Investigations of ultrafine particles emitted by ships and other transport modes in the port of Brisbane

This research measured particle and gaseous emissions from ships and trains operating within the Port of Brisbane, and explored their influence on ambient air composition at a downwind suburban measurement site. The ship and train emission factor investigations resulted in the development of novel measurement techniques which permit the quantification of particle and gaseous emission factors using samples collected from post-emission exhaust plumes. The urban influence investigation phase of the project produced a new approach to identifying influences from ship emissions.

Quantitative assessment and characterisation of airborne engineered nanoparticles

This research has brought new scientific insight into the characteristics of airborne engineered nanoparticles, which is essential when considering their effects on human health. The key findings of the work were a harmonised and traceable protocol for the size characterisation of engineered nanoparticles, and quantification of their emissions and dynamics in workplaces. The novelty of this project is in coupling a comprehensive experimental measurement approach with innovative and effective data interpretation. Also, for the first time, the existence of a general trend in the emission of nanoparticles from a nanotechnology process was investigated.

Short-term effects of electronic and tobacco cigarettes on exhaled nitric oxide

The objective of this study was to compare the short-term respiratory effects due to the inhalation of electronic and conventional tobacco cigarette-generated mainstream aerosols through the measurement of the exhaled nitric oxide (eNO). To this purpose, twenty-five smokers were asked to smoke a conventional cigarette and to vape an electronic cigarette (with and without nicotine), and an electronic cigarette without liquid (control session). Electronic and tobacco cigarette mainstream aerosols were characterized in terms of total particle number concentrations and size distributions. On the basis of the measured total particle number concentrations and size distributions, the average particle doses deposited in alveolar and tracheobronchial regions of the lungs for a single 2-s puff were also estimated considering a subject performing resting (sitting) activity. Total particle number concentrations in the mainstream resulted equal to 3.5 ± 0.4 × 109, 5.1 ± 0.1 × 109, and 3.1 ± 0.6 × 109 part. cm− 3 for electronic cigarettes without nicotine, with nicotine, and for conventional cigarettes, respectively. The corresponding alveolar doses for a resting subject were estimated equal to 3.8 × 1010, 5.2 × 1010 and 2.3 × 1010 particles. The mean eNO variations measured after each smoking/vaping session were equal to 3.2 ppb, 2.7 ppb and 2.8 ppb for electronic cigarettes without nicotine, with nicotine, and for conventional cigarettes, respectively; whereas, negligible eNO changes were measured in the control session. Statistical tests performed on eNO data showed statistically significant differences between smoking/vaping sessions and the control session, thus confirming a similar effect on human airways whatever the cigarette smoked/vaped, the nicotine content, and the particle dose received.

Traffic and nucleation events as main sources of ultrafine particles in high-insolation developed world cities

Road traffic emissions are often considered the main source of ultrafine particles (UFP, diameter smaller than 100 nm) in urban environments. However, recent studies worldwide have shown that - in high-insolation urban regions at least - new particle formation events can also contribute to UFP. In order to quantify such events we systematically studied three cities located in predominantly sunny environments: Barcelona (Spain), Madrid (Spain) and Brisbane (Australia). Three long term datasets (1-2 years) of fine and ultrafine particle number size distributions (measured by SMPS, Scanning Mobility Particle Sizer) were analysed. Compared to total particle number concentrations, aerosol size distributions offer far more information on the type, origin and atmospheric evolution of the particles. By applying k-Means clustering analysis, we categorized the collected aerosol size distributions in three main categories: “Traffic” (prevailing 44-63% of the time), “Nucleation” (14-19%) and “Background pollution and Specific cases” (7-22%). Measurements from Rome (Italy) and Los Angeles (California) were also included to complement the study. The daily variation of the average UFP concentrations for a typical nucleation day at each site revealed a similar pattern for all cities, with three distinct particle bursts. A morning and an evening spike reflected traffic rush hours, whereas a third one at midday showed nucleation events. The photochemically nucleated particles burst lasted 1-4 hours, reaching sizes of 30-40 nm. On average, the occurrence of particle size spectra dominated by nucleation events was 16% of the time, showing the importance of this process as a source of UFP in urban environments exposed to high solar radiation. On average, nucleation events lasting for 2 hours or more occurred on 55% of the days, this extending to >4hrs in 28% of the days, demonstrating that atmospheric conditions in urban environments are not favourable to the growth of photochemically nucleated particles. In summary, although traffic remains the main source of UFP in urban areas, in developed countries with high insolation urban nucleation events are also a main source of UFP. If traffic-related particle concentrations are reduced in the future, nucleation events will likely increase in urban areas, due to the reduced urban condensation sinks.

