Ozone-initiated particle formation, particle aging, and precursors in a laser printer

An increasing number of researchers have hypothesized that ozone may be involved in the particle formation processes that occur during printing, however no studies have investigated this further. In the current study, this hypothesis was tested in a chamber study by adding supplemental ozone to the chamber after a print job without measurable ozone emissions. Subsequent particle number concentration and size distribution measurements showed that new particles were formed minutes after the addition of ozone. The results demonstrated that ozone did react with printer-generated volatile organic compounds (VOCs) to form secondary organic aerosols (SOAs). The hypothesis was further confirmed by the observation of correlations among VOCs, ozone, and particles concentrations during a print job with measurable ozone emissions. The potential particle precursors were identified by a number of furnace tests, which suggested that squalene and styrene were the most likely SOA precursors with respect to ozone. Overall, this study significantly improved scientific understanding of the formation mechanisms of printer-generated particles, and highlighted the possible SOA formation potential of unsaturated nonterpene organic compounds by ozone-initiated reactions in the indoor environment. © 2011 American Chemical Society.

Aerosol mass spectrometric analysis of the chemical composition of non- refractory PM1 samples from school environments in Brisbane, Australia

Long term exposure to vehicle emissions has been associated with harmful health effects. Children are amongst the most susceptible group and schools represent an environment where they can experience significant exposure to vehicle emissions. However, there are limited studies on children’s exposure to vehicle emissions in schools. The aim of this study was to quantify the concentration of organic aerosol and in particular, vehicle emissions that children are exposed to during school hours. Therefore an Aerodyne compact time-of-flight aerosol mass spectrometer (TOF-AMS) was deployed at five urban schools in Brisbane, Australia. The TOF-AMS enabled the chemical composition of the non- refractory (NR-PM1) to be analysed with a high temporal resolution to assess the concentration of vehicle emissions and other organic aerosols during school hours. At each school the organic fraction comprised the majority of NR-PM1 with secondary organic aerosols as the main constitute. At two of the schools, a significant source of the organic aerosol (OA) was slightly aged vehicle emissions from nearby highways. More aged and oxidised OA was observed at the other three schools, which also recorded strong biomass burning influences. Primary emissions were found to dominate the OA at only one school which had an O:C ratio of 0.17, due to fuel powered gardening equipment used near the TOF-AMS. The diurnal cycle of OA concentration varied between schools and was found to be at a minimum during school hours. The major organic component that school children were exposed to during school hours was secondary OA. Peak exposure of school children to HOA occurred during school drop off and pick up times. Unless a school is located near major roads, children are exposed predominately to regional secondary OA as opposed to local emissions during schools hours in urban environments.

Investigations of the physical and chemical properties of ambient fine particles in urban schools

This thesis reports a comprehensive study on the physical and chemical properties of airborne particles in Brisbane, especially around schools. The sources and potential toxicity of the particles were identified, enabling an assessment of the contributing factors to children's exposure at school. The results from this thesis give a quantitative estimate of the range of airborne particles that children are exposed to at urban schools with different traffic conditions.

Chemical and aerosol characterisation of the troposphere over West Africa during the monsoon period as part of AMMA

During June, July and August 2006 five aircraft took part in a campaign over West Africa to observe the aerosol content and chemical composition of the troposphere and lower stratosphere as part of the African Monsoon Multidisciplinary Analysis (AMMA) project. These are the first such measurements in this region during the monsoon period. In addition to providing an overview of the tropospheric composition, this paper provides a description of the measurement strategy (flights performed, instrumental payloads, wing-tip to wing-tip comparisons) and points to some of the important findings discussed in more detail in other papers in this special issue. The ozone data exhibits an "S" shaped vertical profile which appears to result from significant losses in the lower troposphere due to rapid deposition to forested areas and photochemical destruction in the moist monsoon air, and convective uplift of ozone-poor air to the upper troposphere. This profile is disturbed, particularly in the south of the region, by the intrusions in the lower and middle troposphere of air from the southern hemisphere impacted by biomass burning. Comparisons with longer term data sets suggest the impact of these intrusions on West Africa in 2006 was greater than in other recent wet seasons. There is evidence for net photochemical production of ozone in these biomass burning plumes as well as in urban plumes, in particular that from Lagos, convective outflow in the upper troposphere and in boundary layer air affected by nitrogen oxide emissions from recently wetted soils. This latter effect, along with enhanced deposition to the forested areas, contributes to a latitudinal gradient of ozone in the lower troposphere. Biogenic volatile organic compounds are also important in defining the composition both for the boundary layer and upper tropospheric convective outflow. Mineral dust was found to be the most abundant and ubiquitous aerosol type in the atmosphere over Western Africa. Data collected within AMMA indicate that injection of dust to altitudes favourable for long-range transport (i.e. in the upper Sahelian planetary boundary layer) can occur behind the leading edge of mesoscale convective system (MCS) cold-pools. Research within AMMA also provides the first estimates of secondary organic aerosols across the West African Sahel and have shown that organic mass loadings vary between 0 and 2 μg m−3 with a median concentration of 1.07 μg m−3. The vertical distribution of nucleation mode particle concentrations reveals that significant and fairly strong particle formation events did occur for a considerable fraction of measurement time above 8 km (and only there). Very low concentrations were observed in general in the fresh outflow of active MCSs, likely as the result of efficient wet removal of aerosol particles due to heavy precipitation inside the convective cells of the MCSs. This wet removal initially affects all particle size ranges as clearly shown by all measurements in the vicinity of MCSs.

