Entwicklung und Anwendung von mobilen Messstrategien und Analysemethoden zur Untersuchung urbanen Aerosols

Seit Anbeginn der Menschheitsgeschichte beeinflussen die Menschen ihre Umwelt. Durch anthropogene Emissionen ändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre, was einen zunehmenden Einfluss unter anderem auf die Atmosphärenchemie, die Gesundheit von Mensch, Flora und Fauna und das Klima hat. Die steigende Anzahl riesiger, wachsender Metropolen geht einher mit einer räumlichen Konzentration der Emission von Luftschadstoffen, was vor allem einen Einfluss auf die Luftqualität der windabwärts gelegenen ruralen Regionen hat. In dieser Doktorarbeit wurde im Rahmen des MEGAPOLI-Projektes die Abluftfahne der Megastadt Paris unter Anwendung des mobilen Aerosolforschungslabors MoLa untersucht. Dieses ist mit modernen, zeitlich hochauflösenden Instrumenten zur Messung der chemischen Zusammensetzung und Größenverteilung der Aerosolpartikel sowie einiger Spurengase ausgestattet. Es wurden mobile Messstrategien entwickelt und angewendet, die besonders geeignet zur Charakterisierung urbaner Emissionen sind. Querschnittsmessfahrten durch die Abluftfahne und atmosphärische Hintergrundluftmassen erlaubten sowohl die Bestimmung der Struktur und Homogenität der Abluftfahne als auch die Berechnung des Beitrags der urbanen Emissionen zur Gesamtbelastung der Atmosphäre. Quasi-Lagrange’sche Radialmessfahrten dienten der Erkundung der räumlichen Erstreckung der Abluftfahne sowie auftretender Transformationsprozesse der advehierten Luftschadstoffe. In Kombination mit Modellierungen konnte die Struktur der Abluftfahne vertieft untersucht werden. Flexible stationäre Messungen ergänzten den Datensatz und ließen zudem Vergleichsmessungen mit anderen Messstationen zu. Die Daten einer ortsfesten Messstation wurden zusätzlich verwendet, um die Alterung des organischen Partikelanteils zu beschreiben. Die Analyse der mobilen Messdaten erforderte die Entwicklung einer neuen Methode zur Bereinigung des Datensatzes von lokalen Störeinflüssen. Des Weiteren wurden die Möglichkeiten, Grenzen und Fehler bei der Anwendung komplexer Analyseprogramme zur Berechnung des O/C-Verhältnisses der Partikel sowie der Klassifizierung der Aerosolorganik untersucht. Eine Validierung verschiedener Methoden zur Bestimmung der Luftmassenherkunft war für die Auswertung ebenfalls notwendig. Die detaillierte Untersuchung der Abluftfahne von Paris ergab, dass diese sich anhand der Erhöhung der Konzentrationen von Indikatoren für unprozessierte Luftverschmutzung im Vergleich zu Hintergrundwerten identifizieren lässt. Ihre eher homogene Struktur kann zumeist durch eine Gauß-Form im Querschnitt mit einem exponentiellen Abfall der unprozessierten Schadstoffkonzentrationen mit zunehmender Distanz zur Stadt beschrieben werden. Hierfür ist hauptsächlich die turbulente Vermischung mit Umgebungsluftmassen verantwortlich. Es konnte nachgewiesen werden, dass in der advehierten Abluftfahne eine deutliche Oxidation der Aerosolorganik im Sommer stattfindet; im Winter hingegen ließ sich dieser Prozess während der durchgeführten Messungen nicht beobachten. In beiden Jahreszeiten setzt sich die Abluftfahne hauptsächlich aus Ruß und organischen Partikelkomponenten im PM1-Größenbereich zusammen, wobei die Quellen Verkehr und Kochen sowie zusätzlich Heizen in der kalten Jahreszeit dominieren. Die PM1-Partikelmasse erhöhte sich durch die urbanen Emissionen im Vergleich zum Hintergrundwert im Sommer in der Abluftfahne im Mittel um 30% und im Winter um 10%. Besonders starke Erhöhungen ließen sich für Polyaromaten beobachten, wo im Sommer eine mittlere Zunahme von 194% und im Winter von 131% vorlag. Jahreszeitliche Unterschiede waren ebenso in der Größenverteilung der Partikel der Abluftfahne zu finden, wo im Winter im Gegensatz zum Sommer keine zusätzlichen nukleierten kleinen Partikel, sondern nur durch Kondensation und Koagulation angewachsene Partikel zwischen etwa 10nm und 200nm auftraten. Die Spurengaskonzentrationen unterschieden sich ebenfalls, da chemische Reaktionen temperatur- und mitunter strahlungsabhängig sind. Weitere Anwendungsmöglichkeiten des MoLa wurden bei einer Überführungsfahrt von Deutschland an die spanische Atlantikküste demonstriert, woraus eine Kartierung der Luftqualität entlang der Fahrtroute resultierte. Es zeigte sich, dass hauptsächlich urbane Ballungszentren von unprozessierten Luftschadstoffen betroffen sind, advehierte gealterte Substanzen jedoch jede Region beeinflussen können. Die Untersuchung der Luftqualität an Standorten mit unterschiedlicher Exposition bezüglich anthropogener Quellen erweiterte diese Aussage um einen Einblick in die Variation der Luftqualität, abhängig unter anderem von der Wetterlage und der Nähe zu Emissionsquellen. Damit konnte gezeigt werden, dass sich die entwickelten Messstrategien und Analysemethoden nicht nur zur Untersuchung der Abluftfahne einer Großstadt, sondern auch auf verschiedene andere wissenschaftliche und umweltmesstechnische Fragestellungen anwenden lassen.

