Aerosol scattering and absorption during the EUCAARI-LONGREX flights of the Facility for Airborne Atmospheric Measurements (FAAM) BAe-146: can measurements and models agree?

Scattering and absorption by aerosol in anthropogenically perturbed air masses over Europe has been measured using instrumentation flown on the UK’s BAe-146-301 large Atmospheric Research Aircraft (ARA) operated by the Facility for Airborne Atmospheric Measurements (FAAM) on 14 flights during the EUCAARI-LONGREX campaign in May 2008. The geographical and temporal variations of the derived shortwave optical properties of aerosol are presented. Values of single scattering albedo of dry aerosol at 550 nm varied considerably from 0.86 to near unity, with a campaign average of 0.93 ± 0.03. Dry aerosol optical depths ranged from 0.030 ± 0.009 to 0.24 ± 0.07. An optical properties closure study comparing calculations from composition data and Mie scattering code with the measured properties is presented. Agreement to within measurement uncertainties of 30% can be achieved for both scattering and absorption,but the latter is shown to be sensitive to the refractive indices chosen for organic aerosols, and to a lesser extent black carbon, as well as being highly dependent on the accuracy of the absorption measurements. Agreement with the measured absorption can be achieved either if organic carbon is assumed to be weakly absorbing, or if the organic aerosol is purely scattering and the absorption measurement is an overestimate due to the presence of large amounts of organic carbon. Refractive indices could not be inferred conclusively due to this uncertainty, despite the enhancement in methodology compared to previous studies that derived from the use of the black carbon measurements. Hygroscopic growth curves derived from the wet nephelometer indicate moderate water uptake by the aerosol with a campaign mean f (RH) value (ratio in scattering) of 1.5 (range from 1.23 to 1.63) at 80% relative humidity. This value is qualitatively consistent with the major chemical components of the aerosol measured by the aerosol mass spectrometer, which are primarily mixed organics and nitrate and some sulphate.

Atmospheric chemistry and physics in the atmosphere of a developed megacity (London): an overview of the REPARTEE experiment and its conclusions

The REgents PARk and Tower Environmental Experiment (REPARTEE) comprised two campaigns in London in October 2006 and October/November 2007. The experiment design involved measurements at a heavily trafficked roadside site, two urban background sites and an elevated site at 160–190 m above ground on the BT Tower, supplemented in the second campaign by Doppler lidar measurements of atmospheric vertical structure. A wide range of measurements of airborne particle physical metrics and chemical composition were made as well as measurements of a considerable range of gas phase species and the fluxes of both particulate and gas phase substances. Significant findings include (a) demonstration of the evaporation of traffic-generated nanoparticles during both horizontal and vertical atmospheric transport; (b) generation of a large base of information on the fluxes of nanoparticles, accumulation mode particles and specific chemical components of the aerosol and a range of gas phase species, as well as the elucidation of key processes and comparison with emissions inventories; (c) quantification of vertical gradients in selected aerosol and trace gas species which has demonstrated the important role of regional transport in influencing concentrations of sulphate, nitrate and secondary organic compounds within the atmosphere of London; (d) generation of new data on the atmospheric structure and turbulence above London, including the estimation of mixed layer depths; (e) provision of new data on trace gas dispersion in the urban atmosphere through the release of purposeful tracers; (f) the determination of spatial differences in aerosol particle size distributions and their interpretation in terms of sources and physico-chemical transformations; (g) studies of the nocturnal oxidation of nitrogen oxides and of the diurnal behaviour of nitrate aerosol in the urban atmosphere, and (h) new information on the chemical composition and source apportionment of particulate matter size fractions in the atmosphere of London derived both from bulk chemical analysis and aerosol mass spectrometry with two instrument types.

Airborne measurements of trace gases and aerosols over the London metropolitan region

