Analyzing glycerol-mediated protein oligomerization by electrospray ionization mass spectrometry

Glycerol is widely used as protein stabilizer, in both local and commercial preparations, so it has become necessary to develop methods for mass spectrometric analysis of protein preparations in the presence of glycerol. However, this stabilizing agent may cause signal suppression when present in high concentrations, and is also known to induce protein supercharging even at low concentrations. This work reports the,use of electrospray ionization (ESI) mass spectrometry to characterize glycerol-mediated protein oligomerization. this phenomenon seems to involve the formation of strong non-covalent interactions between protein and glycerol involving close contact between the monomers, leading to formation of protein oligomers adducted with glycerol molecules under the characteristic analytical conditions of the ESI interface. At high orders of oligomerization a lower number of glycerol molecules is required to maintain the high oligomeric states than for the dimers and trimers, and it is possible that for the higher oligomers the monomers become so close to one another that non-covalent bonds between the side chains of the amino acid residues in the proteins may be established. Copyright (C) 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

Lightning activity in Brazilian thunderstorms during TROCCINOX: implications for NOx production

During the TROCCINOX field experiment in January and February 2005, the contribution of lightning-induced nitrogen oxides (LNOx) from tropical and subtropical thunderstorms in Southern Brazil was investigated. Airborne trace gas measurements (NO, NOy, CO and O-3) were performed up to 12.5 km with the German research aircraft Falcon. During anvil penetrations in selected tropical and subtropical thunderstorms of 4 and 18 February, NOx mixing ratios were on average enhanced by 0.7-1.2 and 0.2-0.8 nmol mol(-1) totally, respectively. The relative contributions of boundary layer NOx (BL-NOx) and LNOx to anvil-NOx were derived from the NOx-CO correlations. on average similar to 80-90% of the anvil-NOx was attributed to LNOx. A Lightning Location Network (LINET) was set up to monitor the local distribution of cloud-to-ground (CG) and intra-cloud (IC) radiation sources (here called 'strokes') and compared with lightning data from the operational Brazilian network RINDAT (Rede Integrada Nacional de Deteccao de Descargas Atmosfericas). The horizontal LNOx mass flux out of the anvil was determined from the mean LNOx mixing ratio, the horizontal outflow velocity and the size of the vertical cross-section of the anvil, and related to the number of strokes contributing to LNOx. The values of these parameters were derived from the airborne measurements, from lightning and radar observations, and from a trajectory analysis. The amount of LNOx produced per LINET stroke depending on measured peak current was determined. The results were scaled up with the Lightning Imaging Sensor (LIS) flash rate (44 flashes s(-1)) to obtain an estimate of the global LNOx production rate. The final results gave similar to 1 and similar to 2-3 kg(N) per LIS flash based on measurements in three tropical and one subtropical Brazilian thunderstorms, respectively, suggesting that tropical flashes may be less productive than subtropical ones. The equivalent mean annual global LNOx nitrogen mass production rate was estimated to be 1.6 and 3.1 Tg a(-1), respectively. By use of LINET observations in Germany in July 2005, a comparison with the lightning activity in mid-latitude thunderstorms was also performed. In general, the same frequency distribution of stroke peak currents as for tropical thunderstorms over Brazil was found. The different LNOx production rates per stroke in tropical thunderstorms compared with subtropical and mid-latitude thunderstorms seem to be related to the different stroke lengths (inferred from comparison with laboratory data and observed lengths). In comparison, the impact of other lightning parameters as stroke peak current and stroke release height was assessed to be minor. The results from TROCCINOX suggest that the different vertical wind shear may be responsible for the different stroke lengths.

Evaluation of cutting patterns produced with air-abrasion systems using different tip designs.