Indoor Air Quality in Naturally Ventilated Italian Classrooms

Characterization of indoor air quality in school classrooms is crucial to children’s health and performance. The present study was undertaken to characterize the indoor air quality in six naturally ventilated classrooms of three schools in Cassino (Italy). Indoor particle number, mass, black carbon, CO2 and radon concentrations, as well as outdoor particle number were measured within school hours during the winter and spring season. The study found the concentrations of indoor particle number were influenced by the concentrations in the outdoors; highest BC values were detected in classrooms during peak traffic time. The effect of different seasons’ airing mode on the indoor air quality was also detected. The ratio between indoor and outdoor particles was of 0.85 ± 0.10 in winter, under airing conditions of short opening window periods, and 1.00 ± 0.15 in spring when the windows were opened for longer periods. This was associated to a higher degree of penetration of outdoor particles due to longer period of window opening. Lower CO2 levels were found in classrooms in spring (908 ppm) than in winter (2206 ppm). Additionally, a greater reduction in radon concentrations was found in spring. In addition, high PM10 levels were found in classrooms during break time due to re-suspension of coarse particles. Keywords: classroom; Ni/Nout ratio; airing by opening windows; particle number

Land use regression model (LUR) for ultrafine particles in Brisbane

Traffic-related air pollution has been associated with a wide range of adverse health effects. One component of traffic emissions that has been receiving increasing attention is ultrafine particles(UFP, < 100 nm), which are of concern to human health due to their small diameters. Vehicles are the dominant source of UFP in urban environments. Small-scale variation in ultrafine particle number concentration (PNC) can be attributed to local changes in land use and road abundance. UFPs are also formed as a result of particle formation events. Modelling the spatial patterns in PNC is integral to understanding human UFP exposure and also provides insight into particle formation mechanisms that contribute to air pollution in urban environments. Land-use regression (LUR) is a technique that can use to improve the prediction of air pollution.

Experimental study of the effects of temperature variation on droplet size and wetness fraction in a low-pressure model steam turbine

The three-stage low-pressure model steam turbine at the Institute of Thermal Turbomachinery and Machinery Laboratory (ITSM) was used to study the impact of three different steam inlet temperatures on the homogeneous condensation process and the resulting wetness topology. The droplet spectrum as well as the particle number concentration were measured in front of the last stage using an optical-pneumatic probe. At design load, condensation starts inside the stator of the second stage. A change in the steam inlet temperature is able to shift the location of condensation onset within the blade row up- or downstream and even into adjoining blade passages, which leads to significantly different local droplet sizes and wetness fractions due to different local expansion rates. The measured results are compared to steady three-dimensional computational fluid dynamics calculations. The predicted nucleation zones could be largely confirmed by the measurements. Although the trend of measured and calculated droplet size across the span is satisfactory, there are considerable differences between the measured and computed droplet spectrum and wetness fractions. © IMechE 2013 Reprints and permissions: sagepub.co.uk/ journalsPermissions.nav.

