Analysis of build-up of heavy metals and volatile organics on urban roads in Gold Coast, Australia

Urban water quality can be significantly impaired by the build-up of pollutants such as heavy metals and volatile organics on urban road surfaces due to vehicular traffic. Any control strategy for the mitigation of traffic related build-up of heavy metals and volatile organic pollutants should be based on the knowledge of their build-up processes. In the study discussed in this paper, the outcomes of a detailed experiment investigation into build-up processes of heavy metals and volatile organics are presented. It was found that traffic parameters such as average daily traffic, volume over capacity ratio and surface texture depth had similar strong correlations with the build-up of heavy metals and volatile organics. Multicriteria decision analyses revealed that the 1 - 74 um particulate fraction of total suspended solids (TSS) could be regarded as a surrogate indicator for particulate heavy metals in build-up and this same fraction of total organic carbon could be regarded as a surrogate indicator for particulate volatile organics build-up. In terms of pollutants affinity, TSS was found to be the predominant parameter for particulate heavy metals build-up and total dissolved solids was found to be the predominant parameter for he potential dissolved particulate fraction in heavy metals build-up. It was also found that land use did not play a significant role in the build-up of traffic generated heavy metals and volatile organics.

Air–sea fluxes of oxygenated volatile organic compounds across the Atlantic Ocean

We present air-sea fluxes of oxygenated volatile organics compounds (OVOCs) quantified by eddy covariance (EC) during the Atlantic Meridional Transect cruise in 2012. Measurements of acetone, acetaldehyde, and methanol in air as well as in water were made in several different oceanic provinces and over a wide range of wind speeds (1-18 m s(-1)). The ocean appears to be a net sink for acetone in the higher latitudes of the North Atlantic but a source in the subtropics. In the South Atlantic, seawater acetone was near saturation relative to the atmosphere, resulting in essentially zero net flux. For acetaldehyde, the two-layer model predicts a small oceanic emission, which was not well resolved by the EC method. Chemical enhancement of air-sea acetaldehyde exchange due to aqueous hydration appears to be minor. The deposition velocity of methanol correlates linearly with the transfer velocity of sensible heat, confirming predominant airside control. We examine the relationships between the OVOC concentrations in air as well as in water, and quantify the gross emission and deposition fluxes of these gases.

Toxicity assessment of xenobiotic contaminated groundwater using lux modified Pseudomonas fluorescens

A bacterial bioassay, suitable for rapid screening to assess the relative toxicity of xenobiotic contaminated groundwater has been developed. The quantitative bioassay utilizes a decline in luminescence of the lux marked soil bacterium Pseudomonas fluorescens on exposure to contaminated groundwaters from which effective concentration (EC) values can be assessed and compared. P. fluorescens was most sensitive to semi-volatile organics in groundwaters but there was no correlation between EC value and chemical content. The sensitivity and reproducibility of the P. fluorescens bioassay was compared with that of Microtox and results showed that mean EC₅₀ values for diluted ground water replicate samples were 20% and 18% respectively. This suggested that the P. fluorescens bioassay was as applicable to groundwater screening as the widely used Microtox bioassay.

Biosensor based toxicity dissection of tannery and associated environmental samples

Kenyan tannery and associated environmental samples were selected for ecotoxicological assessment. A tool-kit of techniques was developed, including whole-cell biosensor and chemical assays. A luminescence based bacterial biosensor (Escherichia coli HB101 pUCD607) (via a multi-copy plasmid) was used for toxicity assessment. Samples were manipulated prior to biosensor interrogation to identify the nature of the toxic contaminants. Untreated samples (before any manipulations) showed a strong toxic effect at the discharge point in comparison to other sampling points. Sparging was used to identify toxicity associated with volatile organics. The toxicity of contaminants, removed by treatment with activated charcoal was identified for all the sampling points except for those upstream of effluent discharges. Filtration identified toxicity associated with suspended solids. Changes in availability of toxic contaminants due to pH adjustment of most samples from the tannery effluent treatment pits were also associated with the extreme pH values (4.0 and 8.0). The approach used has highlighted the complexicity of toxic pollutants in effluent from the tanning industry and the dissection of toxicity points to possible remediation strategies for effluents from the tanning industry.

