol composition was compared to the hygroscopicity parameter kappa, which was derived from cloud condensation nuclei (CCN) measurements. Simultaneously, organic aerosol aging was observed by the evolution of a ratio between a second and a first generation biogenic oxidation product. It was found that this aging proxy positively correlates with increasing hygroscopicity. Moreover, it was observed that the bonding of sulfate to organic molecules leads to a significant reduction of kappa, compared to an internal mixture of the same mass fractions of purely inorganic sulfate and organic molecules. Concluding, it has been shown within this thesis that the application of modern mass spectrometric techniques allows for detailed insights into chemical and physico-chemical processes of atmospheric aerosols.rn

Development, characterization, and application of flowing atmospheric-pressure afterglow ionization for mass spectrometric analysis of ambient organic aerosols

Addressing current limitations of state-of-the-art instrumentation in aerosol research, the aim of this work was to explore and assess the applicability of a novel soft ionization technique, namely flowing atmospheric-pressure afterglow (FAPA), for the mass spectrometric analysis of airborne particulate organic matter. Among other soft ionization methods, the FAPA ionization technique was developed in the last decade during the advent of ambient desorption/ionization mass spectrometry (ADI–MS). Based on a helium glow discharge plasma at atmospheric-pressure, excited helium species and primary reagent ions are generated which exit the discharge region through a capillary electrode, forming the so-called afterglow region where desorption and ionization of the analytes occurs. Commonly, fragmentation of the analytes during ionization is reported to occur only to a minimum extent, predominantly resulting in the formation of quasimolecular ions, i.e. [M+H]+ and [M–H]– in the positive and the negative ion mode, respectively. Thus, identification and detection of signals and their corresponding compounds is facilitated in the acquired mass spectra. The focus of the first part of this study lies on the application, characterization and assessment of FAPA–MS in the offline mode, i.e. desorption and ionization of the analytes from surfaces. Experiments in both positive and negative ion mode revealed ionization patterns for a variety of compound classes comprising alkanes, alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids, organic peroxides, and alkaloids. Besides the always emphasized detection of quasimolecular ions, a broad range of signals for adducts and losses was found. Additionally, the capabilities and limitations of the technique were studied in three proof-of-principle applications. In general, the method showed to be best suited for polar analytes with high volatilities and low molecular weights, ideally containing nitrogen- and/or oxygen functionalities. However, for compounds with low vapor pressures, containing long carbon chains and/or high molecular weights, desorption and ionization is in direct competition with oxidation of the analytes, leading to the formation of adducts and oxidation products which impede a clear signal assignment in the acquired mass spectra. Nonetheless, FAPA–MS showed to be capable of detecting and identifying common limonene oxidation products in secondary OA (SOA) particles on a filter sample and, thus, is considered a suitable method for offline analysis of OA particles. In the second as well as the subsequent parts, FAPA–MS was applied online, i.e. for real time analysis of OA particles suspended in air. Therefore, the acronym AeroFAPA–MS (i.e. Aerosol FAPA–MS) was chosen to refer to this method. After optimization and characterization, the method was used to measure a range of model compounds and to evaluate typical ionization patterns in the positive and the negative ion mode. In addition, results from laboratory studies as well as from a field campaign in Central Europe (F–BEACh 2014) are presented and discussed. During the F–BEACh campaign AeroFAPA–MS was used in combination with complementary MS techniques, giving a comprehensive characterization of the sampled OA particles. For example, several common SOA marker compounds were identified in real time by MSn experiments, indicating that photochemically aged SOA particles were present during the campaign period. Moreover, AeroFAPA–MS was capable of detecting highly oxidized sulfur-containing compounds in the particle phase, presenting the first real-time measurements of this compound class. Further comparisons with data from other aerosol and gas-phase measurements suggest that both particulate sulfate as well as highly oxidized peroxyradicals in the gas phase might play a role during formation of these species. Besides applying AeroFAPA–MS for the analysis of aerosol particles, desorption processes of particles in the afterglow region were investigated in order to gain a more detailed understanding of the method. While during the previous measurements aerosol particles were pre-evaporated prior to AeroFAPA–MS analysis, in this part no external heat source was applied. Particle size distribution measurements before and after the AeroFAPA source revealed that only an interfacial layer of OA particles is desorbed and, thus, chemically characterized. For particles with initial diameters of 112 nm, desorption radii of 2.5–36.6 nm were found at discharge currents of 15–55 mA from these measurements. In addition, the method was applied for the analysis of laboratory-generated core-shell particles in a proof-of-principle study. As expected, predominantly compounds residing in the shell of the particles were desorbed and ionized with increasing probing depths, suggesting that AeroFAPA–MS might represent a promising technique for depth profiling of OA particles in future studies.