This study assessed cavity preparations produced with different air abrasion tip parameters. Twelve test groups of extracted teeth were prepared to evaluate the parameters of 80 degrees or 45 degrees nozzle angles and 0.38 or 0.48 mm inner tip diameters. All other factors were held constant. A device was made to hold the specimen and air abrasion handpiece that standardized the distance and position relative to the tooth and time of application. The cavities were evaluated by assessing the rounding of the cavosurface margins and cavity floor. Measurements of cavosurface angles and the angle of concavity were made at the deepest portion of the abraded surface using scanning electron micrographs. The cavosurface angles were compared using paired t-test, and the effects of the tip design parameters were analyzed by ANOVA and Duncan's Multiple Range test. From the cavity patterns found in this study, the authors suggest that 80 degrees angle tips are more appropriate than 45 degrees angle tips for making narrow, deep cuts for preventive resin restorations. Conversely, when shallow preparations are needed, as in the case of Class V cavity preparations, cutting patterns of 45 degrees angle tips are more suitable.

The effect of glycerol on signal supression during electrospray ionization analysis of proteins

The effect of salts, detergents and chaotropic agents on mass spectrometric analysis are relatively well understood, mainly due to their actions decreasing the performance of ESI interface in mass spectrometric analysis. However, there are few studies in the literature characterizing the effect of protein stabilization by glycerol, followed in some circumstances by the suppression of protein signal when ESI interface is used. The aim of the present research was to investigate in details the mass spectrometric behavior of some proteins in presence of high levels of glycerol during ESI-MS analysis. Thus, horse heart myoglobin and chicken ovalbumin were used as standard proteins. It was demonstrated that the presence of 1% (v/v) glycerol suppressed the signal of these proteins during the ESI-MS analysis, even when the sample nozzle potential was scanned from 28 to 80 V. However, when the glycerol concentration was decreased to 0.5% (v/v) and the sample cone voltage adjusted to 50 V, a perfect envelope of peaks was observed, allowing the spectrum deconvolution and the molecular mass determination with mass accuracy lower than 0.01% in each situation. A molecular explanation for this suppressive effect and for the analytical overcoming of this difficult is proposed.

Determination of BTEX by GC-MS in air of offset printing plants: Comparison between conventional and ecological inks

The use of inks containing organic solvents by the offset printing process implies in the release of volatile organic compounds to the work environment. Many of these compounds such as benzene, toluene, ethylbenzene, and the xylene isomers (well known by the acronym BTEX) are extremely toxic. In this study, the BTEX concentrations were determined in two different printing plants that use distinct types of inks: the conventional and the so-called ecological, which is manufactured based on vegetal oil. Concentration ranges were 43-84, 15-3,480, 2-133, 5-459, and 2-236 μg m-3 for benzene, toluene, ethylbenzene, m + p-xylene, and o-xylene, respectively, for the conventional printing plant. At the ecological printing plant, concentration ranges were below limit of detection (

Indoor air quality assessment of elementary schools in Curitiba, Brazil

The promotion of good indoor air quality in schools is of particular public concern for two main reasons: (1) school-age children spend at least 30% of their time inside classrooms and (2) indoor air quality in urban areas is substantially influenced by the outdoor pollutants, exposing tenants to potentially toxic substances. Two schools in Curitiba, Brazil, were selected to characterize the gaseous compounds indoor and outdoor of the classrooms. The concentrations of benzene, toluene, ethylbenzene, and the isomers xylenes (BTEX); NO2; SO2; O3; acetic acid (HAc); and formic acid (HFor) were assessed using passive diffusion tubes. BTEX were analyzed by gas chromatography-ion trap mass spectrometry and other collected gasses by ion chromatography. The concentration of NO2 varied between 9.5 and 23 μg m-3, whereas SO2 showed an interval from 0.1 to 4.8 μg m-3. Within the schools, BTEX concentrations were predominant. Formic and acetic acids inside the classrooms revealed intermediate concentrations of 1.5 μg m-3 and 1.2 μg m-3, respectively. © Springer Science + Business Media B.V. 2009.