Radiative forcing of the direct aerosol effect from AeroCom Phase II simulations

We report on the AeroCom Phase II direct aerosol effect (DAE) experiment where 16 detailed global aerosol models have been used to simulate the changes in the aerosol distribution over the industrial era. All 16 models have estimated the radiative forcing (RF) of the anthropogenic DAE, and have taken into account anthropogenic sulphate, black carbon (BC) and organic aerosols (OA) from fossil fuel, biofuel, and biomass burning emissions. In addition several models have simulated the DAE of anthropogenic nitrate and anthropogenic influenced secondary organic aerosols (SOA). The model simulated all-sky RF of the DAE from total anthropogenic aerosols has a range from −0.58 to −0.02Wm−2, with a mean of −0.27Wm−2 for the 16 models. Several models did not include nitrate or SOA and modifying the estimate by accounting for this with information from the other AeroCom models reduces the range and slightly strengthens the mean. Modifying the model estimates for missing aerosol components and for the time period 1750 to 2010 results in a mean RF for the DAE of −0.35Wm−2. Compared to AeroCom Phase I (Schulz et al., 2006) we find very similar spreads in both total DAE and aerosol component RF. However, the RF of the total DAE is stronger negative and RF from BC from fossil fuel and biofuel emissions are stronger positive in the present study than in the previous AeroCom study.We find a tendency for models having a strong (positive) BC RF to also have strong (negative) sulphate or OA RF. This relationship leads to smaller uncertainty in the total RF of the DAE compared to the RF of the sum of the individual aerosol components. The spread in results for the individual aerosol components is substantial, and can be divided into diversities in burden, mass extinction coefficient (MEC), and normalized RF with respect to AOD. We find that these three factors give similar contributions to the spread in results.

Within-canopy sesquiterpene ozonolysis in Amazonia

Through rapid reactions with ozone, which can initiate the formation of secondary organic aerosols, the emission of sesquiterpenes from vegetation in Amazonia may have significant impacts on tropospheric chemistry and climate. Little is known, however, about sesquiterpene emissions, transport, and chemistry within plant canopies owing to analytical difficulties stemming from very low ambient concentrations, high reactivities, and sampling losses. Here, we present ambient sesquiterpene concentration measurements obtained during the 2010 dry season within and above a primary tropical forest canopy in Amazonia. We show that by peaking at night instead of during the day, and near the ground instead of within the canopy, sesquiterpene concentrations followed a pattern different from that of monoterpenes, suggesting that unlike monoterpene emissions, which are mainly light dependent, sesquiterpene emissions are mainly temperature dependent. In addition, we observed that sesquiterpene concentrations were inversely related with ozone (with respect to time of day and vertical concentration), suggesting that ambient concentrations are highly sensitive to ozone. These conclusions are supported by experiments in a tropical rain forest mesocosm, where little atmospheric oxidation occurs and sesquiterpene and monoterpene concentrations followed similar diurnal patterns. We estimate that the daytime dry season ozone flux of -0.6 to -1.5 nmol m(-2) s(-1) due to in-canopy sesquiterpene reactivity could account for 7%-28% of the net ozone flux. Our study provides experimental evidence that a large fraction of total plant sesquiterpene emissions (46%-61% by mass) undergo within-canopy ozonolysis, which may benefit plants by reducing ozone uptake and its associated oxidative damage.