High secondary aerosol contribution to particulate pollution during haze events in China

Rapid industrialization and urbanization in developing countries has led to an increase in air pollution, along a similar trajectory to that previously experienced by the developed nations. In China, particulate pollution is a serious environmental problem that is influencing air quality, regional and global climates, and human health. In response to the extremely severe and persistent haze pollution experienced by about 800 million people during the first quarter of 2013 (refs 4, 5), the Chinese State Council announced its aim to reduce concentrations of PM2.5 (particulate matter with an aerodynamic diameter less than 2.5micrometres) by up to 25 per cent relative to 2012 levels by 2017 (ref. 6). Such efforts however require elucidation of the factors governing the abundance and composition of PM2.5, which remain poorly constrained in China. Here we combine a comprehensive set of novel and state-of-the-art offline analytical approaches and statistical techniques to investigate the chemical nature and sources of particulate matter at urban locations in Beijing, Shanghai, Guangzhou and Xi'an during January 2013. We find that the severe haze pollution event was driven to a large extent by secondary aerosol formation, which contributed 30-77 per cent and 44-71 per cent (average for all four cities) of PM2.5 and of organic aerosol, respectively. On average, the contribution of secondary organic aerosol (SOA) and secondary inorganic aerosol (SIA) are found to be of similar importance (SOA/SIA ratios range from 0.6 to 1.4). Our results suggest that, in addition to mitigating primary particulate emissions, reducing the emissions of secondary aerosol precursors from, for example, fossil fuel combustion and biomass burning is likely to be important for controlling China's PM2.5 levels and for reducing the environmental, economic and health impacts resulting from particulate pollution.

Modeling the formation and aging of secondary organic aerosols during CalNex 2010

Four different literature parameterizations for the formation and evolution of urban secondary organic aerosol (SOA) frequently used in 3-D models are evaluated using a 0-D box model representing the Los Angeles metropolitan region during the California Research at the Nexus of Air Quality and Climate Change (CalNex) 2010 campaign. We constrain the model predictions with measurements from several platforms and compare predictions with particle- and gas-phase observations from the CalNex Pasadena ground site. That site provides a unique opportunity to study aerosol formation close to anthropogenic emission sources with limited recirculation. The model SOA that formed only from the oxidation of VOCs (V-SOA) is insufficient to explain the observed SOA concentrations, even when using SOA parameterizations with multi-generation oxidation that produce much higher yields than have been observed in chamber experiments, or when increasing yields to their upper limit estimates accounting for recently reported losses of vapors to chamber walls. The Community Multiscale Air Quality (WRF-CMAQ) model (version 5.0.1) provides excellent predictions of secondary inorganic particle species but underestimates the observed SOA mass by a factor of 25 when an older VOC-only parameterization is used, which is consistent with many previous model–measurement comparisons for pre-2007 anthropogenic SOA modules in urban areas. Including SOA from primary semi-volatile and intermediate-volatility organic compounds (P-S/IVOCs) following the parameterizations of Robinson et al. (2007), Grieshop et al. (2009), or Pye and Seinfeld (2010) improves model–measurement agreement for mass concentration. The results from the three parameterizations show large differences (e.g., a factor of 3 in SOA mass) and are not well constrained, underscoring the current uncertainties in this area. Our results strongly suggest that other precursors besides VOCs, such as P-S/IVOCs, are needed to explain the observed SOA concentrations in Pasadena. All the recent parameterizations overpredict urban SOA formation at long photochemical ages (3 days) compared to observations from multiple sites, which can lead to problems in regional and especially global modeling. However, reducing IVOC emissions by one-half in the model to better match recent IVOC measurements improves SOA predictions at these long photochemical ages. Among the explicitly modeled VOCs, the precursor compounds that contribute the greatest SOA mass are methylbenzenes. Measured polycyclic aromatic hydrocarbons (naphthalenes) contribute 0.7% of the modeled SOA mass. The amounts of SOA mass from diesel vehicles, gasoline vehicles, and cooking emissions are estimated to be 16–27, 35–61, and 19–35 %, respectively, depending on the parameterization used, which is consistent with the observed fossil fraction of urban SOA, 71(+-3) %. The relative contribution of each source is uncertain by almost a factor of 2 depending on the parameterization used. In-basin biogenic VOCs are predicted to contribute only a few percent to SOA. A regional SOA background of approximately 2.1 μgm-3 is also present due to the long-distance transport of highly aged OA, likely with a substantial contribution from regional biogenic SOA. The percentage of SOA from diesel vehicle emissions is the same, within the estimated uncertainty, as reported in previous work that analyzed the weekly cycles in OA concentrations (Bahreini et al., 2012; Hayes et al., 2013). However, the modeling work presented here suggests a strong anthropogenic source of modern carbon in SOA, due to cooking emissions, which was not accounted for in those previous studies and which is higher on weekends. Lastly, this work adapts a simple two-parameter model to predict SOA concentration and O/C from urban emissions. This model successfully predicts SOA concentration, and the optimal parameter combination is very similar to that found for Mexico City. This approach provides a computationally inexpensive method for predicting urban SOA in global and climate models. We estimate pollution SOA to account for 26 Tg yr-1 of SOA globally, or 17% of global SOA, one third of which is likely to be non-fossil.