Geophysical Analysis of Seasonal Montandon Gravel Ridge Water Table Fluctuation and Moisture Gradient Variation due to Storm Events

The purpose of this research project is to continue exploring the Montandon Long-Term Hydrologic Research Site(LTHR) by using multiple geophysical methods to obtain more accurate and precise information regarding subsurface hydrologic properties of a local gravel ridge,which are important to both the health of surrounding ecosystems and local agriculture. Through using non-invasive geophysical methods such as seismic refraction, Direct Current resistivity and ground penetrating radar (GPR) instead of invasive methods such as boreholedrilling which displace sediment and may alter water flow, data collection is less likely to bias the data itself. In addition to imaging the gravel ridge subsurface, another important researchpurpose is to observe how both water table elevation and the moisture gradient (moisture content of the unsaturated zone) change over a seasonal time period and directly after storm events. The combination of three types of data collection allows the strengths of each method combine together and provide a relatively strongly supported conclusions compared to previous research. Precipitation and geophysical data suggest that an overall increase in precipitation during the summer months causes a sharp decrease in subsurface resistivity within the unsaturated zone. GPR velocity data indicate significant immediate increase in moisture content within the shallow vadose zone (< 1m), suggesting that rain water was infiltrating into the shallow subsurface. Furthermore, the combination of resistivity and GPR results suggest that the decreased resistivity within the shallow layers is due to increased ion content within groundwater. This is unexpected as rainwater is assumed to have a DC resistivity value of 3.33*105 ohm-m. These results may suggest that ions within the sediment must beincorporated into the infiltrating water.

Seasonal variation and sources of low molecular weight organic acids in precipitation in the rural area of Anshun

Low mol. wt. (LMW) org. acids are important and ubiquitous chem. constituents in the atm. A comprehensive study of the chem. compn. of pptn. was carried out from June 2007 to June 2008 at a rural site in Anshun, in the west of Guizhou Province, China. During this period, 118 rainwater samples were collected and the main LMW carboxylic acids were detd. using ion chromatog. The av. pH of rainwater was 4.89 which is a typical acidic value. The most abundant carboxylic acids were formic acid (vol. wt. mean concn.: 8.77 μmol L-1) and acetic acid (6.90 μmol L-1), followed by oxalic acid (2.05 μmol L-1). The seasonal variation of concns. and wet deposition fluxes of org. acids indicated that direct vegetation emissions were the main sources of the org. acids. Highest concns. were obsd. in winter and were ascribed to the low winter rainfall and the contribution of other air pollution sources northeast of the study area. The ratio of formic and acetic acids in the pptn. ([F/A]T) was proposed as an indicator of pollution source. This suggested that the pollution resulted from direct emissions from natural or anthropogenic sources. Comparison with acid pptn. in other urban and rural areas in Guizhou showed that there was a decreasing contribution of LMW org. acids to free acidity and all anions in rainwater from urban to remote rural areas. Consequently, it is necessary to control emissions of org. acids to reduce the frequency of acid rain, esp. in rural and remote areas. [on SciFinder(R)]