The Emissions around the M25 motorway (EM25) campaign took place over the megacity of London in the United Kingdom in June 2009 with the aim of characterising trace gas and aerosol composition and properties entering and emitted from the urban region. It featured two mobile platforms, the UK BAe-146 Facility for Airborne Atmospheric Measurements (FAAM) research aircraft and a ground-based mobile lidar van, both travelling in circuits around London, roughly following the path of the M25 motorway circling the city. We present an overview of findings from the project, which took place during typical UK summertime pollution conditions. Emission ratios of volatile organic compounds (VOCs) to acetylene and carbon monoxide emitted from the London region were consistent with measurements in and downwind of other large urban areas and indicated traffic and associated fuel evaporation were major sources. Sub-micron aerosol composition was dominated by secondary species including sulphate (24% of sub-micron mass in the London plume and 29% in the non-plume regional aerosol), nitrate (24% plume; 20% regional) and organic aerosol (29% plume; 31% regional). The primary sub-micron aerosol emissions from London were minor compared to the larger regional background, with only limited increases in aerosol mass in the urban plume compared to the background (~12% mass increase on average). Black carbon mass was the major exception and more than doubled in the urban plume, leading to a decrease in the single scattering albedo from 0.91 in the regional aerosol to 0.86 in the London plume, on average. Our observations indicated that regional aerosol plays a major role on aerosol concentrations around London, at least during typical summertime conditions, meaning future efforts to reduce PM levels in London must account for regional as well as local aerosol sources.

A multi-model evaluation of aerosols over South Asia: common problems and possible causes

Atmospheric pollution over South Asia attracts special attention due to its effects on regional climate, water cycle and human health. These effects are potentially growing owing to rising trends of anthropogenic aerosol emissions. In this study, the spatio-temporal aerosol distributions over South Asia from seven global aerosol models are evaluated against aerosol retrievals from NASA satellite sensors and ground-based measurements for the period of 2000–2007. Overall, substantial underestimations of aerosol loading over South Asia are found systematically in most model simulations. Averaged over the entire South Asia, the annual mean aerosol optical depth (AOD) is underestimated by a range 15 to 44% across models compared to MISR (Multi-angle Imaging SpectroRadiometer), which is the lowest bound among various satellite AOD retrievals (from MISR, SeaWiFS (Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor), MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) Aqua and Terra). In particular during the post-monsoon and wintertime periods (i.e., October–January), when agricultural waste burning and anthropogenic emissions dominate, models fail to capture AOD and aerosol absorption optical depth (AAOD) over the Indo–Gangetic Plain (IGP) compared to ground-based Aerosol Robotic Network (AERONET) sunphotometer measurements. The underestimations of aerosol loading in models generally occur in the lower troposphere (below 2 km) based on the comparisons of aerosol extinction profiles calculated by the models with those from Cloud–Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP) data. Furthermore, surface concentrations of all aerosol components (sulfate, nitrate, organic aerosol (OA) and black carbon (BC)) from the models are found much lower than in situ measurements in winter. Several possible causes for these common problems of underestimating aerosols in models during the post-monsoon and wintertime periods are identified: the aerosol hygroscopic growth and formation of secondary inorganic aerosol are suppressed in the models because relative humidity (RH) is biased far too low in the boundary layer and thus foggy conditions are poorly represented in current models, the nitrate aerosol is either missing or inadequately accounted for, and emissions from agricultural waste burning and biofuel usage are too low in the emission inventories. These common problems and possible causes found in multiple models point out directions for future model improvements in this important region.

Rainforest Aerosols as Biogenic Nuclei of Clouds and Precipitation in the Amazon

The Amazon is one of the few continental regions where atmospheric aerosol particles and their effects on climate are not dominated by anthropogenic sources. During the wet season, the ambient conditions approach those of the pristine pre-industrial era. We show that the fine submicrometer particles accounting for most cloud condensation nuclei are predominantly composed of secondary organic material formed by oxidation of gaseous biogenic precursors. Supermicrometer particles, which are relevant as ice nuclei, consist mostly of primary biological material directly released from rainforest biota. The Amazon Basin appears to be a biogeochemical reactor, in which the biosphere and atmospheric photochemistry produce nuclei for clouds and precipitation sustaining the hydrological cycle. The prevailing regime of aerosol-cloud interactions in this natural environment is distinctly different from polluted regions.

Spectral absorption properties of aerosol particles from 350-2500nm

The aerosol spectral absorption efficiency (alpha(a) in m(2)/g) is measured over an extended wavelength range (350-2500 nm) using an improved calibrated and validated reflectance technique and applied to urban aerosol samples from Sao Paulo, Brazil and from a site in Virginia, Eastern US, that experiences transported urban/industrial aerosol. The average alpha(a) values (similar to 3m(2)/g at 550 nm) for Sao Paulo samples are 10 times larger than a a values obtained for aerosols in Virginia. Sao Paulo aerosols also show evidence of enhanced UV absorption in selected samples, probably associated with organic aerosol components. This extra UV absorption can double the absorption efficiency observed from black carbon alone, therefore reducing by up to 50% the surface UV fluxes, with important implications for climate, UV photolysis rates, and remote sensing from space. Citation: Martins, J.V., P. Artaxo, Y.J. Kaufman, A.D. Castanho, and L.A. Remer (2009), Spectral absorption properties of aerosol particles from 350-2500nm, Geophys. Res. Lett., 36, L13810, doi: 10.1029/2009GL037435.

