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%.

Organic compounds present in the natural Amazonian aerosol : characterization by gas chromatography–mass spectrometry

[1] As part of the Large-Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia (LBA)-Cooperative LBA Airborne Regional Experiment (CLAIRE) 2001 campaign in July 2001, separate day and nighttime aerosol samples were collected at a ground-based site in Amazonia, Brazil, in order to examine the composition and temporal variability of the natural “background” aerosol. We used a high-volume sampler to separate the aerosol into fine (aerodynamic diameter, AD < 2.5 μm) and coarse (AD > 2.5 μm) size fractions and quantified a range of organic compounds in methanolic extracts of the samples by a gas chromatographic-mass spectrometric technique. The carbon fraction of the compounds could account for an average of 7% of the organic carbon (OC) in both the fine and coarse aerosol fractions. We observed the highest concentrations of sugars, sugar alcohols, and fatty acids in the coarse aerosol samples, which suggests that these compounds are associated with primary biological aerosol particles (PBAP) observed in the forest atmosphere. Of these, trehalose, mannitol, arabitol, and the fatty acids were found to be more prevalent at night, coinciding with a nocturnal increase in PBAP in the 2–10 μm size range (predominantly yeasts and other small fungal spores). In contrast, glucose, fructose, and sucrose showed persistently higher daytime concentrations, coinciding with a daytime increase in large fungal spores, fern spores, pollen grains, and, to a lesser extent, plant fragments (generally >20 μm in diameter), probably driven by lowered relative humidity and enhanced wind speeds/convective activity during the day. For the fine aerosol samples a series of dicarboxylic and hydroxyacids were detected with persistently higher daytime concentrations, suggesting that photochemical production of a secondary organic aerosol from biogenic volatile organic compounds may have made a significant contribution to the fine aerosol. Anhydrosugars (levoglucosan, mannosan, galactosan), which are specific tracers for biomass burning, were detected only at low levels in the fine aerosol samples. On the basis of the levoglucosan-to-OC emission ratio measured for biomass burning aerosol, we estimate that an average of ∼16% of the OC in the fine aerosol was due to biomass burning during CLAIRE 2001, indicating that the major fraction was associated with biogenic particles.

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)

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.

Hygroskopische Eigenschaften atmosphärischer Partikel in kontinentalen Luftmassen

Die hygroskopischen Eigenschaften sind wichtige Parameter des atmosphärischen Aerosols. Sie beeinflussen sowohl direkt über den Strahlungsantrieb, als auch indirekt über die Wechselwirkung von Aerosol und Wolken die globale Strahlungsbilanz und somit das Klima. Auch die Sichtweiteveränderung ist von ihnen abhängig. Sie beeinflussen die Partikeldeposition in der Lunge und müssen zur Vermeidung von Artefaktbildung bei der Aerosolmessung berücksichtigt werden.
Die vorliegende Dissertation beinhaltet Messungen des wasserlöslichen Volumenanteils und des hygroskopischen Wachstumsfaktors des atmosphärischen Aerosols. Mit diesen Untersuchungen konnte der überwiegende Teil (50 nm bis 4 µm Partikeldurchmesser) des für atmosphärische Prozesse relevanten Größenbereichs gleichzeitig größenaufgelöst und detailliert erfasst werden. Messungen wurden in ruralen, semi-urbanen und frei-troposphärischen Luftmassen durchgeführt. Messverfahren sind die SoFA (Water-Soluble Fraction of Large and Giant Atmospheric Particles)-Methode und der HTDMA (Hygroscopic Tandem Differential Mobility Analyzer). Im Rahmen dieser Arbeit wurde die SoFA-Methode weiterentwickelt.
Ein umfangreiches Messprogramm zeigt, dass der mittlere lösliche Volumenanteil des Aerosols mit Werten von ca. 59 % geringe Variationen zwischen den Messstandorten aufweist, lediglich in frei-troposphärischen Luftmassen liegt er mit 66 % erwartungsgemäß höher. Betrachtet man die Daten größenaufgelöst, so zeigt sich, dass im Größenbereich zwischen 200 und 500 nm Partikeldurchmesser der lösliche Volumenanteil ein Maximum aufweist. Ein in semi-urbanem Aerosol gemessener Jahresgang weist, vor allem für Partikel kleiner 300 nm, im Sommer geringere Werte als im Winter auf. Unterhalb 300 nm Partikeldurchmesser treten üblicherweise zwei, oberhalb bis zu drei Partikeltypen unterschiedlicher Hygroskopizität auf: der fast unlösliche Partikeltyp mit löslichen Volumenanteilen bis 12 %, der wahrscheinlich aus Ruß, sekundärem organischem, mineralischem und biologischem Material besteht; der teilweise lösliche Partikeltyp (50 bis 75 %), der als Mischpartikel anzusprechen ist; schließlich der überwiegend lösliche Partikeltyp (ca. 90 %), der wahrscheinlich durch Wolkenprozessierung entsteht. Der Unterschied zwischen den Messstandorten ist auch hier gering. Üblicherweise dominieren die löslicheren Partikeltypen mit relativen Anteilen von 60 bis 95 %, wobei sich ein Minimum der Häufigkeit der löslicheren Partikel zwischen 1.5 und 2.5 µm zeigt. Abschließende größenaufgelöste Modellrechnungen zum Aerosol-Feuchtewachstum unterstreichen die Relevanz dieser Untersuchungen für Strahlungs- und Wolkenprozesse.