Estudo de pluma de contaminação por combustível com o método GPR e desenvolvimento de simulador geofísico para fins educativos

Este trabalho consistiu na investigação geofísica da possível contaminação de um posto de combustíveis em Belém-PA, bem como no desenvolvimento de um simulador geofísico para fins educativos. A investigação consistiu no levantamento de 13 perfis com o método geofísico eletromagnético Ground Penetrating Radar (GPR). Os radargramas obtidos, conjuntamente com os dados pré-existentes de sondagens mecânicas, Volatile Organics Compounds (VOC) e Benzeno-Tolueno-Etil-benzeno-Xileno (BTEX), permitiram identificar zonas de baixa reflexão do sinal eletromagnético (zonas atenuadas) em áreas com predominância de areia, o que indicaria contaminação. Como as medidas de GPR foram repetidas no período chuvoso, foi possível observar a redução da atenuação em perfil rico em areia, indicando a lixiviação dos ácidos graxos oriundos da biodegradação dos hidrocarbonetos, bem como o aumento da atenuação provocada pela argila, devido a sua elevada porosidade, e também, possivelmente, pelo aumento da biodegradação dos hidrocarbonetos que ficam retidos na argila. Este resultado constitui o primeiro caso inserido no simulador geofísico, experimento que permite mostrar o uso de diferentes métodos geofísicos. O simulador possui duas telas computacionais, a debaixo para simulação do modelo de subsuperfície escolhido e, a tela de cima, para representação da resposta geofísica obtida com o auxílio de uma unidade ótica que percorre o perfil representado na tela debaixo. Trata-se de uma modelagem analógica com recursos computacionais ainda não reportada na literatura, que permitirá mostrar diversos casos investigados constantes em dissertações e teses. O simulador poderá ser deslocado para empresas, universidades e secretarias, que fazem ou podem fazer uso da Geofísica, além de praças, escolas, etc., contribuindo de forma incisiva para a difusão da Geofísica como ferramenta na gestão de áreas contaminadas bem como para chamar a atenção da população para diferentes tipos de problemas, de modo a instruí-la sobre os mesmos.

Leaf level VOC emissions of single plants from Amazonian and Mediterranean ecosystems: Ontogeny and flooding as stress factor for VOC emissions

