The development and deployment of FOTOS: a fast observation of trace organics system

Flüchtige organische Bestandteile (engl.: VOC) sind in der Atmosphäre in Spuren vorhanden, spielen aber trotzdem eine wichtige Rolle in der Luftchemie: sie beeinflussen das Ozon der Troposphäre, städtischen Smog, Oxidationskapazität und haben direkte und indirekte Auswirkungen auf die globale Klimaveränderung. Eine wichtige Klasse der VOC sind die Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (engl.: NMHC), die überwiegend von anthropogenen Quellen kommen. Aus diesem Grund ist für Luftchemiker ein Messinstrument nötig, das die VOC, die NMHC eingeschlossen, mit einer höheren Zeitauflösung misst, besonders für Echtzeitmessungen an Bord eines Forschungsflugzeuges. Dafür wurde das System zur schnellen Beobachtung von organischen Spuren (engl.: FOTOS) entworfen, gebaut für den Einsatz in einem neuen Wissenschaftlichen Flugzeug, das in großen Höhen und über weite Strecken fliegt, genannt HALO. In der Folge wurde FOTOS in zwei Messkampagnen am Boden getestet. FOTOS wurde entworfen und gebaut mit einem speziell angefertigten, automatisierten, kryogenen Probensystem mit drei Fallen und einem angepassten, erworbenen schnellen GC-MS. Ziel dieses Aufbaus war es, die Vielseitigkeit zu vergrößern und das Störungspotential zu verringern, deshalb wurden keine chemischen Trocknungsmittel oder adsorbierenden Stoffe verwendet. FOTOS erreichte eine Probenfrequenz von 5.5 Minuten, während es mindestens 13 verschiedene C2- bis C5-NMHC maß. Die Drei-Sigma-Detektionsgrenze für n- und iso-Pentan wurde als 2.6 und 2.0 pptv ermittelt, in dieser Reihenfolge. Labortests bestätigten, dass FOTOS ein vielseitiges, robustes, hochautomatisiertes, präzises, genaues, empfindliches Instrument ist, geeignet für Echtzeitmessungen von VOC in Probenfrequenzen, die angemessen sind für ein Forschungsflugzeug wie HALO. Um die Leistung von FOTOS zu bestätigen, wurde vom 26. Januar bis 4. Februar 2010 ein Zwischenvergleich gemacht mit dem GC-FID-System am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg, einer WMO-GAW-globalen Station. Dreizehn verschiedene NMHC wurden innerhalb des Rahmens der GWA Data Quality Objectives (DQO) analysiert und verglichen. Mehr als 80% der Messungen von sechs C3- bis C5-NMHC erfüllten diese DQO. Diese erste Messkampagne im Feld hob die Robustheit und Messgenauigkeit von FOTOS hervor, zusätzlich zu dem Vorteil der höheren Probenfrequenz, sogar in einer Messung am Boden. Um die Möglichkeiten dieses Instrumentes im Feld zu zeigen, maß FOTOS ausgewählte leichte NMHC während einer Messkampagne im Borealen Waldgebiet, HUMPPA-COPEC 2010. Vom 12. Juli bis zum 12. August 2010 beteiligte sich eine internationale Gruppe von Instituten und Instrumenten an Messungen physikalischer und chemischer Größen der Gas- und Partikelphasen der Luft über dem Borealen Wald an der SMEAR II-Station nahe Hyyttiälä, Finnland. Es wurden mehrere Hauptpunkte von Interesse im Mischungsverhältnis der Alkane und im Isomerenverhätnis von Pentan identifiziert, insbesondere sehr unterschiedliche Perioden niedriger und hoher Variabilität, drei Rauchschwaden von Biomassen-Verbrennung von russischen Waldbränden und zwei Tage mit extrem sauberer Luft aus der Polarregion. Vergleiche der NMHC mit anderen anthropogenen Indikatoren zeigten mehrere Quellen anthropogener Einflüsse am Ort auf und erlaubten eine Unterscheidung zwischen lokalen und weiter entfernten Quellen. Auf einen minimalen natürlichen Beitrag zum 24h-Kreislauf von NOx wurde geschlussfolgert aus der Korrelation von NOx mit Alkanen. Altersschätzungen der Luftmassen durch das Isomerenverhältnis von Pentan wurden erschwert durch sich verändernde Verhältnisse der Quellen und durch Besonderheiten der Photochemie während des Sommers im hohen Norden. Diese Messungen zeigten den Wert des Messens leichter NMHC, selbst in abgelegenen Regionen, als einen zusätzlichen spezifischen Marker von anthropogenem Einfluss.