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.

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

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

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.

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

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

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

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

Einzelpartikel- und Ensemblemessungen mit dem Aerosolmassenspektrometer (AMS): Untersuchungen zu Quellen und chemischer Prozessierung von Aerosolpartikeln im Submikrometerbereich

Atmosphärische Aerosolpartikel haben einen Einfluss sowohl auf das Klima als auch auf die menschliche Gesundheit, wobei sowohl die Größe, als auch die chemische Zusammensetzung der Partikel maßgeblich sind. Um insbesondere die chemische Zusammensetzung der Partikel in Abhängigkeit ihrer Quellen besser zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit massenspektrometrische Untersuchungen thermisch verdampfbarer Partikel im Submikrometerbereich durchgeführt. Hierzu wurden sowohl die Massenspektren einzelner Partikel, als auch die von Ensembles von Partikeln mit dem Aerodyne Aerosolmassenspektrometer (AMS) in mehreren Feldmesskampagnen untersucht. Für die Messung von Einzelpartikelmassenspektren wurde das AMS zunächst durch den Einbau eines optischen Partikeldetektors (light scattering probe) modifiziert und anschließend eingehend charakterisiert. Dabei wurde festgestellt, dass mit dem Gerät im Partikelgrößenbereich von etwa 400-750 nm (untere Grenze bedingt durch die Detektionseffizienz des optischen Detektors, obere Grenze durch die Transmissionseffizienz des Aerosoleinlasssystems) quantitative Einzelpartikelmessungen möglich sind. Zudem wurde die Analyse der erhaltenen Messdaten systematisiert, und durch Einsatz von Standardspektren ein Sortieralgorithmus für die Einzelpartikelmassenspektren entwickelt, der erfolgreich auf Daten von Feldmesskampagnen angewandt werden konnte. Mit diesem Sortieralgorithmus sind zudem quantitative Aussagen über die verschiedenen Partikelbestandteile möglich. Im Sommer 2009 und im Winter 2010 fanden im Großraum Paris zwei einmonatige Feldmesskampagnen statt, bei denen unter anderem der Einfluss der Abluftfahne der Megastadt auf seine Vororte untersucht wurde. Erhöhte Konzentrationen sekundär gebildeter Aerosolkomponenten (Nitrat, Sulfat, oxidiertes organisches Aerosol (OOA)) waren insbesondere beim Herantransport kontinentaler Luftmassen zu beobachten. Im Gegensatz dazu waren die beobachteten Konzentrationen der Tracer primärer Emissionen NOx, BC (black carbon) und HOA (hydrocarbonlike organic aerosol) neben der lokalen Quellstärke insbesondere durch die herrschende Windgeschwindigkeit beeinflusst. Aus dem Vergleich der Messungen an drei Stationen konnte der Einfluss der Megastadt Paris auf seine Vororte (unter Annahme gleicher lokaler Emissionen an den zwei Vorort-Stationen) zu 0,1-0,7 µg m-3 BC, 0,3-1,1 µg m-3 HOA, und 3-5 ppb NOx abgeschätzt werden. Zudem konnten für zwei Stationen aus den Ensemble- bzw. den Einzelpartikelmessungen unabhängig voneinander zwei verschiedene HOA-Typen unterschieden werden, die den Quellen „Kochen“ und „Autoabgase“ zugeordnet wurden. Der Anteil der Partikel aus den Quellen „Kochen“ bzw. „Autoabgase“ am Gesamt-HOA betrug 65,5 % und 34,5 % für die Ensemblemessungen in der Innenstadt (nahe vieler Restaurants), und für die Einzelpartikelmessungen in einem Vorort 59 % bzw. 41 % (bezogen auf die Partikelanzahl, welche hier der Masse etwa proportional ist). Die Analyse der Einzelpartikelmassenspektren erbrachte zudem neue Erkenntnisse über den Mischungszustand der Einzelpartikel. So konnte belegt werden, dass Nitrat, Sulfat und OOA intern gemischt sind, HOA-Partikel aber als externe Mischung mit diesen vorliegen. Zudem konnte anhand der Tagesgänge der Masse pro Partikel von OOA, Nitrat und Sulfat und der Anzahl der diese Substanzen enthaltenden Partikel gezeigt werden, dass der im Ensemblemodus beobachtete fehlende Tagesgang der Sulfat-Massenkonzentration wahrscheinlich durch die gegensätzlichen Effekte der Modulation der Partikelanzahlkonzentration durch die sich verändernde Mischungsschichthöhe und der variierenden Masse an Sulfat pro Partikel (mittägliche photochemische Neuproduktion und Kondensation auf existierende Partikel) erklärt werden kann. Für OOA ist eine ähnliche Erklärung des Ensemblemodus-Tagesganges jedoch nur teilweise möglich; weitere Arbeit ist daher nötig, um auch für diese Substanzklasse belastbare Aussagen aus dem Vergleich der Ensemble- und Einzelpartikelmessungen zu erhalten. Im Rahmen einer Labormesskampagne an der AIDA-Kammer in Karlsruhe wurden Ensemble- und Einzelpartikelmassenspektren von Bakterien aufgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass es prinzipiell möglich ist, Bakterien in Außenluft mittels Einzelpartikelmessungen nachzuweisen, jedoch wahrscheinlich nur bei sehr hohen Anzahlkonzentrationen. Der Nachweis von Bakterien und anderen primären biologischen Aerosolpartikeln mit dem AMS sollte daher in weiterführenden Experimenten noch optimiert werden.