Die Vegetation ist die wichtigste Quelle von organischen flüchtigen Verbindungen (auf Englisch volatile organic compounds,VOCs), die einen bemerkenswerten Einfluss auf der Chemie und Physik der Atmosphäre haben. VOCs beeinflussen die oxidative Kapazität der Atmosphäre und tragen zu der Bildung und zum Wachstum von sekundären organischen Aerosolen bei, welche einerseits eine Streuung und Reflektierung der Energie verursachen und andererseits sich an der Bildung und Entwicklung von Wolken beteiligen. Ziel dieser Arbeit war die Beschreibung und der Vergleich von VOC Emissionen aus Pflanzen aus zwei verschiedenen Ökosystemen: Mediterranes Ökosystem und Tropisches Ökosystem. Für diese Aufgabe wurden gewöhnliche Pflanzen von beiden Ökosystemen untersucht. Siebzehn Pflanzenspezies aus der Mittelmeergebiet, welches bekannt ist für seine Vielfalt an VOC emittierenden Pflanzen, wurden in die Untersuchungen einbezogen. Im Gegensatz zum mediterranen Ökosystem sind nur wenig Information verfügbar über VOC Emissionen aus Blättern tropischer Baumspezies. Vor diesem Hintergrund wurden sechsundzwanzig Baumspezies aus verschiedenen Ökotypen des Amazonasbeckens (Terra firme, Várzea und Igapó) wurden auf VOC Emissionen auf Blattebene mit einem Küvetten-System untersucht. Analysen von flüchtigen organischen Verbindungen wurden online mit PTR-MS und offline mittels Sammlung auf entsprechenden Adsorbern (Kartuschen) und nachfolgender GC-FID Analyse untersucht. Die höchsten Emissionen wurden für Isoprene beobachtete, gefolgt durch Monoterpene, Methanol und Aceton. Die meisten Mittelmeer Spezies emittierten eine hohe Vielfalt an Monoterpenspezies, hingegen zeigten nur fünf tropische Pflanzenspezies eine Monoterpene mit einen sehr konservativen Emissionsprofil (α-Pinen>Limonen>Sabinen >ß-Pinen). Mittelmeerpflanzen zeigten zusätzlich Emissionen von Sesquiterpenen, während bei der Pflanzen des Amazonas Beckens keine Sesquiterpenemissionen gefunden wurden. Dieser letzte Befund könnte aber auch durch eine niedrigere Sensitivität des Messsystems während der Arbeiten im Amazonasgebiet erklärt werden. Zusätzlich zu den Isoprenoidemissionen waren Methanolemissionen als Indikator für Wachtumsvorgänge sehr verbreitet in den meisten Pflanzenspezies aus tropischen und mediterranen Gebieten. Einige Pflanzenspezies beider Ökosystemen zeigten Acetonemissionen. rnrnVOC Emissionen werde durch eine große Vielfalt an biotischen und abiotischen Faktoren wie Lichtintensität, Temperatur, CO2 und Trockenheit beeinflusst. Ein anderer, öfter übersehener Faktor, der aber sehr wichtig ist für das Amazonas Becken, ist die regelmäßige Überflutung. In dieser Untersuchung wir fanden heraus, dass am Anfang einer Wurzelanoxie, die durch die Überflutung verursacht wurde, Ethanol und Acetaldehyd emittiert werden können, vor allem in Pflanzenspezies, die schlechter an eine unzureichende Sauerstoffversorgung bei Flutung adaptiert sind, wie z.B. Vatairea guianensis. Die Spezies Hevea spruceana, welche besser an Überflutung adaptiert ist, könnte möglicherweise der gebildete Ethanol sofort remetabolisieren ohne es zu emittieren. Nach einer langen Periode einer Überflutung konnte allerdings keine Emission mehr beobachtet werden, was auf eine vollständige Adaptation mit zunehmender Dauer schließen lässt. Als Reaktion auf den ausgelösten Stress können Isoprenoidemissionen ebenfalls kurzfristig nach einigen Tage an Überflutung zunehmen, fallen dann aber dann nach einer langen Periode zusammen mit der Photosynthese, Transpiration und stomatäre Leitfähigkeit deutlich ab.rnrnPflanzen Ontogenese ist anscheinend von Bedeutung für die Qualität und Quantität von VOC Emissionen. Aus diesem Grund wurden junge und erwachsene Blätter einiger gut charakterisierten Pflanzen Spezies aus dem Mittelmeerraum auf VOC Emissionen untersucht. Standard Emissionsfaktoren von Isopren waren niedriger in jungen Blättern als in erwachsene Blätter. Hingegen wurden höhere Monoterpen- und Sesquiterpenemissionen in jungen Blätter einiger Pflanzenspezies gefunden. Dieser Befund deutet auf eine potentielle Rolle dieser VOCs als Abwehrkomponenten gegen Pflanzenfresser oder Pathogene bei jungen Blätter hin. In einigen Fällen variierte auch die Zusammensetzung der Monoterpen- und Sesquiterpenspezies bei jungen und erwachsenen Blättern. Methanolemissionen waren, wie erwartet, höher in jungen Blättern als in ausgewachsenen Blättern, was mit der Demethylierung von Pectin bei der Zellwandreifung erklärt werden kann. Diese Befunde zu Änderungen der Emissionskapazität der Vegetation können für zukünftige Modellierungen herangezogen werden. rn

Development and application of an analytical method for the determination of total atmospheric biogenic non-methane organic carbon