Relative roles of biogenic emissions and Saharan dust as ice nuclei in the Amazon basin

Some aerosol particles, known as ice nuclei, can initiate ice formation in clouds, thereby influencing precipitation, cloud dynamics and the amount of incoming and outgoing solar radiation. In the absence of biomass burning, aerosol mass concentrations in the Amazon basin are low(1). Tropical forests emit primary biological particles directly into the atmosphere; secondary organic aerosols form from the emission and oxidation of biogenic gases(2). In addition, particles derived from biomass burning in central Africa, marine aerosols, and windblown dust from North Africa(3-5) often reach the central part of the Amazon basin during the wet season. The contribution of these aerosol sources to ice nucleation in the region is uncertain. Here we present observations of the concentration and elemental composition of ice nuclei in the Amazon basin during the wet season. Using transmission electron microscopy combined with energy-dispersive X-ray spectroscopy, we show that ice nuclei are primarily composed of carbonaceous material and dust. We show that biological particles dominate the carbonaceous fraction, whereas import of Saharan dust explains the intermittent appearance of dust-containing nuclei. We conclude that ice-nucleus concentration and abundance can be explained almost entirely by local emissions of biological particles supplemented by import of Saharan dust. Using a simple model, we tentatively suggest that the contribution of local biological particles to ice nucleation is increased at higher atmospheric temperatures, whereas the contribution of dust particles is increased at lower temperatures.

Leaf level VOC emissions of single plants from Amazonian and Mediterranean ecosystems: Ontogeny and flooding as stress factor for VOC emissions

Die Vegetation ist die wichtigste Quelle von organischen flüchtigen Verbindungen (auf Englisch volatile organic compounds,VOCs), die einen bemerkenswerten Einfluss auf der Chemie und Physik der Atmosphäre haben. VOCs beeinflussen die oxidative Kapazität der Atmosphäre und tragen zu der Bildung und zum Wachstum von sekundären organischen Aerosolen bei, welche einerseits eine Streuung und Reflektierung der Energie verursachen und andererseits sich an der Bildung und Entwicklung von Wolken beteiligen. Ziel dieser Arbeit war die Beschreibung und der Vergleich von VOC Emissionen aus Pflanzen aus zwei verschiedenen Ökosystemen: Mediterranes Ökosystem und Tropisches Ökosystem. Für diese Aufgabe wurden gewöhnliche Pflanzen von beiden Ökosystemen untersucht. Siebzehn Pflanzenspezies aus der Mittelmeergebiet, welches bekannt ist für seine Vielfalt an VOC emittierenden Pflanzen, wurden in die Untersuchungen einbezogen. Im Gegensatz zum mediterranen Ökosystem sind nur wenig Information verfügbar über VOC Emissionen aus Blättern tropischer Baumspezies. Vor diesem Hintergrund wurden sechsundzwanzig Baumspezies aus verschiedenen Ökotypen des Amazonasbeckens (Terra firme, Várzea und Igapó) wurden auf VOC Emissionen auf Blattebene mit einem Küvetten-System untersucht. Analysen von flüchtigen organischen Verbindungen wurden online mit PTR-MS und offline mittels Sammlung auf entsprechenden Adsorbern (Kartuschen) und nachfolgender GC-FID Analyse untersucht. Die höchsten Emissionen wurden für Isoprene beobachtete, gefolgt durch Monoterpene, Methanol und Aceton. Die meisten Mittelmeer Spezies emittierten eine hohe Vielfalt an Monoterpenspezies, hingegen zeigten nur fünf tropische Pflanzenspezies eine Monoterpene mit einen sehr konservativen Emissionsprofil (α-Pinen>Limonen>Sabinen >ß-Pinen). Mittelmeerpflanzen zeigten zusätzlich Emissionen von Sesquiterpenen, während bei der Pflanzen des Amazonas Beckens keine Sesquiterpenemissionen gefunden wurden. Dieser letzte Befund könnte aber auch durch eine niedrigere Sensitivität des Messsystems während der Arbeiten im Amazonasgebiet erklärt werden. Zusätzlich zu den Isoprenoidemissionen waren Methanolemissionen als Indikator für Wachtumsvorgänge sehr verbreitet in den meisten Pflanzenspezies aus tropischen und mediterranen Gebieten. Einige Pflanzenspezies beider Ökosystemen zeigten Acetonemissionen. rnrnVOC Emissionen werde durch eine große Vielfalt an biotischen und abiotischen Faktoren wie Lichtintensität, Temperatur, CO2 und Trockenheit beeinflusst. Ein anderer, öfter übersehener Faktor, der aber sehr wichtig ist für das Amazonas Becken, ist die regelmäßige Überflutung. In dieser Untersuchung wir fanden heraus, dass am Anfang einer Wurzelanoxie, die durch die Überflutung verursacht wurde, Ethanol und Acetaldehyd emittiert werden können, vor allem in Pflanzenspezies, die schlechter an eine unzureichende Sauerstoffversorgung bei Flutung adaptiert sind, wie z.B. Vatairea guianensis. Die Spezies Hevea spruceana, welche besser an Überflutung adaptiert ist, könnte möglicherweise der gebildete Ethanol sofort remetabolisieren ohne es zu emittieren. Nach einer langen Periode einer Überflutung konnte allerdings keine Emission mehr beobachtet werden, was auf eine vollständige Adaptation mit zunehmender Dauer schließen lässt. Als Reaktion auf den ausgelösten Stress können Isoprenoidemissionen ebenfalls kurzfristig nach einigen Tage an Überflutung zunehmen, fallen dann aber dann nach einer langen Periode zusammen mit der Photosynthese, Transpiration und stomatäre Leitfähigkeit deutlich ab.rnrnPflanzen Ontogenese ist anscheinend von Bedeutung für die Qualität und Quantität von VOC Emissionen. Aus diesem Grund wurden junge und erwachsene Blätter einiger gut charakterisierten Pflanzen Spezies aus dem Mittelmeerraum auf VOC Emissionen untersucht. Standard Emissionsfaktoren von Isopren waren niedriger in jungen Blättern als in erwachsene Blätter. Hingegen wurden höhere Monoterpen- und Sesquiterpenemissionen in jungen Blätter einiger Pflanzenspezies gefunden. Dieser Befund deutet auf eine potentielle Rolle dieser VOCs als Abwehrkomponenten gegen Pflanzenfresser oder Pathogene bei jungen Blätter hin. In einigen Fällen variierte auch die Zusammensetzung der Monoterpen- und Sesquiterpenspezies bei jungen und erwachsenen Blättern. Methanolemissionen waren, wie erwartet, höher in jungen Blättern als in ausgewachsenen Blättern, was mit der Demethylierung von Pectin bei der Zellwandreifung erklärt werden kann. Diese Befunde zu Änderungen der Emissionskapazität der Vegetation können für zukünftige Modellierungen herangezogen werden. rn