Messungen von salpetriger Säure und Eispartikeln im Nachlauf von Flugzeugen

Ziel dieser Arbeit war der Aufbau und Einsatz des Atmosphärischen chemischen Ionisations-Massenspektrometers AIMS für boden- und flugzeuggetragene Messungen von salpetriger Säure (HONO). Für das Massenspektrometer wurden eine mit Gleichspannung betriebene Gasentladungsionenquelle und ein spezielles Druckregelventil entwickelt. Während der Instrumentenvergleichskampagne FIONA (Formal Intercomparisons of Observations of Nitrous Acid) an einer Atmosphären-Simulationskammer in Valencia (Spanien) wurde AIMS für HONO kalibriert und erstmals eingesetzt. In verschiedenen Experimenten wurden HONO-Mischungsverhältnisse zwischen 100 pmol/mol und 25 nmol/mol erzeugt und mit AIMS interferenzfrei gemessen. Innerhalb der Messunsicherheit von ±20% stimmen die massenspektrometrischen Messungen gut mit den Methoden der Differenziellen Optischen Absorptions-Spektrometrie und der Long Path Absorption Photometrie überein. Die Massenspektrometrie kann somit zum schnellen und sensitiven Nachweis von HONO in verschmutzter Stadtluft und in Abgasfahnen genutzt werden.rnErste flugzeuggetragene Messungen von HONO mit AIMS wurden 2011 bei der Messkampagne CONCERT (Contrail and Cirrus Experiment) auf dem DLR Forschungsflugzeug Falcon durchgeführt. Hierbei konnte eine Nachweisgrenze von < 10 pmol/mol (3σ, 1s) erreicht werden. Bei Verfolgungsflügen wurden im jungen Abgasstrahl von Passagierflugzeugen molare HONO zu Stickoxid-Verhältnisse (HONO/NO) von 2.0 bis 2.5% gemessen. HONO wird im Triebwerk durch die Reaktion von NO mit OH gebildet. Ein gemessener abnehmender Trend der HONO/NO Verhältnisse mit zunehmendem Stickoxid-Emissionsindex wurde bestätigt und weist auf eine OH Limitierung im jungen Abgasstrahl hin.rnNeben den massenspektrometrischen Messungen wurden Flugzeugmessungen der Partikelsonde Forward Scattering Spectrometer Probe FSSP-300 in jungen Kondensstreifen ausgewertet und analysiert. Aus den gemessenen Partikelgrößenverteilungen wurden Extinktions- und optische Tiefe-Verteilungen abgeleitet und für die Untersuchung verschiedener wissenschaftlicher Fragestellungen, z.B. bezüglich der Partikelform in jungen Kondensstreifen und ihrer Klimawirkung, zur Verfügung gestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss des Flugzeug- und Triebwerktyps auf mikrophysikalische und optische Eigenschaften von Kondensstreifen untersucht. Unter ähnlichen meteorologischen Bedingungen bezüglich Feuchte, Temperatur und stabiler thermischer Schichtung wurden 2 Minuten alte Kondensstreifen der Passagierflugzeuge vom Typ A319-111, A340-311 und A380-841 verglichen. Im Rahmen der Messunsicherheit wurde keine Änderung des Effektivdurchmessers der Partikelgrößenverteilungen gefunden. Hingegen nehmen mit zunehmendem Flugzeuggewicht die Partikelanzahldichte (162 bis 235 cm-3), die Extinktion (2.1 bis 3.2 km-1), die Absinktiefe des Kondensstreifens (120 bis 290 m) und somit die optische Tiefe der Kondensstreifen (0.25 bis 0.94) zu. Der gemessene Trend wurde durch Vergleich mit zwei unabhängigen Kondensstreifen-Modellen bestätigt. Mit den Messungen wurde eine lineare Abhängigkeit der totalen Extinktion (Extinktion mal Querschnittsfläche des Kondensstreifens) vom Treibstoffverbrauch pro Flugstrecke gefunden und bestätigt.