Ein wesentlicher Anteil an organischem Kohlenstoff, der in der Atmosphäre vorhanden ist, wird als leichtflüchtige organische Verbindungen gefunden. Diese werden überwiegend durch die Biosphäre freigesetzt. Solche biogenen Emissionen haben einen großen Einfluss auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre, indem sie zur Bildung von bodennahem Ozon und sekundären organischen Aerosolen beitragen. Um die Bildung von bodennahem Ozon und von sekundären organischen Aerosolen besser zu verstehen, ist die technische Fähigkeit zur genauen Messung der Summe dieser flüchtigen organischen Substanzen notwendig. Häufig verwendete Methoden sind nur auf den Nachweis von spezifischen Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffverbindungen fokussiert. Die Summe dieser Einzelverbindungen könnte gegebenenfalls aber nur eine Untergrenze an atmosphärischen organischen Kohlenstoffkonzentrationen darstellen, da die verfügbaren Methoden nicht in der Lage sind, alle organischen Verbindungen in der Atmosphäre zu analysieren. Einige Studien sind bekannt, die sich mit der Gesamtkohlenstoffbestimmung von Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffverbindung in Luft beschäftigt haben, aber Messungen des gesamten organischen Nicht-Methan-Verbindungsaustauschs zwischen Vegetation und Atmosphäre fehlen. Daher untersuchten wir die Gesamtkohlenstoffbestimmung organische Nicht-Methan-Verbindungen aus biogenen Quellen. Die Bestimmung des organischen Gesamtkohlenstoffs wurde durch Sammeln und Anreichern dieser Verbindungen auf einem festen Adsorptionsmaterial realisiert. Dieser erste Schritt war notwendig, um die stabilen Gase CO, CO2 und CH4 von der organischen Kohlenstofffraktion zu trennen. Die organischen Verbindungen wurden thermisch desorbiert und zu CO2 oxidiert. Das aus der Oxidation entstandene CO2 wurde auf einer weiteren Anreicherungseinheit gesammelt und durch thermische Desorption und anschließende Detektion mit einem Infrarot-Gasanalysator analysiert. Als große Schwierigkeiten identifizierten wir (i) die Abtrennung von CO2 aus der Umgebungsluft von der organischen Kohlenstoffverbindungsfaktion während der Anreicherung sowie (ii) die Widerfindungsraten der verschiedenen Nicht-Methan-Kohlenwasserstoff-verbindungen vom Adsorptionsmaterial, (iii) die Wahl des Katalysators sowie (iiii) auftretende Interferenzen am Detektor des Gesamtkohlenstoffanalysators. Die Wahl eines Pt-Rd Drahts als Katalysator führte zu einem bedeutenden Fortschritt in Bezug auf die korrekte Ermittlung des CO2-Hintergrund-Signals. Dies war notwendig, da CO2 auch in geringen Mengen auf der Adsorptionseinheit während der Anreicherung der leichtflüchtigen organischen Substanzen gesammelt wurde. Katalytische Materialien mit hohen Oberflächen stellten sich als unbrauchbar für diese Anwendung heraus, weil trotz hoher Temperaturen eine CO2-Aufnahme und eine spätere Abgabe durch das Katalysatormaterial beobachtet werden konnte. Die Methode wurde mit verschiedenen leichtflüchtigen organischen Einzelsubstanzen sowie in zwei Pflanzenkammer-Experimenten mit einer Auswahl an VOC-Spezies getestet, die von unterschiedlichen Pflanzen emittiert wurden. Die Pflanzenkammer-messungen wurden durch GC-MS und PTR-MS Messungen begleitet. Außerdem wurden Kalibrationstests mit verschiedenen Einzelsubstanzen aus Permeations-/Diffusionsquellen durchgeführt. Der Gesamtkohlenstoffanalysator konnte den tageszeitlichen Verlauf der Pflanzenemissionen bestätigen. Allerdings konnten Abweichungen für die Mischungsverhältnisse des organischen Gesamtkohlenstoffs von bis zu 50% im Vergleich zu den begleitenden Standardmethoden beobachtet werden.