Entwicklung einer Thermodesorptionseinheit für die GC/MS zur Bestimmung hochreaktiver, biogener Kohlenwasserstoffe und deren Anwendung im Rahmen von Labor- und Feldstudien

Flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds, VOCs), besonders rnTerpene, gelten als Vorläufer des sekundären organischen Aerosols (secondary rnorganic aerosols, SOA). Terpene werden von Pflanzen zur Abwehr oder zur rnAttraktion von Bestäubern emittiert. Ungesättigten Verbindungen, wie Sesquiterpene, rnsind sehr ozonolyseempfindlich und weisen nur geringe Konzentrationen in der rnAtmosphäre auf. Zudem lassen sie sich mit handelsüblichen rnThermodesorptionseinheiten meist nicht ohne Artefakte nachweisen, da sie eine hohe rnReaktivität mit vielen Oberflächen zeigen. rnDiese Arbeit präsentiert Forschungsergebnisse der qualitativen und rn(semi)quantitativen Auswertungen flüchtiger organischer Verbindungen in rnLaborstudien und biogenen Emissionsproben (Feldmessungen) mittels rnThermodesorption-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TD-GC/MS). Speziell rnzur Analyse hochreaktiver Verbindungen wurde eine Thermodesorptionseinheit für die rnGC/MS entwickelt. Diese besteht aus einer Kryofokussierung, einem Desorptionsofen rnund einer Heizung. Die Steuerung erfolgt über eine eigens dafür geschaffene rnBedienoberf läche von Labview® an einem PC über eine nachgeschaltete SPS rn(speicherprogrammierbare Steuerung). Das komplette Desorptionsprogramm und der rnStart der GC/MS-Analyse wurden automatisiert. rnDie Quantifizierung alle Proben wurde über Diffusionsquellen und rnVergleichsmessungen durch auf Adsorptionsröhrchen aufgebrachte rnVerdünnungsreihen realisiert. Um Informationen über die mutmaßlichen Vorläufer des rnsekundären organischen Aerosols zu erhalten, wurde zudem eine Ozon-Scrubber-rnMethode basierend auf Propen entwickelt. Diese wurde anhand von Standards in einer rnReaktionskammer getestet und in Feldmessungen erfolgreich angewendet. rnQuantitative Analysen zeigen, dass die meisten Terpene so vollständig vor der rnOzonolyse bewahrt werden können. Für hochreaktive Analyte wie α-Humulen oder rnβ-Caryophyllen wurden Wiederfindungsraten von über 80 % erreicht. So konnte die rnTemperaturabhängigkeit der Terpen-Emissionen der Fichte (Picea abies) in rnFeldmessungen nachgewiesen werden. rnEine weitere Anwendungsmöglichkeit wurde mit der Unterscheidung verschiedener rnArten der gleichen Gattung anhand der Emissionsmuster und der möglichen rnAbgrenzung verschiedener Bestäubertypen am Beispiel der Gattung Salvia untersucht. rnDie Emissionsanalysen zeigen, dass eine Zuordnung der Verwandtschaftsverhältnisse rnzusätzlich zu anderen Vergleichen möglich ist. Das gleiche gilt für die Differenzierung rnvon Bestäubertypen. Die Ergebnisse der Feldmessungen wurden durch rnMethodenvergleich zwischen biogenen Emissionsmessungen mit anschließender rnTD-GC/MS-Analyse und Extraktionen der jeweiligen Blüten/Blätter mit rnanschließender GC/MS-Messung bestätigt.