Massenspektrometrische Wasserdampfmessung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung des flugzeuggetragenen Atmosphärischen Ionisations-Massenspektrometers AIMS-H2O zur Messung von Wasserdampf in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) und erste Flugzeugmessungen mit dem Instrument. Wasserdampf beeinflusst das Klima in der UTLS aufgrund seiner Strahlungseigenschaften und agiert als wichtiger Parameter bei der Bildung von Zirruswolken und Kondensstreifen. Deshalb sind genaue Wasserdampfmessungen für das Verständnis vieler atmosphärischer Prozesse unerlässlich. Instrumentenvergleiche wie sie im SPARC Report No. 2 und dem Bericht der AUQAVIT Kampagne zusammengefasst sind, haben gezeigt, dass große Abweichungen zwischen einzelnen Methoden und Instrumenten bestehen. Diese Unsicherheiten limitieren das Verständnis des Einflusses von Wasserdampf auf die Dynamik und die Strahlungseigenschaften in der UTLS. Die in dieser Arbeit vorgestellte Entwicklung einer neuen Messmethode für Wasserdampf mit dem Massenspektrometer AIMS-H2O ist deshalb auf die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen in der UTLS fokussiert. Mit AIMS H2O wird Umgebungsluft in einer neu entwickelten Gasentladungsquelle ionisiert. Durch eine Reihe von Ionen-Molekül-Reaktionen entstehen H3O+(H2O) und H3O+(H2O)2 Ionen. Diese Ionen werden genutzt, um die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre zu bestimmen. Um die erforderliche hohe Genauigkeit zu erzielen, wird AIMS H2O im Flug kalibriert. In dem zu diesem Zweck aufgebauten Kalibrationsmodul wird die katalytische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff auf einer Platinoberfläche genutzt, um definierte Wasserdampfkonzentrationen für die Kalibration im Flug zu erzeugen. Bei ersten Messungen auf der Falcon während der Kampagne CONCERT 2011 konnte dabei eine Genauigkeit von 8 bis 15% für die Messung der Wasserdampfkonzentration in einem Messbereich von 0,5 bis 250 ppmv erreicht werden. Die Messfrequenz betrug 4 Hz, was einer räumlichen Auflösung von etwa 50 m entspricht. Der Vergleich der Messung des Massenspektrometers mit dem Laserhygrometer Waran zeigt eine sehr gute Übereinstimmung im Rahmen der Unsicherheiten. Anhand zweier Fallstudien werden die Messungen von AIMS H2O während CONCERT 2011 detailliert analysiert. In der ersten Studie werden zwei Flüge in eine stratosphärische Intrusion über Nordeuropa untersucht. In dieser Situation wurde stratosphärische Luft bis hinunter auf 6 km Höhe transportiert und war dadurch mit der Falcon erreichbar. Es konnte gezeigt werden, dass AIMS-H2O sehr gut für die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen, in diesem Fall bis etwa 3,5 ppmv, geeignet ist. Der Vergleich der Messung mit Analysen des ECMWF Integrated Forecast Systems zeigt eine gute Übereinstimmung der gemessenen Wasserdampfstrukturen mit der dynamischen Tropopause. Unterschiede tauchen dagegen beim Vergleich der Wasserdampfkonzentrationen in der unteren Stratosphäre auf. Hier prognostiziert das Modell deutlich höhere Feuchten. Die zweite Fallstudie beschäftigt sich mit der Verteilung der relativen Feuchte in jungen Kondensstreifen im Vergleich zu ihrer direkten Umgebung. Dabei wurde für drei Messsequenzen im Abgasstrahl von Flugzeugen beobachtet, dass die relative Feuchte innerhalb des Kondensstreifens im Vergleich zur Umgebung sowohl bei unter- als auch übersättigten Umgebungsbedingungen in Richtung Sättigung verschoben ist. Die hohe Anzahl an Eispartikeln und die damit verbundene große Eisoberfläche in jungen Kondensstreifen führt also zu einer schnellen Relaxation von Gasphase und Eis in Richtung Gleichgewicht. In der Zukunft soll AIMS-H2O auch auf HALO für die genaue Messung von Wasserdampf bei ML-CIRRUS und weiteren Kampagnen eingesetzt werden.