Investigation of the effect of organics on the water uptake of marine aerosols

Water uptake refers to the ability of atmospheric particles to take up water vapour from the surrounding atmosphere. This is an important property that affects particle size and phase and therefore influences many characteristics of aerosols relevant to air quality and climate. However, the water uptake properties of many important atmospheric aerosol systems, including those related to the oceans, are still not fully understood. Therefore, the primary aim of this PhD research program was to investigate the water uptake properties of marine aerosols. In particular, the effect of organics on marine aerosol water uptake was investigated. Field campaigns were conducted at remote coastal sites on the east coast of Australia (Agnes Water; March-April 2007) and west coast of Ireland (Mace Head; June 2007), and laboratory measurements were performed on bubble-generated sea spray aerosols. A combined Volatility-Hygroscopicity-Tandem Differential Mobility Analyser (VH-TDMA) was employed in all experiments. This system probes the changes in the hygroscopic properties of nanoparticles as volatile organic components are progressively evaporated. It also allows particle composition to be inferred from combined volatility-hygroscopicity measurements. Frequent new particle formation and growth events were observed during the Agnes Water campaign. The VH-TDMA was used to investigate freshly nucleated particles (17-22.5 nm) and it was found that the condensation of sulphate and/or organic vapours was responsible for driving particle growth during the events. Aitken mode particles (~40 nm) were also measured with the VH-TDMA. In 3 out of 18 VH-TDMA scans evaporation of a volatile, organic component caused a very large increase in hygroscopicity that could only be explained by an increase in the absolute water uptake of the particle residuals, and not merely an increase in their relative hygroscopicity. This indicated the presence of organic components that were suppressing the hygroscopic growth of mixed particles on the timescale of humidification in the VH-TDMA (6.5 secs). It was suggested that the suppression of water uptake was caused by either a reduced rate of hygroscopic growth due to the presence of organic films, or organic-inorganic interactions in solution droplets that had a negative effect on hygroscopicity. Mixed organic-inorganic particles were rarely observed by the VH-TDMA during the summer campaign conducted at Mace Head. The majority of particles below 100 nm in clean, marine air appeared to be sulphates neutralised to varying degrees by ammonia. On one unique day, 26 June 2007, particularly large concentrations of sulphate aerosol were observed and identified as volcanic emissions from Iceland. The degree of neutralisation of the sulphate aerosol by ammonia was calculated by the VH-TDMA and found to compare well with the same quantity measured by an aerosol mass spectrometer. This was an important verification of the VH-TMDA‘s ability to identify ammoniated sulphate aerosols based on the simultaneous measurement of aerosol volatility and hygroscopicity. A series of measurements were also conducted on sea spray aerosols generated from Moreton Bay seawater samples in a laboratory-based bubble chamber. Accumulation mode sea spray particles (38-173 nm) were found to contain only a minor organic fraction (< 10%) that had little effect on particle hygroscopicity. These results are important because previous studies have observed that accumulation mode sea spray particles are predominantly organic (~80% organic mass fraction). The work presented here suggests that this is not always the case, and that there may be currently unknown factors that are controlling the transfer of organics to the aerosol phase during the bubble bursting process. Taken together, the results of this research program have significantly improved our understanding of organic-containing marine aerosols and the way they interact with water vapour in the atmosphere.

In situ concentration of semi-volatile aerosol using water-condensation technology

The effect of concentrating semi-volatile aerosols using a water-condensation technology was investigated using the Versatile Aerosol Concentration Enrichment System (VACES) and the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (AMS) during measurements of ambient aerosol in Pittsburgh, PA. It was found that the shape of the sulfate mass-weighed size distribution was approximately preserved during passage through the concentrator for all the experiments performed, with a mass enhancement factor of about 10-20 depending on the experiment. The size distributions of organics, ammonium and nitrate were preserved on a relatively clean day (sulfate concentration around 7μg/m3), while during more polluted conditions the concentration of these compounds, especially nitrate, was increased at small sizes after passage through the concentrator. The amount of the extra material, however, is rather small in these experiments: between 2.4% and 7.5% of the final concentrated PM mass is due to "artifact" condensation. An analysis of thermodynamic processes in the concentrator indicates that the extra particle material detected can be explained by redistribution of gas-phase material to the aerosol phase in the concentrator. The analysis shows that the condensation of extra material is expected to be larger for water-soluble semi-volatile material, such as nitrate, which agrees with the observations. The analysis also shows that artifact formation of nitrate will be more pronounced in ammonia-limited conditions and virtually undetectable in ammonia-rich conditions. © 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Kinetic multi-layer model of gas-particle interactions in aerosols and clouds (KM-GAP): linking condensation, evaporation and chemical reactions of organics, oxidants and water

We present a novel kinetic multi-layer model for gas-particle interactions in aerosols and clouds (KM-GAP) that treats explicitly all steps of mass transport and chemical reaction of semi-volatile species partitioning between gas phase, particle surface and particle bulk. KM-GAP is based on the PRA model framework (Pöschl-Rudich-Ammann, 2007), and it includes gas phase diffusion, reversible adsorption, surface reactions, bulk diffusion and reaction, as well as condensation, evaporation and heat transfer. The size change of atmospheric particles and the temporal evolution and spatial profile of the concentration of individual chemical species can be modelled along with gas uptake and accommodation coefficients. Depending on the complexity of the investigated system, unlimited numbers of semi-volatile species, chemical reactions, and physical processes can be treated, and the model shall help to bridge gaps in the understanding and quantification of multiphase chemistry and microphysics in atmo- spheric aerosols and clouds. In this study we demonstrate how KM-GAP can be used to analyze, interpret and design experimental investigations of changes in particle size and chemical composition in response to condensation, evaporation, and chemical reaction. For the condensational growth of water droplets, our kinetic model results provide a direct link between laboratory observations and molecular dynamic simulations, confirming that the accommodation coefficient of water at 270 K is close to unity. Literature data on the evaporation of dioctyl phthalate as a function of particle size and time can be reproduced, and the model results suggest that changes in the experimental conditions like aerosol particle concentration and chamber geometry may influence the evaporation kinetics and can be optimized for eðcient probing of specific physical effects and parameters. With regard to oxidative aging of organic aerosol particles, we illustrate how the formation and evaporation of volatile reaction products like nonanal can cause a decrease in the size of oleic acid particles exposed to ozone.