Entwicklung von chiralen- sowie RP-HPLC-Methoden in Verbindung mit hochauflösender MS und deren Anwendung zur Analyse sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Edelga¬sen. Obwohl Partikel weniger als 0,1% ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle in der Chemie und Physik der Atmosphäre, da sie das Klima der Erde sowohl direkt als auch indirekt beeinflussen. Je nach Art der Bildung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Partikeln, wobei primäre Partikel direkt in die Atmosphäre eingetragen werden. Sekundäre Partikel hingegen entstehen durch Kondensation von schwerflüchtigen Verbindungen aus der Gasphase, welche durch Reaktionen von gasförmigen Vorläufersubstanzen (volatile organic compounds, VOCs) mit atmosphärischen Oxidantien wie Ozon oder OH-Radikalen gebildet werden. Da die meisten Vorläufersubstanzen organischer Natur sind, wird das daraus gebil¬dete Aerosol als sekundäres organisches Aerosol (SOA) bezeichnet. Anders als die meisten primären Partikel stammen die VOCs überwiegend aus biogenen Quellen. Es handelt sich da¬bei um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die bei intensiver Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen von Pflanzen emittiert werden. Viele der leichtflüchtigen Vorläufersubstanzen sind chiral, sowohl die Vorläufer als auch die daraus gebildeten Partikel werden aber in den meisten Studien als eine Verbindung betrachtet und gemeinsam analysiert. Die mit Modellen berechneten SOA-Konzentrationen, welche auf dieser traditionellen Vorstellung der SOA-Bil¬dung beruhen, liegen deutlich unterhalb der in der Atmosphäre gefundenen, so dass neben diesem Bildungsweg auch noch andere SOA-Bildungsarten existieren müssen. Aus diesem Grund wird der Fokus der heutigen Forschung vermehrt auf die heterogene Chemie in der Partikelphase gerichtet. Glyoxal als Modellsubstanz kommt hierbei eine wichtige Rolle zu. Es handelt sich bei dieser Verbindung um ein Molekül mit einem hohen Dampfdruck, das auf Grund dieser Eigenschaft nur in der Gasphase zu finden sein sollte. Da es aber über zwei Alde¬hydgruppen verfügt, ist es sehr gut wasserlöslich und kann dadurch in die Partikelphase über¬gehen, wo es heterogenen chemischen Prozessen unterliegt. Unter anderem werden in An¬wesenheit von Ammoniumionen Imidazole gebildet, welche wegen der beiden Stickstoff-He¬teroatome lichtabsorbierende Eigenschaften besitzen. Die Verteilung von Glyoxal zwischen der Gas- und der Partikelphase wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, wobei die Gleichgewichtskonstante die sogenannte Henry-Konstante ist. Diese ist abhängig von der un¬tersuchten organischen Verbindung und den im Partikel vorhandenen anorganischen Salzen. Für die Untersuchung chiraler Verbindungen im SOA wurde zunächst eine Filterextraktions¬methode entwickelt und die erhaltenen Proben anschließend mittels chiraler Hochleistungs-Flüssigchromatographie, welche an ein Elektrospray-Massenspektrometer gekoppelt war, analysiert. Der Fokus lag hierbei auf dem am häufigsten emittierten Monoterpen α-Pinen und seinem Hauptprodukt, der Pinsäure. Da bei der Ozonolyse des α-Pinens das cyclische Grund¬gerüst erhalten bleibt, können trotz der beiden im Molekül vorhanden chiralen Zentren nur zwei Pinsäure Enantiomere gebildet werden. Als Extraktionsmittel wurde eine Mischung aus Methanol/Wasser 9/1 gewählt, mit welcher Extraktionseffizienzen von 65% für Pinsäure Enan¬tiomer 1 und 68% für Pinsäure Enantiomer 2 erreicht werden konnten. Des Weiteren wurden Experimente in einer Atmosphärensimulationskammer durchgeführt, um die Produkte der α-Pinen Ozonolyse eindeutig zu charakterisieren. Enantiomer 1 wurde demnach aus (+)-α-Pinen gebildet und Enantiomer 2 entstand aus (-)-α-Pinen. Auf Filterproben aus dem brasilianischen Regenwald konnte ausschließlich Pinsäure Enantiomer 2 gefunden