Untersuchung von Mischungs- und Transportprozessen in der oberen Troposphäre - unteren Stratosphäre basierend auf in-situ Spurengasmessungen

Die obere Troposphäre / untere Stratosphäre (UTLS: Upper Troposphere / Lower Stratosphere)ist die Übergangsgregion zwischen den dynamisch, chemisch und mikrophysikalisch sehr verschiedenen untersten Atmosphärenschichten, der Troposphäre und der Stratosphäre. Strahlungsaktive Spurengase, wie zum Beispiel Wasserdampf (H2O), Ozon (O3) oder Kohlenstoffdioxid (CO2), und Wolken in der UTLS beeinflussen das Strahlungsbudget der Atmosphäre und das globale Klima. Mögliche Veränderungen in den Verteilungen und Konzentrationen dieser Spurengase modifizieren den Strahlungsantrieb der Atmosphäre und können zum beobachteten Klimawandel beitragen. Ziel dieser Arbeit ist es, Austausch- und Mischungsprozesse innerhalb der UTLS besser zu verstehen und damit Veränderungen der Spurengaszusammensetzung dieser Region genauer prognostizieren zu können. Grundlage hierfür bilden flugzeuggetragene in-situ Spurengasmessungen in der UTLS, welche während der Flugzeugmesskampagnen TACTS / ESMVal 2012 und AIRTOSS - ICE 2013 durchgeführt wurden. Hierbei wurde bei den Messungen von AIRTOSS - ICE 2013 das im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute UMAQS (University of Mainz Airborne QCLbased Spectrometer) - Instrument zur Messung der troposphärischen Spurengase Distickstoffmonoxid (N2O) und Kohlenstoffmonoxid (CO) eingesetzt. Dieses erreicht bei einer zeitlichen Auflösung von 1 s eine Messunsicherheit von 0,39 ppbv und 1,39 ppbv der N2O bzw. CO-Mischungsverhältnisse. Die hohe Zeitauflösung und Messgenauigkeit der N2O- und CO- Daten erlaubt die Untersuchung von kleinskaligen Austauschprozessen zwischen Troposphäre und Stratosphäre im Bereich der Tropopause auf räumlichen Skalen kleiner 200 m. Anhand der N2O-Daten von AIRTOSS - ICE 2013 können in-situ detektierte Zirruspartikel in eisübersättigter Luft oberhalb der N2O-basierten chemischen Tropopause nachgewiesen werden. Mit Hilfe der N2O-CO-Korrelation sowie der Analyse von ECMWF-Modelldaten und der Berechnung von Rückwärtstrajektorien kann deren Existenz auf das irreversible Vermischen von troposphärischen und stratosphärischen Luftmassen zurückgeführt werden. Mit den in-situ Messungen von N2O, CO und CH4 (Methan) von TACTS und ESMVal 2012 werden die großräumigen Spurengasverteilungen bis zu einer potentiellen Temperatur von Theta = 410 K in der extratropischen Stratosphäre untersucht. Hierbei kann eine Verjüngung der Luftmassen in der extratropischen Stratosphäre mit Delta Theta > 30 K (relativ zur dynamischen Tropopause) über den Zeitraum der Messkampagne (28.08.2012 - 27.09.2012) nachgewiesen werden. Die Korrelation von N2O mit O3 zeigt, dass diese Verjüngung aufgrund des verstärkten Eintrages von Luftmassen aus der tropischen unteren Stratosphäre verursacht wird. Diese werden über den flachen Zweig der Brewer-Dobson-Zirkulation auf Zeitskalen von wenigen Wochen in die extratropische Stratosphäre transportiert. Anhandrnder Analyse der CO-O3-Korrelation eines Messfluges vom 30.08.2012 wird das irreversible Einmischen von Luftmassen aus der tropischen Stratosphäre in die Extratropen auf Isentropen mit Theta > 380 K identifiziert. Rückwärtstrajektorien zeigen, dass der Ursprung der eingemischten tropischen Luftmassen im Bereich der sommerlichen Antizyklone des asiatischen Monsuns liegt.