Remarkable dynamics of nanoparticles in the urban atmosphere

Nanoparticles emitted from road traffic are the largest source of respiratory exposure for the general public living in urban areas. It has been suggested that the adverse health effects of airborne particles may scale with the airborne particle number, which if correct, focuses attention on the nanoparticle (less than 100 nm) size range which dominates the number count in urban areas. Urban measurements of particle size distributions have tended to show a broadly similar pattern dominated by a mode centred on 20–30 nm diameter particles emitted by diesel engine exhaust. In this paper we report the results of measurements of particle number concentration and size distribution made in a major London park as well as on the BT Tower, 160 m high. These measurements taken during the REPARTEE project (Regents Park and BT Tower experiment) show a remarkable shift in particle size distributions with major losses of the smallest particle class as particles are advected away from the traffic source. In the Park, the traffic related mode at 20–30 nm diameter is much reduced with a new mode at <10 nm. Size distribution measurements also revealed higher number concentrations of sub-50 nm particles at the BT Tower during days affected by higher turbulence as determined by Doppler Lidar measurements and indicate a loss of nanoparticles from air aged during less turbulent conditions. These results suggest that nanoparticles are lost by evaporation, rather than coagulation processes. The results have major implications for understanding the impacts of traffic-generated particulate matter on human health.

Remarkable dynamics of nanoparticles in the urban atmosphere

Nanoparticles emitted from road traffic are the largest source of respiratory exposure for the general public living in urban areas. It has been suggested that adverse health effects of airborne particles may scale with airborne particle number, which if correct, focuses attention on the nanoparticle (less than 100 nm) size range which dominates the number count in urban areas. Urban measurements of particle size distributions have tended to show a broadly similar pattern dominated by a mode centred on 20–30 nm diameter emitted by diesel engine exhaust. In this paper we report the results of measurements of particle number concentration and size distribution made in a major London park as well as on the BT Tower, 160 m aloft. These measurements taken during the REPARTEE project (Regents Park and BT Tower experiment) show a remarkable shift in particle size distributions with major losses of the smallest particle class as particles are advected away from the traffic source. In the Park, the traffic related mode at 20–30 nm diameter is much reduced with a new mode at <10 nm. Size distribution measurements also revealed higher number concentrations of sub-50 nm particles at the BT Tower during days affected by higher turbulence as determined by Doppler Lidar measurements and are indicative of loss of nanoparticles from air aged during less turbulent conditions. These results are suggestive of nanoparticle loss by evaporation, rather than coagulation processes. The results have major implications for understanding the impacts of traffic-generated particulate matter on human health.

Carbon monoxide and related trace gases and aerosols over the Amazon Basin during the wet and dry seasons

We present the results of airborne measurements of carbon monoxide (CO) and aerosol particle number concentration (CN) made during the Balan double dagger o Atmosf,rico Regional de Carbono na Amazonia (BARCA) program. The primary goal of BARCA is to address the question of basin-scale sources and sinks of CO2 and other atmospheric carbon species, a central issue of the Large-scale Biosphere-Atmosphere (LBA) program. The experiment consisted of two aircraft campaigns during November-December 2008 (BARCA-A) and May-June 2009 (BARCA-B), which covered the altitude range from the surface up to about 4500 m, and spanned most of the Amazon Basin. Based on meteorological analysis and measurements of the tracer, SF6, we found that airmasses over the Amazon Basin during the late dry season (BARCA-A, November 2008) originated predominantly from the Southern Hemisphere, while during the late wet season (BARCA-B, May 2009) low-level airmasses were dominated by northern-hemispheric inflow and mid-tropospheric airmasses were of mixed origin. In BARCA-A we found strong influence of biomass burning emissions on the composition of the atmosphere over much of the Amazon Basin, with CO enhancements up to 300 ppb and CN concentrations approaching 10 000 cm(-3); the highest values were in the southern part of the Basin at altitudes of 1-3 km. The Delta CN/Delta CO ratios were diagnostic for biomass burning emissions, and were lower in aged than in fresh smoke. Fresh emissions indicated CO/CO2 and CN/CO emission ratios in good agreement with previous work, but our results also highlight the need to consider the residual smoldering combustion that takes place after the active flaming phase of deforestation fires. During the late wet season, in contrast, there was little evidence for a significant presence of biomass smoke. Low CN concentrations (300-500 cm(-3)) prevailed basinwide, and CO mixing ratios were enhanced by only similar to 10 ppb above the mixing line between Northern and Southern Hemisphere air. There was no detectable trend in CO with distance from the coast, but there was a small enhancement of CO in the boundary layer suggesting diffuse biogenic sources from photochemical degradation of biogenic volatile organic compounds or direct biological emission. Simulations of CO distributions during BARCA-A using a range of models yielded general agreement in spatial distribution and confirm the important contribution from biomass burning emissions, but the models evidence some systematic quantitative differences compared to observed CO concentrations. These mismatches appear to be related to problems with the accuracy of the global background fields, the role of vertical transport and biomass smoke injection height, the choice of model resolution, and reliability and temporal resolution of the emissions data base.