werden. Enantiomer 1 lag dauerhaft unterhalb der Nachweisgrenze von 18,27 ng/mL. Im borealen Nadelwald war das Verhältnis umgekehrt und Pinsäure Enantiomer 1 überwog vor Pinsäure Enantiomer 2. Das Verhältnis betrug 56% Enantiomer 1 zu 44% Enantiomer 2. Saisonale Verläufe im tropischen Regenwald zeigten, dass die Konzentrationen zur Trockenzeit im August höher waren als wäh¬rend der Regenzeit im Februar. Auch im borealen Nadelwald wurden im Sommer höhere Kon¬zentrationen gemessen als im Winter. Die Verhältnisse der Enantiomere änderten sich nicht im jahreszeitlichen Verlauf. Die Bestimmung der Henry-Konstanten von Glyoxal bei verschiedenen Saataerosolen, nämlich Ammoniumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumsulfat, Natriumchlorid und Ammoniumnitrat sowie die irreversible Produktbildung aus Glyoxal in Anwesenheit von Ammoniak waren Forschungs¬gegenstand einer Atmosphärensimulationskammer-Kampagne am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Hierzu wurde zunächst das zu untersuchende Saataerosol in der Kammer vorgelegt und dann aus photochemisch erzeugten OH-Radikalen und Acetylen Glyoxal er¬zeugt. Für die Bestimmung der Glyoxalkonzentration im Kammeraerosol wurde zunächst eine beste¬hende Filterextraktionsmethode modifiziert und die Analyse mittels hochauflösender Mas¬senspektrometrie realisiert. Als Extraktionsmittel kam 100% Acetonitril, ACN zum Einsatz wo¬bei die Extraktionseffizienz bei 85% lag. Für die anschließende Derivatisierung wurde 2,4-Di¬nitrophenylhydrazin, DNPH verwendet. Dieses musste zuvor drei Mal mittels Festphasenex¬traktion gereinigt werden um störende Blindwerte ausreichend zu minimieren. Die gefunde¬nen Henry-Konstanten für Ammoniumsulfat als Saataerosol stimmten gut mit in der Literatur gefundenen Werten überein. Die Werte für Natriumnitrat und Natriumchlorid als Saataerosol waren kleiner als die von Ammoniumsulfat aber größer als der Wert von reinem Wasser. Für Ammoniumnitrat und Kaliumsulfat konnten keine Konstanten berechnet werden. Alle drei Saataerosole führten zu einem „Salting-in“. Das bedeutet, dass bei Erhöhung der Salzmolalität auch die Glyoxalkonzentration im Partikel stieg. Diese Beobachtungen sind auch in der Litera¬tur beschrieben, wobei die Ergebnisse dort nicht auf der Durchführung von Kammerexperi¬menten beruhen, sondern mittels bulk-Experimenten generiert wurden. Für die Trennung der Imidazole wurde eine neue Filterextraktionsmethode entwickelt, wobei sich ein Gemisch aus mit HCl angesäuertem ACN/H2O im Verhältnis 9/1 als optimales Extrak¬tionsmittel herausstellte. Drei verschiedenen Imidazole konnten mit dieser Methode quanti¬fiziert werden, nämlich 1-H-Imidazol-4-carbaldehyd (IC), Imidazol (IM) und 2,2‘-Biimidazol (BI). Die Effizienzen lagen für BI bei 95%, für IC bei 58% und für IM bei 75%. Kammerexperimente unter Zugabe von Ammoniak zeigten höhere Imidazolkonzentrationen als solche ohne. Wurden die Experimente ohne Ammoniak in Anwesenheit von Ammoni¬umsulfat durchgeführt, wurden höhere Imidazol-Konzentrationen gefunden als ohne Ammo¬niumionen. Auch die relative Luftfeuchtigkeit spielte eine wichtige Rolle, da sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit zu einer verminderten Imidazolbildung führte. Durch mit 13C-markiertem Kohlenstoff durchgeführte Experimente konnte eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei den gebildeten Imidazolen und Glyoxalprodukte handelte. Außerdem konnte der in der Literatur beschriebene Bildungsmechanismus erfolgreich weiter¬entwickelt werden. Während der CYPHEX Kampagne in Zypern konnten erstmalig Imidazole in Feldproben nach¬gewiesen werden. Das Hauptprodukt IC zeigte einen tageszeitlichen Verlauf mit höheren Kon¬zentrationen während der Nacht und korrelierte signifikant aber schwach mit der Acidität und Ammoniumionenkonzentration des gefundenen Aerosols.