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.

Cerium oxide nanoparticle uptake kinetics from the gas-phase into lung cells in vitro is transport limited

Nowadays, aerosol processes are widely used for the manufacture of nanoparticles (NPs), creating an increased occupational exposure risk of workers, laboratory personnel and scientists to airborne particles. There is evidence that possible adverse effects are linked with the accumulation of NPs in target cells, pointing out the importance of understanding the kinetics of particle internalization. In this context, the uptake kinetics of representative airborne NPs over 30 min and their internalization after 24 h post-exposure were investigated by the use of a recently established exposure system. This system combines the production of aerosolized cerium oxide (CeO(2)) NPs by flame spray synthesis with its simultaneous particle deposition from the gas-phase onto A549 lung cells, cultivated at the air-liquid interface. Particle uptake was quantified by mass spectrometry after several exposure times (0, 5, 10, 20 and 30 min). Over 35% of the deposited mass was found internalized after 10 min exposure, a value that increased to 60% after 30 min exposure. Following an additional 24 h post-incubation, a time span, after which adverse biological effects were observed in previous experiments, over 80% of total CeO(2) could be detected intracellularly. On the ultrastructural level, focal cerium aggregates were present on the apical surface of A549 cells and could also be localized intracellularly in vesicular structures. The uptake behaviour of aerosolized CeO(2) is in line with observations on cerium suspensions, where particle mass transport was identified as the rate-limiting factor for NP internalization.

Income, Trade and Pollution in Central Asia, Russia and China: An Econometric Analysis

The study performs a panel estimation of the relationship between per capita income, trade, and airborne pollution in the five Central Asian nations, Russia and China between 1992 and 2008. First, this study uses an environmental Kuznets curve hypothesis (EKC)- an inverted-U relationship between the increase in income and the level of environmental degradation - to examine how income and pollution are related. Second, the study uses a gravity model to estimate the effect of a regional trade agreement (Shanghai Cooperation Organization: SCO) on incomes and carbon dioxide emissions in the region. Empirical analysis confirms the existence of the rising portion of the EKC curve in the region - a positive correlation between per capita income growth and carbon dioxide emissions- and that the volume of bilateral trade, and not the existence of a regional trade agreement, contributes to the increasing level of environmental pollution.

Income, Trade and Pollution in Central Asia, Russia and China: An Econometric Analysis

The study performs a panel estimation of the relationship between per capita income, trade, and airborne pollution in the five Central Asian nations, Russia and China between 1992 and 2008. First, this study uses an environmental Kuznets curve hypothesis (EKC)- an inverted-U relationship between the increase in income and the level of environmental degradation - to examine how income and pollution are related. Second, the study uses a gravity model to estimate the effect of a regional trade agreement (Shanghai Cooperation Organization: SCO) on incomes and carbon dioxide emissions in the region. Empirical analysis confirms the existence of the rising portion of the EKC curve in the region - a positive correlation between per capita income growth and carbon dioxide emissions- and that the volume of bilateral trade, and not the existence of a regional trade agreement, contributes to the increasing level of environmental pollution.