Enhancing non-refractory aerosol apportionment from an urban industrial site through receptor modelling of complete high time-resolution aerosol mass spectra

Receptor modelling was performed on quadrupole unit mass resolution aerosol mass spectrometer (Q-AMS) sub-micron particulate matter (PM) chemical speciation measurements from Windsor, Ontario, an industrial city situated across the Detroit River from Detroit, Michigan. Aerosol and trace gas measurements were collected on board Environment Canada’s CRUISER mobile laboratory. Positive matrix factorization (PMF) was performed on the AMS full particle-phase mass spectrum (PMFFull MS) encompassing both organic and inorganic components. This approach was compared to the more common method of analysing only the organic mass spectra (PMFOrg MS). PMF of the full mass spectrum revealed that variability in the non-refractory sub-micron aerosol concentration and composition was best explained by six factors: an amine-containing factor (Amine); an ammonium sulphate and oxygenated organic aerosol containing factor (Sulphate-OA); an ammonium nitrate and oxygenated organic aerosol containing factor (Nitrate-OA); an ammonium chloride containing factor (Chloride); a hydrocarbon like organic aerosol (HOA) factor; and a moderately oxygenated organic aerosol factor (OOA). PMF of the organic mass spectrum revealed three factors of similar composition to some of those revealed through PMFFull MS: Amine, HOA and OOA. Including both the inorganic and organic mass proved to be a beneficial approach to analysing the unit mass resolution AMS data for several reasons. First, it provided a method for potentially calculating more accurate sub-micron PM mass concentrations, particularly when unusual factors are present, in this case, an Amine factor. As this method does not rely on a priori knowledge of chemical species, it circumvents the need for any adjustments to the traditional AMS species fragmentation patterns to account for atypical species, and can thus lead to more complete factor profiles. It is expected that this method would be even more useful for HR-ToF-AMS data, due to the ability to better understand the chemical nature of atypical factors from high resolution mass spectra. Second, utilizing PMF to extract factors containing inorganic species allowed for the determination of extent of neutralization, which could have implications for aerosol parameterization. Third, subtler differences in organic aerosol components were resolved through the incorporation of inorganic mass into the PMF matrix. The additional temporal features provided by the inorganic aerosol components allowed for the resolution of more types of oxygenated organic aerosol than could be reliably re-solved from PMF of organics alone. Comparison of findings from the PMFFull MS and PMFOrg MS methods showed that for the Windsor airshed, the PMFFull MS method enabled additional conclusions to be drawn in terms of aerosol sources and chemical processes. While performing PMFOrg MS can provide important distinctions between types of organic aerosol, it is shown that including inorganic species in the PMF analysis can permit further apportionment of organics for unit mass resolution AMS mass spectra.