Effects of sources and meteorology on particulate matter in the Western Mediterranean Basin: An overview of the DAURE campaign

DAURE (Determination of the Sources of Atmospheric Aerosols in Urban and Rural Environments in the Western Mediterranean) was a multidisciplinary international field campaign aimed at investigating the sources and meteorological controls of particulate matter in the Western Mediterranean Basin (WMB). Measurements were simultaneously performed at an urban-coastal (Barcelona, BCN) and a rural-elevated (Montseny, MSY) site pair in NE Spain during winter and summer. State-of-the-art methods such as 14C analysis, proton-transfer reaction mass spectrometry, and high-resolution aerosol mass spectrometry were applied for the first time in the WMB as part of DAURE. WMB regional pollution episodes were associated with high concentrations of inorganic and organic species formed during the transport to inland areas and built up at regional scales. Winter pollutants accumulation depended on the degree of regional stagnation of an air mass under anticyclonic conditions and the planetary boundary layer height. In summer, regional recirculation and biogenic secondary organic aerosols (SOA) formation mainly determined the regional pollutant concentrations. The contribution from fossil sources to organic carbon (OC) and elemental carbon (EC) and hydrocarbon-like organic aerosol concentrations were higher at BCN compared with MSY due to traffic emissions. The relative contribution of nonfossil OC was higher at MSY especially in summer due to biogenic emissions. The fossil OC/EC ratio at MSY was twice the corresponding ratio at BCN indicating that a substantial fraction of fossil OC was due to fossil SOA. In winter, BCN cooking emissions were identified as an important source of modern carbon in primary organic aerosol.

Sources and contributions of wood smoke during winter in London: assessing local and regional influences

Determining the contribution of wood smoke to air pollution in large cities such as London is becoming increasingly important due to the changing nature of domestic heating in urban areas. During winter, biomass burning emissions have been identified as a major cause of exceedances of European air quality limits. The aim of this work was to quantify the contribution of biomass burning in London to concentrations of PM2:5 and determine whether local emissions or regional contributions were the main source of biomass smoke. To achieve this, a number of biomass burning chemical tracers were analysed at a site within central London and two sites in surrounding rural areas. Concentrations of levoglucosan, elemental carbon (EC), organic carbon (OC) and K+ were generally well correlated across the three sites. At all the sites, biomass burning was found to be a source of OC and EC, with the largest contribution of EC from traffic emissions, while for OC the dominant fraction included contributions from secondary organic aerosols, primary biogenic and cooking sources. Source apportionment of the EC and OC was found to give reasonable estimation of the total carbon from non-fossil and fossil fuel sources based upon comparison with estimates derived from 14C analysis. Aethalometer-derived black carbon data were also apportioned into the contributions frombiomass burning and traffic and showed trends similar to those observed for EC. Mean wood smoke mass at the sites was estimated to range from 0.78 to 1.0 μgm-3 during the campaign in January–February 2012. Measurements on a 160m tower in London suggested a similar ratio of brown to black carbon (reflecting wood burning and traffic respectively) in regional and London air. Peaks in the levoglucosan and K+ concentrations were observed to coincide with low ambient temperature, consistent with domestic heating as a major contributing local source in London. Overall, the source of biomass smoke in London was concluded to be a background regional source overlaid by contributions from local domestic burning emissions. This could have implications when considering future emission control strategies during winter and may be the focus of future work in order to better determine the contributing local sources.

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

Source apportionment and dynamic changes of carbonaceous aerosols during the haze bloom-decay process in China based on radiocarbon and organic molecular tracers