Kinetic multi-layer model of gas-particle interactions in aerosols and clouds (KM-GAP): linking condensation, evaporation and chemical reactions of organics, oxidants and water

We present a novel kinetic multi-layer model for gas-particle interactions in aerosols and clouds (KMGAP) that treats explicitly all steps of mass transport and chemical reaction of semi-volatile species partitioning between gas phase, particle surface and particle bulk. KMGAP is based on the PRA model framework (P¨oschl-Rudich- Ammann, 2007), and it includes gas phase diffusion, reversible adsorption, surface reactions, bulk diffusion and reaction, as well as condensation, evaporation and heat transfer. The size change of atmospheric particles and the temporal evolution and spatial profile of the concentration of individual chemical species can be modeled along with gas uptake and accommodation coefficients. Depending on the complexity of the investigated system and the computational constraints, unlimited numbers of semi-volatile species, chemical reactions, and physical processes can be treated, and the model shall help to bridge gaps in the understanding and quantification of multiphase chemistry and microphysics in atmospheric aerosols and clouds. In this study we demonstrate how KM-GAP can be used to analyze, interpret and design experimental investigations of changes in particle size and chemical composition in response to condensation, evaporation, and chemical reaction. For the condensational growth of water droplets, our kinetic model results provide a direct link between laboratory observations and molecular dynamic simulations, confirming that the accommodation coefficient of water at 270K is close to unity (Winkler et al., 2006). Literature data on the evaporation of dioctyl phthalate as a function of particle size and time can be reproduced, and the model results suggest that changes in the experimental conditions like aerosol particle concentration and chamber geometry may influence the evaporation kinetics and can be optimized for efficient probing of specific physical effects and parameters. With regard to oxidative aging of organic aerosol particles, we illustrate how the formation and evaporation of volatile reaction products like nonanal can cause a decrease in the size of oleic acid particles exposed to ozone.

The development and deployment of FOTOS: a fast observation of trace organics system