Analysis of agonist and antagonist effects on thyroid hormone receptor conformation by hydrogen/deuterium exchange

Thyroid hormone receptors (TRs) are ligand-gated transcription factors with critical roles in development and metabolism. Although x-ray structures of TR ligand-binding domains (LBDs) with agonists are available, comparable structures without ligand (apo-TR) or with antagonists are not. It remains important to understand apo-LBD conformation and the way that it rearranges with ligands to develop better TR pharmaceuticals. In this study, we conducted hydrogen/deuterium exchange on TR LBDs with or without agonist (T 3) or antagonist (NH3). Both ligands reduce deuterium incorporation into LBD amide hydrogens, implying tighter overall folding of the domain. As predicted, mass spectroscopic analysis of individual proteolytic peptides after hydrogen/ deuterium exchange reveals that ligand increases the degree of solvent protection of regions close to the buried ligand-binding pocket. However, there is also extensive ligand protection of other regions, including the dimer surface at H10-H11, providing evidence for allosteric communication between the ligand-binding pocket and distant interaction surfaces. Surprisingly, Cterminal activation helix H12, which is known to alter position with ligand, remains relatively protected from solvent in all conditions suggesting that it is packed against the LBD irrespective of the presence or type of ligand. T 3, but not NH3, increases accessibility of the upper part of H3-H5 to solvent, and we propose that TR H12 interacts with this region in apo-TR and that this interaction is blocked by T 3 but not NH3.Wepresent data from site-directed mutagenesis experiments and molecular dynamics simulations that lend support to this structural model of apo-TR and its ligand-dependent conformational changes. (Molecular Endocrinology 25: 15-31, 2011). Copyright © 2011 by The Endocrine Society.

Effect of Hot Air Drying on Ultrastructure of Crambe Seeds

This study was conducted to evaluate the morphologic modifications in tissues of the fruit and seed of the crambe (Crambe abyssinica Hochst. Ex R.E. Fr.) after drying at different temperatures. Fruits with a water content of 0.38 kg water/kg dry matter were harvested and manually homogenized. Drying was accomplished at 35, 45, 60, 75, and 90°C and at 21,9,7,5, and 2% relative humidity, respectively. After drying, the structure of the pericarp and tegument of the seed were evaluated and the embryo was removed from the fruit/seed for morphological analysis (structural and ultrastructural and the histolocalization of reserve substances). Drying at different temperatures did not affect the cellular structure of the tissues composing the pericarp of the fruits, but it disorganized the structure of the seed tegument. The cells of the tegument and cotyledons presented a contraction in their volumes. The lowest contractions in the cellular volumes of both the tegument and cotyledons occurred after drying at 35 and 45°C. The cytoplasm of the cotyledon cells contains oil drops and the protein bodies contain protein granules and starch grains. There were no changes in the cellular walls of the embryos of the fruits dried at different temperatures; however, ungluing of the medium lamella occurred. This damage occurred with greater intensity after drying at temperatures above 60°C. The form of the oil drops in the cytoplasm of the cotyledon cells was altered after drying. At temperatures above 60°C, the drops broke up and coalesced. After drying at 45 and 60°C, the form of some protein bodies was altered, whereas at 75 and 90°C coalescence of the protein bodies occurred in some cells. It was concluded that the identified alterations can affect the physiologic quality of crambe seeds. © 2013 Copyright Taylor and Francis Group, LLC.

Modelagem do escoamento transiente ao longo de trocadores de calor tubo capilar-linha de sucção

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Poluição do ar por veículos automotores e tipos de tempo em áreas metropolitanas: a elaboração de um roteiro metodológico

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Lagrangian transport evaluation of atmospheric chemistry in the Mediterranean region