Gasoline emissions dominate over diesel in formation of secondary organic aerosol mass

Although laboratory experiments have shown that organic compounds in both gasoline fuel and diesel engine exhaust can form secondary organic aerosol (SOA), the fractional contribution from gasoline and diesel exhaust emissions to ambient SOA in urban environments is poorly known. Here we use airborne and ground-based measurements of organic aerosol (OA) in the Los Angeles (LA) Basin, California made during May and June 2010 to assess the amount of SOA formed from diesel emissions. Diesel emissions in the LA Basin vary between weekdays and weekends, with 54% lower diesel emissions on weekends. Despite this difference in source contributions, in air masses with similar degrees of photochemical processing, formation of OA is the same on weekends and weekdays, within the measurement uncertainties. This result indicates that the contribution from diesel emissions to SOA formation is zero within our uncertainties. Therefore, substantial reductions of SOA mass on local to global scales will be achieved by reducing gasoline vehicle emissions.

UAVNet: A Mobile Wireless Mesh Network Using Unmanned Aerial Vehicles

We developed UAVNet, a framework for the autonomous deployment of a flying Wireless Mesh Network using small quadrocopter-based Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). The flying wireless mesh nodes are automatically interconnected to each other and building an IEEE 802.11s wireless mesh network. The implemented UAVNet prototype is able to autonomously interconnect two end systems by setting up an airborne relay, consisting of one or several flying wireless mesh nodes. The developed software includes basic functionality to control the UAVs and to setup, deploy, manage, and monitor a wireless mesh network. Our evaluations have shown that UAVNet can significantly improve network performance.

Wetting and spreading of a surfactant film on solid particles: influence of sharp edges and surface irregularities

In addition to particle size and surface chemistry, the shape of particles plays an important role in their wetting and displacement by the surfactant film in the lung. The role of particle shape was the subject of our investigations using a model system consisting of a modified Langmuir-Wilhelmy surface balance. We measured the influence of sharp edges (lines) and other highly curved surfaces, including sharp corners or spikes, of different particles on the spreading of a dipalmitoylphosphatidyl (DPPC) film. The edges of cylindrical sapphire plates (circular curved edges, 1.65 mm radius) were wetted at a surface tension of 10.7 mJ/m2 (standard error (SE) = 0.45, n = 20) compared with that of 13.8 mJ/m2 (SE = 0.20, n = 20) for cubic sapphire plates (straight linear edges, edge length 3 mm) (p < 0.05). The top surfaces of the sapphire plates (cubic and cylindrical) were wetted at 8.4 mJ/m2 (SE = 0.54, n = 20) and 9.1 mJ/m2 (SE = 0.50, n = 20), respectively, but the difference was not significant (p > 0.05). The surfaces of the plates showed significantly higher resistance to spreading compared to that of the edges, as substantially lower surface tensions were required to initiate wetting (p < 0.05). Similar results were found for talc particles, were the edges of macro- and microcrystalline particles were wetted at 7.2 mJ/m2 (SE = 0.52, n = 20) and 8.2 mJ/m2 (SE = 0.30, n = 20) (p > 0.05), respectively, whereas the surfaces were wetted at 3.8 mJ/m2 (SE = 0.89, n = 20) and 5.8 mJ/m2 (SE = 0.52, n = 20) (p < 0.05), respectively. Further experiments with pollen of malvaceae and maize (spiky and fine knobbly surfaces) were wetted at 10.0 mJ/m2 (SE = 0.52, n = 10) and 22.75 mJ/m2 (SE = 0.81, n = 10), respectively (p < 0.05). These results show that resistance to spreading of a DPPC film on various surfaces is dependent on the extent these surfaces are curved. This is seen with cubic sapphire plates which have at their corners a radius of curvature of about 0.75 microm, spiky malvaceae pollen with an even smaller radius on top of their spikes, or talc with various highly curved surfaces. These highly curved surfaces resisted wetting by the DPPC film to a higher degree than more moderately curved surfaces such as those of cylindrical sapphire plates, maize pollens, or polystyrene spheres, which have a surface free energy similar to that of talc but a smooth surface. The macroscopic plane surfaces of the particles demonstrated the greatest resistance to spreading. This was explained by the extremely fine grooves in the nanometer range, as revealed by electron microscopy. In summary, to understand the effects of airborne particles retained on the surfaces of the respiratory tract, and ultimately their pathological potential, not only the particle size and surface chemistry but also the particle shape should be taken in consideration.