Flüchtige organische Bestandteile (engl.: VOC) sind in der Atmosphäre in Spuren vorhanden, spielen aber trotzdem eine wichtige Rolle in der Luftchemie: sie beeinflussen das Ozon der Troposphäre, städtischen Smog, Oxidationskapazität und haben direkte und indirekte Auswirkungen auf die globale Klimaveränderung. Eine wichtige Klasse der VOC sind die Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (engl.: NMHC), die überwiegend von anthropogenen Quellen kommen. Aus diesem Grund ist für Luftchemiker ein Messinstrument nötig, das die VOC, die NMHC eingeschlossen, mit einer höheren Zeitauflösung misst, besonders für Echtzeitmessungen an Bord eines Forschungsflugzeuges. Dafür wurde das System zur schnellen Beobachtung von organischen Spuren (engl.: FOTOS) entworfen, gebaut für den Einsatz in einem neuen Wissenschaftlichen Flugzeug, das in großen Höhen und über weite Strecken fliegt, genannt HALO. In der Folge wurde FOTOS in zwei Messkampagnen am Boden getestet. FOTOS wurde entworfen und gebaut mit einem speziell angefertigten, automatisierten, kryogenen Probensystem mit drei Fallen und einem angepassten, erworbenen schnellen GC-MS. Ziel dieses Aufbaus war es, die Vielseitigkeit zu vergrößern und das Störungspotential zu verringern, deshalb wurden keine chemischen Trocknungsmittel oder adsorbierenden Stoffe verwendet. FOTOS erreichte eine Probenfrequenz von 5.5 Minuten, während es mindestens 13 verschiedene C2- bis C5-NMHC maß. Die Drei-Sigma-Detektionsgrenze für n- und iso-Pentan wurde als 2.6 und 2.0 pptv ermittelt, in dieser Reihenfolge. Labortests bestätigten, dass FOTOS ein vielseitiges, robustes, hochautomatisiertes, präzises, genaues, empfindliches Instrument ist, geeignet für Echtzeitmessungen von VOC in Probenfrequenzen, die angemessen sind für ein Forschungsflugzeug wie HALO. Um die Leistung von FOTOS zu bestätigen, wurde vom 26. Januar bis 4. Februar 2010 ein Zwischenvergleich gemacht mit dem GC-FID-System am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg, einer WMO-GAW-globalen Station. Dreizehn verschiedene NMHC wurden innerhalb des Rahmens der GWA Data Quality Objectives (DQO) analysiert und verglichen. Mehr als 80% der Messungen von sechs C3- bis C5-NMHC erfüllten diese DQO. Diese erste Messkampagne im Feld hob die Robustheit und Messgenauigkeit von FOTOS hervor, zusätzlich zu dem Vorteil der höheren Probenfrequenz, sogar in einer Messung am Boden. Um die Möglichkeiten dieses Instrumentes im Feld zu zeigen, maß FOTOS ausgewählte leichte NMHC während einer Messkampagne im Borealen Waldgebiet, HUMPPA-COPEC 2010. Vom 12. Juli bis zum 12. August 2010 beteiligte sich eine internationale Gruppe von Instituten und Instrumenten an Messungen physikalischer und chemischer Größen der Gas- und Partikelphasen der Luft über dem Borealen Wald an der SMEAR II-Station nahe Hyyttiälä, Finnland. Es wurden mehrere Hauptpunkte von Interesse im Mischungsverhältnis der Alkane und im Isomerenverhätnis von Pentan identifiziert, insbesondere sehr unterschiedliche Perioden niedriger und hoher Variabilität, drei Rauchschwaden von Biomassen-Verbrennung von russischen Waldbränden und zwei Tage mit extrem sauberer Luft aus der Polarregion. Vergleiche der NMHC mit anderen anthropogenen Indikatoren zeigten mehrere Quellen anthropogener Einflüsse am Ort auf und erlaubten eine Unterscheidung zwischen lokalen und weiter entfernten Quellen. Auf einen minimalen natürlichen Beitrag zum 24h-Kreislauf von NOx wurde geschlussfolgert aus der Korrelation von NOx mit Alkanen. Altersschätzungen der Luftmassen durch das Isomerenverhältnis von Pentan wurden erschwert durch sich verändernde Verhältnisse der Quellen und durch Besonderheiten der Photochemie während des Sommers im hohen Norden. Diese Messungen zeigten den Wert des Messens leichter NMHC, selbst in abgelegenen Regionen, als einen zusätzlichen spezifischen Marker von anthropogenem Einfluss.

Characterization of Halyomorpha halys (brown marmorated stink bug) biogenic volatile organic compound emissions and their role in secondary organic aerosol formation.

The formation of aerosols is a key component in understanding cloud formation in the context of radiative forcings and global climate modeling. Biogenic volatile organic compounds (BVOCs) are a significant source of aerosols, yet there is still much to be learned about their structures, sources, and interactions. The aims of this project were to identify the BVOCs found in the defense chemicals of the brown marmorated stink bug Halymorpha halys and quantify them using gas chromatography-mass spectrometry (GC/MS) and test whether oxidation of these compounds by ozone-promoted aerosol and cloud seed formation. The bugs were tested under two conditions: agitation by asphyxiation and direct glandular exposure. Tridecane, 2(5H)-furanone 5-ethyl, and (E)-2-decenal were identified as the three most abundant compounds. H. halys were also tested in the agitated condition in a smog chamber. It was found that in the presence of 100-180 ppm ozone, secondary aerosols do form. A scanning mobility particle sizer (SMPS) and a cloud condensation nuclei counter (CCNC) were used to characterize the secondary aerosols that formed. This reaction resulted in 0.23 microg/ bug of particulate mass. It was also found that these secondary organic aerosol particles could act as cloud condensation nuclei. At a supersaturation of 1%, we found a kappa value of 0.09. Once regional populations of these stink bugs stabilize and the populations estimates can be made, the additional impacts of their contribution to regional air quality can be calculated.