Global observations of the chemical composition of the atmosphere are essential for understanding and studying the present and future state of the earth's atmosphere. However, by analyzing field experiments the consideration of the atmospheric motion is indispensable, because transport enables different chemical species, with different local natural and anthropogenic sources, to interact chemically and so consequently influences the chemical composition of the atmosphere. The distance over which that transport occurs is highly dependent upon meteorological conditions (e.g., wind speed, precipitation) and the properties of chemical species itself (e.g., solubility, reactivity). This interaction between chemistry and dynamics makes the study of atmospheric chemistry both difficult and challenging, and also demonstrates the relevance of including the atmospheric motions in that context. In this doctoral thesis the large-scale transport of air over the eastern Mediterranean region during summer 2001, with a focus on August during the Mediterranean Intensive Oxidant Study (MINOS) measurement campaign, was investigated from a lagrangian perspective. Analysis of back trajectories demonstrated transport of polluted air masses from western and eastern Europe in the boundary layer, from the North Atlantic/North American area in the middle end upper troposphere and additionally from South Asia in the upper troposphere towards the eastern Mediterranean. Investigation of air mass transport near the tropopause indicated enhanced cross-tropopause transport relative to the surrounding area over the eastern Mediterranean region in summer. A large band of air mass transport across the dynamical tropopause develops in June, and is shifted toward higher latitudes in July and August. This shifting is associated with the development and the intensification of the Arabian and South Asian upper-level anticyclones and consequential with areas of maximum clear-air turbulence, hypothesizing quasi-permanent areas with turbulent mixing of tropospheric and stratospheric air during summer over the eastern Mediterranean as a result of large-scale synoptic circulation. In context with the latex knowledge about the transport of polluted air masses towards the Mediterranean and with increasing emissions, especially in developing countries like India, this likely gains in importance.

Biogenic emission of halocarbons

Within this doctoral thesis, biogenic emissions of several globally relevant halocarbons (methyl chloride, methyl bromide, methyl iodide, dibromomethane, chloroform and bromoform) have been investigated in different environments. An airborne study was focused on the tropical rainforest ecosystem, while shipborne measurements investigated naturally occurring oceanic plankton blooms. Laboratory experiments using dried plant material were made to elucidate abiotic production mechanisms occurring in organic matter. Airborne measurements over the tropical rainforest of Suriname and French Guyana (3 - 6 °N, 51 - 59 °W) revealed net fluxes of 9.5 (± 3.8 2σ) µg m-2 h-1 methyl chloride and 0.35 (± 0.15 2σ) µg m-2 h-1 chloroform emitted in the long dry season (October) 2005. An extrapolation of these numbers to all tropical forests helped to narrow down the range of the recently discovered and poorly quantified methyl chloride source from tropical ecosystems. The value for methyl chloride obtained (1.5 (± 0.6 2σ) Tg yr-1) affirms that the contribution of the tropical forest ecosystem is the major source in the global budget of methyl chloride. The extrapolated global net chloroform flux from tropical forests (56 (± 23 2σ) Gg yr-1) is of minor importance (5 - 10 %) compared to the global sources. A source of methyl bromide from this region could not be verified. The abiotic formation of methyl chloride and methyl bromide from dead plant material was tested in a laboratory study. The release from plant tissue representative of grassland, deciduous forest, agricultural areas and coastal salt marshes (hay, ash, tomato and saltwort) has been monitored. Incubations at different temperatures (25 - 50 °C) revealed significant emissions even at ambient temperature, and that the emissions increased exponentially with temperature. The strength of the emission was found to be additionally dependent on the availability of halide and the methoxyl group within the plant tissue. However, high water content in the plant material was found to inhibit methyl halide emissions. The abiotic nature of the reaction yielding methyl halides was confirmed by its high activation energy calculated via Arrhenius plots. Shipborne measurements of the atmospheric mixing ratios of methyl chloride, methyl bromide, methyl iodide, dibromomethane and bromoform have been conducted along a South Atlantic transect from the 27.01. - 05.02.2007 to characterize halocarbon emissions from a large-scale natural algae bloom encountered off the coast of Argentina. Mixing ratios of methyl chloride and methyl bromide were not significantly affected by the occurrence of the phytoplankton bloom. Emissions of methyl iodide, dibromomethane and bromoform showed pronounced mixing ratio variations, triggered by phytoplankton abundance. Methyl iodide was strongly correlated with dimethyl sulfide throughout the sampled region. A new technique combining satellite derived biomass marker (chlorophyll a) data with back trajectory analysis was successfully used to attribute variations in mixing ratios to air masses, which recently passed over areas of enhanced biological production.