MORTALITY IN THE MEDICARE POPULATION AND CHRONIC EXPOSURE TO FINE PARTICULATE AIR POLLUTION

Prospective cohort studies have provided evidence on longer-term mortality risks of fine particulate matter (PM2.5), but due to their complexity and costs, only a few have been conducted. By linking monitoring data to the U.S. Medicare system by county of residence, we developed a retrospective cohort study, the Medicare Air Pollution Cohort Study (MCAPS), comprising over 20 million enrollees in the 250 largest counties during 2000-2002. We estimated log-linear regression models having as outcome the age-specific mortality rate for each county and as the main predictor, the average level for the study period 2000. Area-level covariates were used to adjust for socio-economic status and smoking. We reported results under several degrees of adjustment for spatial confounding and with stratification into by eastern, central and western counties. We estimated that a 10 µg/m3 increase in PM25 is associated with a 7.6% increase in mortality (95% CI: 4.4 to 10.8%). We found a stronger association in the eastern counties than nationally, with no evidence of an association in western counties. When adjusted for spatial confounding, the estimated log-relative risks drop by 50%. We demonstrated the feasibility of using Medicare data to establish cohorts for follow-up for effects of air pollution. Particulate matter (PM) air pollution is a global public health problem (1). In developing countries, levels of airborne particles still reach concentrations at which serious health consequences are well-documented; in developed countries, recent epidemiologic evidence shows continued adverse effects, even though particle levels have declined in the last two decades (2-6). Increased mortality associated with higher levels of PM air pollution has been of particular concern, giving an imperative for stronger protective regulations (7). Evidence on PM and health comes from studies of acute and chronic adverse effects (6). The London Fog of 1952 provides dramatic evidence of the unacceptable short-term risk of extremely high levels of PM air pollution (8-10); multi-site time-series studies of daily mortality show that far lower levels of particles are still associated with short-term risk (5)(11-13). Cohort studies provide complementary evidence on the longer-term risks of PM air pollution, indicating the extent to which exposure reduces life expectancy. The design of these studies involves follow-up of cohorts for mortality over periods of years to decades and an assessment of mortality risk in association with estimated long-term exposure to air pollution (2-4;14-17). Because of the complexity and costs of such studies, only a small number have been conducted. The most rigorously executed, including the Harvard Six Cities Study and the American Cancer Society’s (ACS) Cancer Prevention Study II, have provided generally consistent evidence for an association of long- term exposure to particulate matter air pollution with increased all-cause and cardio-respiratory mortality (2,4,14,15). Results from these studies have been used in risk assessments conducted for setting the U.S. National Ambient Air Quality Standard (NAAQS) for PM and for estimating the global burden of disease attributable to air pollution (18,19). Additional prospective cohort studies are necessary, however, to confirm associations between long-term exposure to PM and mortality, to broaden the populations studied, and to refine estimates by regions across which particle composition varies. Toward this end, we have used data from the U.S. Medicare system, which covers nearly all persons 65 years of age and older in the United States. We linked Medicare mortality data to (particulate matter less than 2.5 µm in aerodynamic diameter) air pollution monitoring data to create a new retrospective cohort study, the Medicare Air Pollution Cohort Study (MCAPS), consisting of 20 million persons from 250 counties and representing about 50% of the US population of elderly living in urban settings. In this paper, we report on the relationship between longer-term exposure to PM2.5 and mortality risk over the period 2000 to 2002 in the MCAPS.

Dynamic modeling, simulation and control design of a parafoil-payload system for ship launched aerial delivery system (SLADS)

