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

Measurement and modeling of cloud condensation nuclei in continental air

Atmospheric aerosol particles serving as cloud condensation nuclei (CCN) are key elements of the hydrological cycle and climate. Knowledge of the spatial and temporal distribution of CCN in the atmosphere is essential to understand and describe the effects of aerosols in meteorological models. In this study, CCN properties were measured in polluted and pristine air of different continental regions, and the results were parameterized for efficient prediction of CCN concentrations.The continuous-flow CCN counter used for size-resolved measurements of CCN efficiency spectra (activation curves) was calibrated with ammonium sulfate and sodium chloride aerosols for a wide range of water vapor supersaturations (S=0.068% to 1.27%). A comprehensive uncertainty analysis showed that the instrument calibration depends strongly on the applied particle generation techniques, Köhler model calculations, and water activity parameterizations (relative deviations in S up to 25%). Laboratory experiments and a comparison with other CCN instruments confirmed the high accuracy and precision of the calibration and measurement procedures developed and applied in this study.The mean CCN number concentrations (NCCN,S) observed in polluted mega-city air and biomass burning smoke (Beijing and Pearl River Delta, China) ranged from 1000 cm−3 at S=0.068% to 16 000 cm−3 at S=1.27%, which is about two orders of magnitude higher than in pristine air at remote continental sites (Swiss Alps, Amazonian rainforest). Effective average hygroscopicity parameters, κ, describing the influence of chemical composition on the CCN activity of aerosol particles were derived from the measurement data. They varied in the range of 0.3±0.2, were size-dependent, and could be parameterized as a function of organic and inorganic aerosol mass fraction. At low S (≤0.27%), substantial portions of externally mixed CCN-inactive particles with much lower hygroscopicity were observed in polluted air (fresh soot particles with κ≈0.01). Thus, the aerosol particle mixing state needs to be known for highly accurate predictions of NCCN,S. Nevertheless, the observed CCN number concentrations could be efficiently approximated using measured aerosol particle number size distributions and a simple κ-Köhler model with a single proxy for the effective average particle hygroscopicity. The relative deviations between observations and model predictions were on average less than 20% when a constant average value of κ=0.3 was used in conjunction with variable size distribution data. With a constant average size distribution, however, the deviations increased up to 100% and more. The measurement and model results demonstrate that the aerosol particle number and size are the major predictors for the variability of the CCN concentration in continental boundary layer air, followed by particle composition and hygroscopicity as relatively minor modulators. Depending on the required and applicable level of detail, the measurement results and parameterizations presented in this study can be directly implemented in detailed process models as well as in large-scale atmospheric and climate models for efficient description of the CCN activity of atmospheric aerosols.

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. 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.

Fluorescent Biological Aerosol Particles in Coastal Canada and the Link to Atmospheric Ice Nuclei

Bioaerosols are a subgroup of atmospheric aerosols and are often linked to the spread of human, animal and plant diseases. Bioaerosols also may play an indirect effect on environmental processes, including the formation of precipitation and alteration of the global climate through their role as nuclei for cloud droplet formation. Several types of biological organisms (e.g., fungi and bacteria) have been shown to be effective ice nuclei (IN) and cloud condensation nuclei (CCN). During 21 days in August 2013 we participated in a collaborative international campaign at a rural, coastal site near the village of Ucluelet on the west coast of Vancouver Island, British Columbia, Canada. The experiments were conducted as part of the NETCARE project (the NETwork on Climate and Aerosols: Addressing Key Uncertainties in Remote Canadian Environments), in part to examine cloud nuclei properties of marine aerosol. The study was conducted from a mobile trailer located approximately 100 m from the coast. A suite of aerosol instrumentation was operated for approximately one month. Key instruments utilized as a part of this thesis include the wideband integrated bioaerosol sensor (WIBS-4A) and the multiple orifice uniform deposition impactor (MOUDI) coupled with an off-line droplet freezing technique (DFT) for the measurement of ice nucleation activity of particles in immersion mode. The WIBS measures the concentration and properties of individual fluorescent particles suspended in the air, which can serve as a proxy for airborne biological particle content. Particles shown to be fluorescent by the WIBS instrument were divided into seven categories based on the pattern of fluorescence each particle exhibited in the three fluorescent channels. Results of the WIBS analysis show that the fluorescent particle concentration in the region correlated well with IN number. The fluorescent particle concentration correlated well with the number of particles shown to be ice active as a function of both particle size and freezing temperature. Correlations involving marine aerosols and marine biological activity indicate that the majority of IN measured at the coastal site likely are not from have marine sources.