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.

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.

Einsatz eines Aerosolmassenspektrometers während der CYPHEX-Kampagne und zur Methodenentwicklung einer Echtzeitquantifizierung gasförmiger Amine

Atmosphärische Aerosole haben einen starken Einfluss auf das Klima, der bisher nur grundlegend verstanden ist und weiterer Forschung bedarf. Das atmosphärische Verhalten der Aerosolpartikel hängt maßgeblich von ihrer Größe und chemischen Zusammensetzung ab. Durch Reflexion, Absorption und Streuung des Sonnenlichtes verändern sie den Strahlungshaushalt der Erde direkt und durch ihre Einflussnahme auf die Wolkenbildung indirekt. Besonders gealterte, stark oxidierte organische Aerosole mit großem Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis wirken als effektive Wolkenkondensationskeime. Neben primären Aerosolpartikeln, die direkt partikelförmig in die Atmosphäre gelangen, spielen sekundäre Aerosolpartikel eine große Rolle, die aus Vorläufergasen in der Atmosphäre entstehen. Aktuelle Forschungsergebnisse legen nahe, dass kurzkettige aliphatische Amine bei Nukleationsprozessen beteiligt sind und somit die Partikelneubildung vielerorts mitsteuern. Um die Rolle von Aminen in der Atmosphäre besser erforschen und industrielle Emissionen kontrollieren zu können, bedarf es einer zuverlässigen Methode zur Echtzeitquantifizierung gasförmiger Amine mit hoher Zeitauflösung und niedriger Nachweisgrenze.rnDas hochauflösende Flugzeit-Aerosolmassenspektrometer (HR-ToF-AMS) bietet die Möglichkeit, atmosphärische Partikel in Echtzeit zu analysieren. Dabei werden Größe, Menge und grundlegende chemische Zusammensetzung erfasst. Anorganische Aerosolbestandteile können eindeutig zugeordnet werden. Es ist jedoch kaum möglich, einzelne organische Verbindungen in den komplizierten Massenspektren atmosphärischer Aerosole zu identifizieren und quantifizieren.rnIn dieser Arbeit wird atmosphärisches Aerosol untersucht, das im Westen Zyperns während der CYPHEX-Kampagne mit einem HR-ToF-AMS gemessen wurde. An diesem Standort ist vor allem stark gealtertes Aerosol vorzufinden, das aus Zentral- und Westeuropa stammt. Lokale Einflüsse spielen fast keine Rolle. Es wurde eine durchschnittliche Massenkonzentration von 10,98 μg/m3 gefunden, zusammengesetzt aus 57 % Sulfat, 30 % organischen Bestandteilen, 12 % Ammonium, < 1 % Nitrat und < 1 % Chlorid, bezogen auf das Gewicht. Der Median des vakuum-aerodynamischen Durchmessers betrug 446,25 nm. Es wurde sehr acides Aerosol gefunden, dessen anorganische Bestandteile weitgehend der Zusammensetzung von Ammoniumhydrogensulfat entsprachen. Tag-Nacht-Schwankungen in der Zusammensetzung wurden beobachtet. Die Sulfatkonzentration und die Acidität zeigten tagsüber Maxima und nachts Minima. Konzentrationsschwankungen an Nitrat und Chlorid zeigten einen weniger ausgeprägten Rhythmus, Maxima fallen aber immer mit Minima der Sulfatkonzentration, Aerosolacidität und Umgebungstemperatur zusammen. Organische Aerosolbestandteile entsprachen stark gealtertem, schwerflüchtigem oxidiertem organischem Aerosol. Es wurde eine interne Mischung der Partikel beobachtet, die ebenfalls meist bei alten Aerosolen auftritt.rnUm mit dem HR-ToF-AMS auch einzelne organische Verbindungen identifizieren und quantifizieren zu können, wurde eine Methode entwickelt, mit der man Amine der Gasphase selektiv in künstlich erzeugte Phosphorsäurepartikel aufnimmt und so für die HR-ToF-AMS-Messung zugänglich macht. Dadurch kombiniert man die Vorteile der Online-Messung des HR-ToF-AMS mit den Vorteilen klassischer Offline-Probenahmen. So können in Echtzeit sehr einfache Massenspektren gemessen werden, in denen störende Komponenten abgetrennt sind, während die Analyten eindeutig identifiziert werden können. Systeme dieser Art wurden GTRAP-AMS (Gaseous compound TRapping in Artificially-generated Particles – Aerosol Mass Spectrometry) genannt. Kalibrierungen für (Mono)Methylamin, Dimethylamin, Trimethylamin, Diethylamin und Triethylamin ergaben Nachweisgrenzen im ppt-Bereich bei einer Zeitauflösung von 3 min. Kammerexperimente zur Aminemission von Pflanzen zeigten eine gute Übereinstimmung des neu entwickelten Systems mit einer Gasdiffusionsabscheider-Offline-Probenahme und anschließender ionenchromatographischer Analyse. Beide Methoden zeigten Reaktionen der Pflanzen auf eine Veränderung der Lichtverhältnisse, während erhöhte Ozonkonzentrationen die Aminemission nicht veränderten. Die GTRAP-AMS-Methode eignet sich bereits für die Messung von Umgebungsluftkonzentrationen an einigen Orten, für die meisten Orte reicht die Nachweisgrenze allerdings noch nicht aus. Die Technik könnte bereits zur Echtzeitkontrolle industrieller Abgasemissionen eingesetzt werden.