The objective of this research was to develop a high-fidelity dynamic model of a parafoilpayload system with respect to its application for the Ship Launched Aerial Delivery System (SLADS). SLADS is a concept in which cargo can be transfered from ship to shore using a parafoil-payload system. It is accomplished in two phases: An initial towing phase when the glider follows the towing vessel in a passive lift mode and an autonomous gliding phase when the system is guided to the desired point. While many previous researchers have analyzed the parafoil-payload system when it is released from another airborne vehicle, limited work has been done in the area of towing up the system from ground or sea. One of the main contributions of this research was the development of a nonlinear dynamic model of a towed parafoil-payload system. After performing an extensive literature review of the existing methods of modeling a parafoil-payload system, a five degree-of-freedom model was developed. The inertial and geometric properties of the system were investigated to predict accurate results in the simulation environment. Since extensive research has been done in determining the aerodynamic characteristics of a paraglider, an existing aerodynamic model was chosen to incorporate the effects of air flow around the flexible paraglider wing. During the towing phase, it is essential that the parafoil-payload system follow the line of the towing vessel path to prevent an unstable flight condition called ‘lockout’. A detailed study of the causes of lockout, its mathematical representation and the flight conditions and the parameters related to lockout, constitute another contribution of this work. A linearized model of the parafoil-payload system was developed and used to analyze the stability of the system about equilibrium conditions. The relationship between the control surface inputs and the stability was investigated. In addition to stability of flight, one more important objective of SLADS is to tow up the parafoil-payload system as fast as possible. The tension in the tow cable is directly proportional to the rate of ascent of the parafoil-payload system. Lockout instability is more favorable when tow tensions are large. Thus there is a tradeoff between susceptibility to lockout and rapid deployment. Control strategies were also developed for optimal tow up and to maintain stability in the event of disturbances.

Effects of combustion-derived ultrafine particles and manufactured nanoparticles on heart cells in vitro

Evidence from epidemiological studies indicates that acute exposure to airborne pollutants is associated with an increased risk of morbidity and mortality attributed to cardiovascular diseases. The present study investigated the effects of combustion-derived ultrafine particles (diesel exhaust particles) as well as engineered nanoparticles (titanium dioxide and single-walled carbon nanotubes) on impulse conduction characteristics, myofibrillar structure and the formation of reactive oxygen species in patterned growth strands of neonatal rat ventricular cardiomyocytes in vitro. Diesel exhaust particles as well as titanium dioxide nanoparticles showed the most pronounced effects. We observed a dose-dependent change in heart cell function, an increase in reactive oxygen species and, for titanium dioxide, we also found a less organized myofibrillar structure. The mildest effects were observed for single-walled carbon nanotubes, for which no clear dose-dependent alterations of theta and dV/dt(max) could be determined. In addition, there was no increase in oxidative stress and no change in the myofibrillar structure. These results suggest that diesel exhaust as well as titanium dioxide particles and to a lesser extent also single-walled carbon nanotubes can directly induce cardiac cell damage and can affect the function of the cells.

In-situ measurement and characterization of cloud particles using digital in-line holography

Satellite measurement validations, climate models, atmospheric radiative transfer models and cloud models, all depend on accurate measurements of cloud particle size distributions, number densities, spatial distributions, and other parameters relevant to cloud microphysical processes. And many airborne instruments designed to measure size distributions and concentrations of cloud particles have large uncertainties in measuring number densities and size distributions of small ice crystals. HOLODEC (Holographic Detector for Clouds) is a new instrument that does not have many of these uncertainties and makes possible measurements that other probes have never made. The advantages of HOLODEC are inherent to the holographic method. In this dissertation, I describe HOLODEC, its in-situ measurements of cloud particles, and the results of its test flights. I present a hologram reconstruction algorithm that has a sample spacing that does not vary with reconstruction distance. This reconstruction algorithm accurately reconstructs the field to all distances inside a typical holographic measurement volume as proven by comparison with analytical solutions to the Huygens-Fresnel diffraction integral. It is fast to compute, and has diffraction limited resolution. Further, described herein is an algorithm that can find the position along the optical axis of small particles as well as large complex-shaped particles. I explain an implementation of these algorithms that is an efficient, robust, automated program that allows us to process holograms on a computer cluster in a reasonable time. I show size distributions and number densities of cloud particles, and show that they are within the uncertainty of independent measurements made with another measurement method. The feasibility of another cloud particle instrument that has advantages over new standard instruments is proven. These advantages include a unique ability to detect shattered particles using three-dimensional positions, and a sample volume size that does not vary with particle size or airspeed. It also is able to yield two-dimensional particle profiles using the same measurements.