CHARACTERIZATION OF THE ATMOSPHERIC EFFECTS ON THE TRANSMISSION OF THERMAL RADIATION

Atmospheric scattering plays a crucial rule in degrading the performance of electro optical imaging systems operating in the visible and infra-red spectral bands, and hence limits the quality of the acquired images, either through reduction of contrast or increase of image blur. The exact nature of light scattering by atmospheric media is highly complex and depends on the types, orientations, sizes and distributions of particles constituting these media, as well as wavelengths, polarization states and directions of the propagating radiation. Here we follow the common approach for solving imaging and propagation problems by treating the propagating light through atmospheric media as composed of two main components: a direct (unscattered), and a scattered component. In this work we developed a detailed model of the effects of absorption and scattering by haze and fog atmospheric aerosols on the optical radiation propagating from the object plane to an imaging system, based on the classical theory of EM scattering. This detailed model is then used to compute the average point spread function (PSF) of an imaging system which properly accounts for the effects of the diffraction, scattering, and the appropriate optical power level of both the direct and the scattered radiation arriving at the pupil of the imaging system. Also, the calculated PSF, properly weighted for the energy contributions of the direct and scattered components is used, in combination with a radiometric model, to estimate the average number of the direct and scattered photons detected at the sensor plane, which are then used to calculate the image spectrum signal to- noise ratio (SNR) in the visible near infra-red (NIR) and mid infra-red (MIR) spectral wavelength bands. Reconstruction of images degraded by atmospheric scattering and measurement noise is then performed, up to the limit imposed by the noise effective cutoff spatial frequency of the image spectrum SNR. Key results of this research are as follows: A mathematical model based on Mie scattering theory for how scattering from aerosols affects the overall point spread function (PSF) of an imaging system was developed, coded in MATLAB, and demonstrated. This model along with radiometric theory was used to predict the limiting resolution of an imaging system as a function of the optics, scattering environment, and measurement noise. Finally, image reconstruction algorithms were developed and demonstrated which mitigate the effects of scattering-induced blurring to within the limits imposed by noise.

An investigation of nucleation events in a coastal urban environment in the southern hemisphere

The occurrence of and conditions favourable to nucleation were investigated at an industrial and commercial coastal location in Brisbane, Australia during five different campaigns covering a total period of 13 months. To identify potential nucleation events, the difference in number concentration in the size range 14-30 nm (N14-30) between consecutive observations was calculated using first-order differencing. The data showed that nucleation events were a rare occurrence, and that in the absence of nucleation the particle number was dominated by particles in the range 30-300 nm. In many instances, total particle concentration declined during nucleation. There was no clear pattern in change in NO and NO2 concentrations during the events. SO2 concentration, in the majority of cases, declined during nucleation but there were exceptions. Most events took place in summer, followed by winter and then spring, and no events were observed for the autumn campaigns. The events were associated with sea breeze and long-range transport. Roadside emissions, in contrast, did not contribute to nucleation, probably due to the predominance of particles in the range 50-100 nm associated with these emissions.

Determination of particle concentration in the breathing zone for four different types of office ventilation systems

Many factors affect the airflow patterns, thermal comfort, contaminant removal efficiency and indoor air quality at individual workstations in office buildings. In this study, four ventilation systems were used in a test chamber designed to represent an area of a typical office building floor and reproduce the real characteristics of a modern office space. Measurements of particle concentration and thermal parameters (temperature and velocity) were carried out for each of the following types of ventilation systems: a) conventional air distribution system with ceiling supply and return; b) conventional air distribution system with ceiling supply and return near the floor; c) underfloor air distribution system; and d) split system. The measurements aimed to analyse the particle removal efficiency in the breathing zone and the impact of particle concentration on an individual at the workstation. The efficiency of the ventilation system was analysed by measuring particle size and concentration, ventilation effectiveness and the Indoor/Outdoor ratio. Each ventilation system showed different airflow patterns and the efficiency of each ventilation system in the removal of the particles in the breathing zone showed no correlation with particle size and the various methods of analyses used.

Particle and gaseous emissions from commercial aircraft at each stage of the landing and takeoff cycle

A novel technique was used to measure emission factors for commonly used commercial aircraft including a range of Boeing and Airbus airframes under real world conditions. Engine exhaust emission factors for particles in terms of particle number and mass (PM2.5), along with those for CO2, and NOx were measured for over 280 individual aircraft during the various modes of landing/takeoff (LTO) cycle. Results from this study show that particle number, and NOx emission factors are dependant on aircraft engine thrust level. Minimum and maximum emissions factors for particle number, PM2.5, and NOx emissions were found to be in the range of 4.16×1015-5.42×1016 kg-1, 0.03-0.72 g.kg-1, and 3.25-37.94 g.kg-1 respectively for all measured airframes and LTO cycle modes. Number size distributions of emitted particles for the naturally diluted aircraft plumes in each mode of LTO cycle showed that particles were predominantly in the range of 4 to 100 nm in diameter in all cases. In general, size distributions exhibit similar modality during all phases of the LTO cycle. A very distinct nucleation mode was observed in all particle size distributions, except for taxiing and landing of A320 aircraft. Accumulation modes were also observed in all particle size distributions. Analysis of aircraft engine emissions during LTO cycle showed that aircraft thrust level is considerably higher during taxiing than idling suggesting that International Civil Aviation Organization (ICAO) standards need to be modified as the thrust levels for taxi and idle are considered to be the same (7% of total thrust) [1].