Microscopic and spectroscopic analysis of biogenic aerosols

Aerosol particles are important actors in the Earth’s atmosphere and climate system. They scatter and absorb sunlight, serve as nuclei for water droplets and ice crystals in clouds and precipitation, and are a subject of concern for public health. Atmospheric aerosols originate from both natural and anthropogenic sources, and emissions resulting from human activities have the potential to influence the hydrological cycle and climate. An assessment of the extent and impacts of this human force requires a sound understanding of the natural aerosol background. This dissertation addresses the composition, properties, and atmospheric cycling of biogenic aerosol particles, which represent a major fraction of the natural aerosol burden. The main focal points are: (i) Studies of the autofluo-rescence of primary biological aerosol particles (PBAP) and its application in ambient measure-ments, and (ii) X-ray microscopic and spectroscopic investigations of biogenic secondary organic aerosols (SOA) from the Amazonian rainforest.rnAutofluorescence of biological material has received increasing attention in atmospheric science because it allows real-time monitoring of PBAP in ambient air, however it is associated with high uncertainty. This work aims at reducing the uncertainty through a comprehensive characterization of the autofluorescence properties of relevant biological materials. Fluorescence spectroscopy and microscopy were applied to analyze the fluorescence signatures of pure biological fluorophores, potential non-biological interferences, and various types of reference PBAP. Characteristic features and fingerprint patterns were found and provide support for the operation, interpretation, and further development of PBAP autofluorescence measurements. Online fluorescence detection and offline fluorescence microscopy were jointly applied in a comprehensive bioaerosol field measurement campaign that provided unprecedented insights into PBAP-linked biosphere-atmosphere interactions in a North-American semi-arid forest environment. Rain showers were found to trigger massive bursts of PBAP, including high concentrations of biological ice nucleators that may promote further precipitation and can be regarded as part of a bioprecipitation feedback cycle in the climate system. rnIn the pristine tropical rainforest air of the Amazon, most cloud and fog droplets form on bio-genic SOA particles, but the composition, morphology, mixing state and origin of these particles is hardly known. X-ray microscopy and spectroscopy (STXM-NEXAFS) revealed distinctly different types of secondary organic matter (carboxyl- vs. hydroxy-rich) with internal structures that indicate a strong influence of phase segregation, cloud and fog processing on SOA formation, and aging. In addition, nanometer-sized potassium-rich particles emitted by microorganisms and vegetation were found to act as seeds for the condensation of SOA. Thus, the influence of forest biota on the atmospheric abundance of cloud condensation nuclei appears to be more direct than previously assumed. Overall, the results of this dissertation suggest that biogenic aerosols, clouds and precipitation are indeed tightly coupled through a bioprecipitation cycle, and that advanced microscopic and spectroscopic techniques can provide detailed insights into these mechanisms.rn

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.

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.