Fine carbonaceous aerosols (CAs) is the key factor influencing the currently filthy air in megacities in China, yet few studies simultaneously focus on the origins of different CAs species using specific and powerful source tracers. Here, we present a detailed source apportionment for various CAs fractions, including organic carbon (OC), water-soluble OC (WSOC), water-insoluble OC (WIOC), elemental carbon (EC) and secondary OC (SOC) in the largest cities of North (Beijing, BJ) and South China (Guangzhou, GZ), using the measurements of radiocarbon and anhydrosugars. Results show that non-fossil fuel sources such as biomass burning and biogenic emission make a significant contribution to the total CAs in Chinese megacities: 56±4 in BJ and 46±5% in GZ, respectively. The relative contributions of primary fossil carbon from coal and liquid petroleum combustions, primary non-fossil carbon and secondary organic carbon (SOC) to total carbon are 19, 28 and 54% in BJ, and 40, 15 and 46% in GZ, respectively. Non-fossil fuel sources account for 52 in BJ and 71% in GZ of SOC, respectively. These results suggest that biomass burning has a greater influence on regional particulate air pollution in North China than in South China. We observed an unabridged haze bloom-decay process in South China, which illustrates that both primary and secondary matter from fossil sources played a key role in the blooming phase of the pollution episode, while haze phase is predominantly driven by fossil-derived secondary organic matter and nitrate.

Field and Laboratory Studies of Atmospheric Organic Aerosol

This thesis is the culmination of field and laboratory studies aimed at assessing processes that affect the composition and distribution of atmospheric organic aerosol. An emphasis is placed on measurements conducted using compact and high-resolution Aerodyne Aerosol Mass Spectrometers (AMS). The first three chapters summarize results from aircraft campaigns designed to evaluate anthropogenic and biogenic impacts on marine aerosol and clouds off the coast of California. Subsequent chapters describe laboratory studies intended to evaluate gas and particle-phase mechanisms of organic aerosol oxidation.

The 2013 Nucleation in California Experiment (NiCE) was a campaign designed to study environments impacted by nucleated and/or freshly formed aerosol particles. Terrestrial biogenic aerosol with > 85% organic mass was observed to reside in the free troposphere above marine stratocumulus. This biogenic organic aerosol (BOA) originated from the Northwestern United States and was transported to the marine atmosphere during periodic cloud-clearing events. Spectra recorded by a cloud condensation nuclei counter demonstrated that BOA is CCN active. BOA enhancements at latitudes north of San Francisco, CA coincided with enhanced cloud water concentrations of organic species such as acetate and formate.

Airborne measurements conducted during the 2011 Eastern Pacific Emitted Aerosol Cloud Experiment (E-PEACE) were aimed at evaluating the contribution of ship emissions to the properties of marine aerosol and clouds off the coast of central California. In one study, analysis of organic aerosol mass spectra during periods of enhanced shipping activity yielded unique tracers indicative of cloud-processed ship emissions (m/z 42 and 99). The variation of their organic fraction (f₄₂ and f₉₉) was found to coincide with periods of heavy (f₄₂ > 0.15; f₉₉ > 0.04), moderate (0.05 < f₄₂ < 0.15; 0.01 < f₉₉ < 0.04), and negligible (f₄₂ < 0.05; f₉₉ < 0.01) ship influence. Application of these conditions to all measurements conducted during E-PEACE demonstrated that a large fraction of cloud droplet (72%) and dry aerosol mass (12%) sampled in the California coastal study region was heavily or moderately influenced by ship emissions. Another study investigated the chemical and physical evolution of a controlled organic plume emitted from the R/V Point Sur. Under sunny conditions, nucleated particles composed of oxidized organic compounds contributed nearly an order of magnitude more cloud condensation nuclei (CCN) than less oxidized particles formed under cloudy conditions. The processing time necessary for particles to become CCN active was short ( < 1 hr) compared to the time needed for particles to become hygroscopic at sub-saturated humidity ( > 4 hr).

Laboratory chamber experiments were also conducted to evaluate particle-phase processes influencing aerosol phase and composition. In one study, ammonium sulfate seed was coated with a layer of secondary organic aerosol (SOA) from toluene oxidation followed by a layer of SOA from α-pinene oxidation. The system exhibited different evaporative properties than ammonium sulfate seed initially coated with α-pinene SOA followed by a layer of toluene SOA. This behavior is consistent with a shell-and-core model and suggests limited mixing among different SOA types. Another study investigated the reactive uptake of isoprene epoxy diols (IEPOX) onto non-acidified aerosol. It was demonstrated that particle acidity has limited influence on organic aerosol formation onto ammonium sulfate seed, and that the chemical system is limited by the availability of nucleophiles such as sulfate.

Flow tube experiments were conducted to examine the role of iron in the reactive uptake and chemical oxidation of glycolaldehyde. Aerosol particles doped with iron and hydrogen peroxide were mixed with gas-phase glycolaldehyde and photochemically aged in a custom-built flow reactor. Compared to particles free of iron, iron-doped aerosols significantly enhanced the oxygen to carbon (O/C) ratio of accumulated organic mass. The primary oxidation mechanism is suggested to be a combination of Fenton and photo-Fenton reactions which enhance particle-phase OH radical concentrations.