Particle and gaseous emissions from compressed natural gas and ultralow sulphur diesel-fuelled buses at four steady engine loads

Exhaust emissions from thirteen compressed natural gas (CNG) and nine ultralow sulphur diesel in-service transport buses were monitored on a chassis dynamometer. Measurements were carried out at idle and at three steady engine loads of 25%, 50% and 100% of maximum power at a fixed speed of 60 kmph. Emission factors were estimated for particle mass and number, carbon dioxide and oxides of nitrogen for two types of CNG buses (Scania and MAN, compatible with Euro 2 and 3 emission standards, respectively) and two types of diesel buses (Volvo Pre-Euro/Euro1 and Mercedez OC500 Euro3). All emission factors increased with load. The median particle mass emission factor for the CNG buses was less than 1% of that from the diesel buses at all loads. However, the particle number emission factors did not show a statistically significant difference between buses operating on the two types of fuel. In this paper, for the very first time, particle number emission factors are presented at four steady state engine loads for CNG buses. Median values ranged from the order of 1012 particles min-1 at idle to 1015 particles km-1 at full power. Most of the particles observed in the CNG emissions were in the nanoparticle size range and likely to be composed of volatile organic compounds The CO2 emission factors were about 20% to 30% greater for the diesel buses over the CNG buses, while the oxides of nitrogen emission factors did not show any difference due to the large variation between buses.

Size distribution and sites of origin of droplets expelled during expiratory activities

A new Expiratory Droplet Investigation System (EDIS) was used to conduct the most comprehensive program of study to date, of the dilution corrected droplet size distributions produced during different respiratory activities.----- Distinct physiological processes were responsible for specific size distribution modes. The majority of particles for all activities were produced in one or more modes, with diameters below 0.8 µm. That mode occurred during all respiratory activities, including normal breathing. A second mode at 1.8 µm was produced during all activities, but at lower concentrations.----- Speech produced particles in modes near 3.5 µm and 5 µm. The modes became most pronounced during continuous vocalization, suggesting that the aerosolization of secretions lubricating the vocal chords is a major source of droplets in terms of number.----- Non-eqilibrium droplet evaporation was not detectable for particles between 0.5 and 20 μm implying that evaporation to the equilibrium droplet size occurred within 0.8 s.

The mechanism of breath aerosol formation

Background: Aerosol production during normal breathing is often attributed to turbulence in the respiratory tract. That mechanism is not consistent with a high degree of asymmetry between aerosol production during inhalation and exhalation. The objective was to investigate production symmetry during breathing. Methods: The aerosol size distribution in exhaled breath was examined for different breathing patterns including normal breathing, varied breath holding periods and contrasting inhalation and exhalation rates. The aerosol droplet size distribution measured in the exhaled breath was examined in real time using an aerodynamic particle sizer. Results and Conclusions: The dependence of the particle concentration decay rate on diameter during breath holding was consistent with gravitational settling in the alveolar spaces. Also, deep exhalation resulted in a 4 to 6 fold increase in concentration and rapid inhalation produced a further 2 to 3 fold increase in concentration. In contrast rapid exhalation had little effect on the measured concentration. A positive correlation of the breath aerosol concentration with subject age was observed. The results were consistent with the breath aerosol being produced through fluid film rupture in the respiratory bronchioles in the early stages of inhalation and the resulting aerosol being drawn into the alveoli and held before exhalation. The observed asymmetry of production in the breathing cycle with very little aerosol being produced during exhalation, is inconsistent with the widely assumed turbulence induced aerosolization mechanism.

On-road ultrafine particle concentration in the M5 East road tunnel, Sydney, Australia

The human health effects following exposure to ultrafine (<100nm) particles (UFPs) produced by fuel combustion, while not completely understood, are generally regarded as detrimental. Road tunnels have emerged as locations where maximum exposure to these particles may occur for the vehicle occupants using them. This study aimed to quantify and investigate the determinants of UFP concentrations in the 4km twin-bore (eastbound and westbound) M5 East tunnel in Sydney, Australia. Sampling was undertaken using a condensation particle counter (CPC) mounted in a vehicle traversing both tunnel bores at various times of day from May through July, 2006. Supplementary measurements were conducted in February, 2008. Over three hundred transects of the tunnel were performed, and these were distributed evenly between the bores. Additional comparative measurements were conducted on a mixed route comprising major roads and shorter tunnels, all within Sydney. Individual trip average UFP concentrations in the M5 East tunnel bores ranged from 5.53 × 104 p cm-3 to 5.95 × 106 p cm-3. Data were sorted by hour of capture, and hourly median trip average (HMA) UFP concentrations ranged from 7.81 × 104 p cm-3 to 1.73 × 106 p cm-3. Hourly median UFP concentrations measured on the mixed route were between 3.71 × 104 p cm-3 and 1.55 × 105 p cm-3. Hourly heavy diesel vehicle (HDV) traffic volume was a very good determinant of UFP concentration in the eastbound tunnel bore (R2 = 0.87), but much less so in the westbound bore (R2 = 0.26). In both bores, the volume of passenger vehicles (i.e. unleaded gasoline-powered vehicles) was a significantly poorer determinant of particle concentration. When compared with similar studies reported previously, the measurements described here were among the highest recorded concentrations, which further highlights the contribution road tunnels may make to the overall UFP exposure of vehicle occupants.