Numerical simulations of microphysical processes in pyro-convective clouds

Hochreichende Konvektion über Waldbränden ist eine der intensivsten Formen von atmosphärischer Konvektion. Die extreme Wolkendynamik mit hohen vertikalen Windgeschwindigkeiten (bis 20 m/s) bereits an der Wolkenbasis, hohen Wasserdampfübersättigungen (bis 1%) und die durch das Feuer hohen Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln (bis 100000 cm^-3) bilden einen besonderen Rahmen für Aerosol-Wolken Wechselwirkungen.Ein entscheidender Schritt in der mikrophysikalischen Entwicklung einer konvektiven Wolke ist die Aktivierung von Aerosolpartikeln zu Wolkentropfen. Dieser Aktivierungsprozess bestimmt die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen und kann daher die Entwicklung einer konvektiven Wolke und deren Niederschlagsbildung beeinflussen. Die wichtigsten Faktoren, welche die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen bestimmen, sind die Größe und Hygroskopizität der an der Wolkenbasis verfügbaren Aerosolpartikel sowie die vertikale Windgeschwindigkeit. Um den Einfluss dieser Faktoren unter pyro-konvektiven Bedingungen zu untersuchen, wurden numerische Simulationen mit Hilfe eines Wolkenpaketmodells mit detaillierter spektraler Beschreibung der Wolkenmikrophysik durchgeführt. Diese Ergebnisse können in drei unterschiedliche Bereiche abhängig vom Verhältnis zwischen vertikaler Windgeschwindigkeit und Aerosolanzahlkonzentration (w/NCN) eingeteilt werden: (1) ein durch die Aerosolkonzentration limitierter Bereich (hohes w/NCN), (2) ein durch die vertikale Windgeschwindigkeit limitierter Bereich (niedriges w/NCN) und (3) ein Übergangsbereich (mittleres w/NCN). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität der anfänglichen Anzahlkonzentration der Wolkentropfen in (pyro-) konvektiven Wolken hauptsächlich durch die Variabilität der vertikalen Windgeschwindigkeit und der Aerosolkonzentration bestimmt wird. rnUm die mikrophysikalischen Prozesse innerhalb der rauchigen Aufwindregion einer pyrokonvektiven Wolke mit einer detaillierten spektralen Mikrophysik zu untersuchen, wurde das Paketmodel entlang einer Trajektorie innerhalb der Aufwindregion initialisiert. Diese Trajektore wurde durch dreidimensionale Simulationen eines pyro-konvektiven Ereignisses durch das Model ATHAM berechnet. Es zeigt sich, dass die Anzahlkonzentration der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration ansteigt. Auf der anderen Seite verringert sich die Größe der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration. Die Reduzierung der Verbreiterung des Tropfenspektrums stimmt mit den Ergebnissen aus Messungen überein und unterstützt das Konzept der Unterdrückung von Niederschlag in stark verschmutzen Wolken.Mit Hilfe des Models ATHAM wurden die dynamischen und mikrophysikalischen Prozesse von pyro-konvektiven Wolken, aufbauend auf einer realistischen Parametrisierung der Aktivierung von Aerosolpartikeln durch die Ergebnisse der Aktivierungsstudie, mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht. Ein modernes zweimomenten mikrophysikalisches Schema wurde in ATHAM implementiert, um den Einfluss der Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln auf die Entwicklung von idealisierten pyro-konvektiven Wolken in US Standardamtosphären für die mittleren Breiten und den Tropen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel die Bildung von Regen beeinflusst. Für geringe Aerosolkonzentrationen findet die rasche Regenbildung hauptsächlich durch warme mikrophysikalische Prozesse statt. Für höhere Aerosolkonzentrationen ist die Eisphase wichtiger für die Bildung von Regen. Dies führt zu einem verspäteten Einsetzen von Niederschlag für verunreinigtere Atmosphären. Außerdem wird gezeigt, dass die Zusammensetzung der Eisnukleationspartikel (IN) einen starken Einfluss auf die dynamische und mikrophysikalische Struktur solcher Wolken hat. Bei sehr effizienten IN bildet sich Regen früher. Die Untersuchung zum Einfluss des atmosphärischen Hintergrundprofils zeigt eine geringe Auswirkung der Meteorologie auf die Sensitivität der pyro-konvektiven Wolken auf diernAerosolkonzentration. Zum Abschluss wird gezeigt, dass die durch das Feuer emittierte Hitze einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung und die Wolkenobergrenze von pyro-konvektive Wolken hat. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in dieser Dissertation die Mikrophysik von pyrokonvektiven Wolken mit Hilfe von idealisierten Simulation eines Wolkenpaketmodell mit detaillierte spektraler Mikrophysik und eines 3D Modells mit einem zweimomenten Schema im Detail untersucht wurde. Es wird gezeigt, dass die extremen Bedingungen im Bezug auf die vertikale Windgeschwindigkeiten und Aerosolkonzentrationen einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung von pyro-konvektiven Wolken haben.