Characterization of water-soluble organic compounds in ambient aerosol using ultrahigh-resolution elctrospray ionization fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry.

Atmospheric aerosol water-soluble organic compounds (WSOC) exist in a complex mixture of thousands of organic compounds which may have a significant influence on the climate-relevant properties of the atmospheric aerosol. To understand the potential influences, the ambient aerosol was collected at a nonurban mountainous site near Steamboat Springs, CO. The WSOC fraction was analyzed using positive and negative electrospray ionization Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Approximately 2400 and 4000 molecular formulas were identified from the detected positive and negative ions, respectively. The formulas contained carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O), nitrogen (N), and sulfur (S) atoms over the mass range of 100-800 Da in both ionization modes. The number range of double bond equivalents (DBE), the mean O:C, H:C, and oxidation state of carbon for the positive ions were 0 – 18, 0.25 ± 0.15, 1.39 ± 0.29, and -0.89 ± 0.23, respectively. Comparatively, the negative ion values were 0 – 14, 0.53 ± 0.20, 1.48 ± 0.30, and -0.41 ± 0.45, respectively. Overall, the positive ion molecular formulas were less oxygenated than negative ions as seen with the lower O:C and OSc values. Molecular formulas of the positive ions classified as aliphatic, olefinic, and aromatic compound classes based on the aromaticity index values. Aliphatic compounds were the CHNO and CHO formulas that had mean DBE values of about 5 and 3, respectively. However, a majority of the CHOS, CHNOS, and CHS formulas were defined as olefinic compounds and had mean DBE values of about 12, 13, and 10, respectively. Overall, more than half of the assigned molecular formulas contained sulfur and were olefinic to aromatic compounds with a DBE range of 7-18. Source of the unsaturated sulfur containing compounds is currently unknown. Several nitrogen containing compounds were in common with the field and laboratory studies of the biomass burning aerosol and aged secondary organic aerosol products of the limonene ozonolysis.

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.

Characterization and source apportionment of organic aerosol using offline aerosol mass spectrometry