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.

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.

Stabilität und Transport in der planetaren Grenzschicht - Untersuchungen mit Radiosonden- und Spurengasmessungen während PARADE

Die vorliegende Arbeit untersucht die Struktur und Zusammensetzung der untersten Atmosphäre im Rahmen der PARADE-Messkampagne (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) am Kleinen Feldberg in Deutschland im Spätsommer 2011. Dazu werden Messungen von meteorologischen Grundgrößen (Temperatur, Feuchte, Druck, Windgeschwindigkeit und -richtung) zusammen mit Radiosonden und flugzeuggetragenen Messungen von Spurengasen (Kohlenstoffmonoxid, -dioxid, Ozon und Partikelanzahlkonzentrationen) ausgewertet. Ziel ist es, mit diesen Daten, die thermodynamischen und dynamischen Eigenschaften und deren Einfluss auf die chemische Luftmassenzusammensetzung in der planetaren Grenzschicht zu bestimmen. Dazu werden die Radiosonden und Flugzeugmessungen mit Lagrangeschen Methoden kombiniert und es wird zwischen rein kinematischen Modellen (LAGRANTO und FLEXTRA) sowie sogenannten Partikeldispersionsmodellen (FLEXPART) unterschieden. Zum ersten Mal wurde im Rahmen dieser Arbeit dabei auch eine Version von FLEXPART-COSMO verwendet, die von den meteorologischen Analysefeldern des Deutschen Wetterdienstes angetrieben werden. Aus verschiedenen bekannten Methoden der Grenzschichthöhenbestimmung mit Radiosondenmessungen wird die Bulk-Richardson-Zahl-Methode als Referenzmethode verwendet, da sie eine etablierte Methode sowohl für Messungen und als auch Modellanalysen darstellt. Mit einer Toleranz von 125 m, kann zu 95 % mit mindestens drei anderen Methoden eine Übereinstimmung zu der ermittelten Grenzschichthöhe festgestellt werden, was die Qualität der Grenzschichthöhe bestätigt. Die Grenzschichthöhe variiert während der Messkampagne zwischen 0 und 2000 m über Grund, wobei eine hohe Grenzschicht nach dem Durchzug von Kaltfronten beobachtet wird, hingegen eine niedrige Grenzschicht unter Hochdruckeinfluss und damit verbundener Subsidenz bei windarmen Bedingungen im Warmsektor. Ein Vergleich zwischen den Grenzschichthöhen aus Radiosonden und aus Modellen (COSMO-DE, COSMO-EU, COSMO-7) zeigt nur geringe Unterschiede um -6 bis +12% während der Kampagne am Kleinen Feldberg. Es kann allerdings gezeigt werden, dass in größeren Simulationsgebieten systematische Unterschiede zwischen den Modellen (COSMO-7 und COSMO-EU) auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird deutlich, dass die Bodenfeuchte, die in diesen beiden Modellen unterschiedlich initialisiert wird, zu verschiedenen Grenzschichthöhen führt. Die Folge sind systematische Unterschiede in der Luftmassenherkunft und insbesondere der Emissionssensitivität. Des Weiteren kann lokale Mischung zwischen der Grenzschicht und der freien Troposphäre bestimmt werden. Dies zeigt sich in der zeitlichen Änderung der Korrelationen zwischen CO2 und O3 aus den Flugzeugmessungen, und wird im Vergleich mit Rückwärtstrajektorien und Radiosondenprofilen bestärkt. Das Einmischen der Luftmassen in die Grenzschicht beeinflusst dabei die chemische Zusammensetzung in der Vertikalen und wahrscheinlich auch am Boden. Diese experimentelle Studie bestätigt die Relevanz der Einmischungsprozesse aus der freien Troposphäre und die Verwendbarkeit der Korrelationsmethode, um Austausch- und Einmischungsprozesse an dieser Grenzfläche zu bestimmen.