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.

Flugzeuggetragene in-situ Messungen zur Eis- und Flüssigphase troposphärischer Wolken

Die Mikrophysik in Wolken bestimmt deren Strahlungseigenschaften und beeinflusst somit auch den Strahlungshaushalt des Planeten Erde. Aus diesem Grund werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die mikrophysikalischen Charakteristika von Cirrus-Wolken sowie von arktischen Grenzschicht-Wolken behandelt. Die Untersuchung dieser Wolken wurde mithilfe verschiedener Instrumente verwirklicht, welche Partikel in einem Durchmesserbereich von 250nm bis zu 6.4mm vermessen und an Forschungsflugzeugen montiert werden. Ein Instrumentenvergleich bestätigt, dass innerhalb der Bereiche in denen sich die Messungen dieser Instrumente überlappen, die auftretenden Diskrepanzen als sehr gering einzustufen sind. Das vorrangig verwendete Instrument trägt die Bezeichnung CCP (Cloud Combination Probe) und ist eine Kombination aus einem Instrument, das Wolkenpartikel anhand von vorwärts-gerichtetem Streulicht detektiert und einem weiteren, das zweidimensionale Schattenbilder einzelner Wolkenpartikel aufzeichnet. Die Untersuchung von Cirrus-Wolken erfolgt mittels Daten der AIRTOSS-ICE (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle - Inhomogeneous Cirrus Experiment) Kampagne, welche im Jahr 2013 über der deutschen Nord- und Ostsee stattfand. Parameter wie Partikeldurchmesser, Partikelanzahlkonzentration, Partikelform, Eiswassergehalt, Wolkenhöhe und Wolkendicke der detektierten Cirrus-Wolken werden bestimmt und im Kontext des aktuellen Wissenstandes diskutiert. Des Weiteren wird eine beprobte Cirrus-Wolke im Detail analysiert, welche den typischen Entwicklungsprozess und die vertikale Struktur dieser Wolkengattung widerspiegelt. Arktische Grenzschicht-Wolken werden anhand von Daten untersucht, die während der VERDI (VERtical Distribution of Ice in Arctic Clouds) Kampagne im Jahr 2012 über der kanadischen Beaufortsee aufgezeichnet wurden. Diese Messkampagne fand im Frühling statt, um die Entwicklung von Eis-Wolken über Mischphasen-Wolken bis hin zu Flüssigwasser-Wolken zu beobachten. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen tritt innerhalb von Mischphasen-Wolken der sogenannte Wegener-Bergeron-Findeisen Prozess auf, bei dem Flüssigwassertropfen zugunsten von Eispartikeln verdampfen. Es wird bestätigt, dass dieser Prozess anhand von mikrophysikalischen Messungen, insbesondere den daraus resultierenden Größenverteilungen, nachweisbar ist. Darüber hinaus wird eine arktische Flüssigwasser-Wolke im Detail untersucht, welche im Inneren das Auftreten von monomodalen Tröpfchen-Größenverteilungen zeigt. Mit zunehmender Höhe wachsen die Tropfen an und die Maxima der Größenverteilungen verschieben sich hin zu größeren Durchmessern. Dahingegen findet im oberen Übergangsbereich dieser Flüssigwasser-Wolke, zwischen Wolke und freier Atmosphäre, ein Wechsel von monomodalen zu bimodalen Tröpfchen-Größenverteilungen statt. Diese weisen eine Mode 1 mit einem Tropfendurchmesser von 20μm und eine Mode 2 mit einem Tropfendurchmesser von 10μm auf. Das dieses Phänomen eventuell typisch für arktische Flüssigwasser-Wolken ist, zeigen an dem Datensatz durchgeführte Analysen. Mögliche Entstehungsprozesse der zweiten Mode können durch Kondensation von Wasserdampf auf eingetragenen Aerosolpartikeln, die aus einer Luftschicht oberhalb der Wolke stammen oder durch Wirbel, welche trockene Luftmassen in die Wolke induzieren und Verdampfungsprozesse von Wolkentröpfchen hervorrufen, erklärt werden. Unter Verwendung einer direkten numerischen Simulation wird gezeigt, dass die Einmischung von trockenen Luftmassen in den Übergangsbereich der Wolke am wahrscheinlichsten die Ausbildung von Mode 2 verursacht.