Field deployments of the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (AMS) have significantly advanced real-time measurements and source apportionment of non-refractory particulate matter. However, the cost and complex maintenance requirements of the AMS make its deployment at sufficient sites to determine regional characteristics impractical. Furthermore, the negligible transmission efficiency of the AMS inlet for supermicron particles significantly limits the characterization of their chemical nature and contributing sources. In this study, we utilize the AMS to characterize the water-soluble organic fingerprint of ambient particles collected onto conventional quartz filters, which are routinely sampled at many air quality sites. The method was applied to 256 particulate matter (PM) filter samples (PM1, PM2:5, and PM10, i.e., PM with aerodynamic diameters smaller than 1, 2.5, and 10 μm, respectively), collected at 16 urban and rural sites during summer and winter. We show that the results obtained by the present technique compare well with those from co-located online measurements, e.g., AMS or Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM). The bulk recoveries of organic aerosol (60–91 %) achieved using this technique, together with low detection limits (0.8 μg of organic aerosol on the analyzed filter fraction) allow its application to environmental samples. We will discuss the recovery variability of individual hydrocarbon ions, ions containing oxygen, and other ions. The performance of such data in source apportionment is assessed in comparison to ACSM data. Recoveries of organic components related to different sources as traffic, wood burning, and secondary organic aerosol are presented. This technique, while subjected to the limitations inherent to filter-based measurements (e.g., filter artifacts and limited time resolution) may be used to enhance the AMS capabilities in measuring size-fractionated, spatially resolved longterm data sets.

Investigating the origin of PM2.5 in Baltimore using highly time-resolved organic molecular markers measured during the Baltimore PM-supersite

The detailed organic composition of atmospheric fine particles with an aerodynamic diameter smaller than or equal to 2.5 micrometers (PM2.5) is an integral part of the knowledge needed in order to fully characterize its sources and transformation in the environment. For the study presented here, samples were collected at 3-hour intervals. This high time resolution allows gaining unique insights on the influence of short- and long-range transport phenomena, and dynamic atmospheric processes. A specially designed sequential sampler was deployed at the 2002-2003 Baltimore PM-Supersite to collect PM2.5 samples at a 3-hourly resolution for extended periods of consecutive days, during both summer and winter seasons. Established solvent-extraction and GC-MS techniques were used to extract and analyze the organic compounds in 119 samples from each season. Over 100 individual compounds were quantified in each sample. For primary organics, averaging the diurnal ambient concentrations over the sampled periods revealed ambient patterns that relate to diurnal emission patterns of major source classes. Several short-term releases of pollutants from local sources were detected, and local meteorological data was used to pinpoint possible source regions. Biogenic secondary organic compounds were detected as well, and possible mechanisms of formation were evaluated. The relationships between the observed continuous variations of the concentrations of selected organic markers and both the on-site meteorological measurements conducted parallel to the PM2.5 sampling, and the synoptic patterns of weather and wind conditions were also examined. Several one-to-two days episodes were identified from the sequential variation of the concentration observed for specific marker compounds and markers ratios. The influence of the meteorological events on the concentrations of the organic compounds during selected episodes was discussed. It was observed that during the summer, under conditions of pervasive influence of air masses originated from the west/northwest, some organic species displayed characteristics consistent with the measured PM2.5 being strongly influenced by the aged nature of these long-traveling background parcels. During the winter, intrusions from more regional air masses originating from the south and the southwest were more important.

Investigating the origin of PM2.5 in Baltimore using highly time-resolved organic molecular markers measured during the Baltimore PM-supersite

The detailed organic composition of atmospheric fine particles with an aerodynamic diameter smaller than or equal to 2.5 micrometers (PM 2.5) is an integral part of the knowledge needed in order to fully characterize its sources and transformation in the environment. For the study presented here, samples were collected at 3-hour intervals. This high time resolution allows gaining unique insights on the influence of short- and long-range transport phenomena, and dynamic atmospheric processes. A specially designed sequential sampler was deployed at the 2002-2003 Baltimore PM Supersite to collect PM2.5 samples at a 3-hourly resolution for extended periods of consecutive days, during both summer and winter seasons. Established solvent-extraction and GC-MS techniques were used to extract and analyze the organic compounds in 119 samples from each season. Over 100 individual compounds were quantified in each sample. For primary organics, averaging the diurnal ambient concentrations over the sampled periods revealed ambient patterns that relate to diurnal emission patterns of major source classes. Several short-term releases of pollutants from local sources were detected, and local meteorological data was used to pinpoint possible source regions. Biogenic secondary organic compounds were detected as well, and possible mechanisms of formation were evaluated. The relationships between the observed continuous variations of the concentrations of selected organic markers and both the on-site meteorological measurements conducted parallel to the PM2.5 sampling, and the synoptic patterns of weather and wind conditions were also examined. Several one-to-two days episodes were identified from the sequential variation of the concentration observed for specific marker compounds and markers ratios. The influence of the meteorological events on the concentrations of the organic compounds during selected episodes was discussed. It was observed that during the summer, under conditions of pervasive influence of air masses originated from the west/northwest, some organic species displayed characteristics consistent with the measured PM2.5 being strongly influenced by the aged nature of these long-traveling background parcels. During the winter, intrusions from more regional air masses originating from the south and the southwest were more important.