Cellular responses after exposure of lung cell cultures to secondary organic aerosol particles

The scope of this work was to examine in vitro responses of lung cells to secondary organic aerosol (SOA) particles, under realistic ambient air and physiological conditions occurring when particles are inhaled by mammals, using a novel particle deposition chamber. The cell cultures included cell types that are representative for the inner surface of airways and alveoli and are the target cells for inhaled particles. The results demonstrate that an exposure to SOA at ambient-air concentrations of about 10(4) particles/cm(3) for 2 h leads to only moderate cellular responses. There is evidence for (i) cell type specific effects and for (ii) different effects of SOA originating from anthropogenic and biogenic precursors, i.e. 1,3,5-trimethylbenzene (TMB) and alpha-pinene, respectively. There was no indication for cytotoxic effects but for subtle changes in cellular functions that are essential for lung homeostasis. Decreased phagocytic activity was found in human macrophages exposed to SOA from alpha-pinene. Alveolar epithelial wound repair was affected by TMB-SOA exposure, mainly because of altered cell spreading and migration at the edge of the wound. In addition, cellular responses were found to correlate with particle number concentration, as interleukin-8 production was increased in pig explants exposed to TMB-SOA with high particle numbers.

Toxicity of aged gasoline exhaust particles to normal and diseased airway epithelia

Particulate matter (PM) pollution is a leading cause of premature death, particularly in those with pre-existing lung disease. A causative link between particle properties and adverse health effects remains unestablished mainly due to complex and variable physico-chemical PM parameters. Controlled laboratory experiments are required. Generating atmospherically realistic Aerosols and performing cell-exposure studies at relevant particle-doses are challenging. Here we examine gasoline-exhaust particle toxicity from a Euro-5 passenger car in a uniquely realistic exposure scenario, combining a smog chamber simulating atmospheric ageing, an aerosol enrichment System varying particle number concentration independent of particle chemistry, and an aerosol Deposition chamber physiologically delivering particles on air-liquid interface (ALI) cultures reproducing normal and susceptible health status. Gasoline-exhaust is an important PM source with largely unknown health effects. We investigated acute responses of fully-differentiated normal, distressed (antibiotics treated) normal, and cystic fibrosis human bronchial epithelia (HBE), and a proliferating, single-cell type bronchial epithelial cell-line (BEAS-2B). We show that a single, short-term exposure to realistic doses of atmospherically-aged gasoline-exhaust particles impairs epithelial key-defence mechanisms, rendering it more vulnerable to subsequent hazards. We establish dose-response curves at realistic particle-concentration levels. Significant differences between cell models suggest the use of fully differentiated HBE is most appropriate in future toxicity studies.