AG Aerosol und Spurengase

Atmosphärische Aerosolpartikel umfassen einen sehr weiten Größenbereich von ca. 1 Nanometer (0,001 Mikrometer) bis hin zu 100 Mikrometer. Die kleinsten dieser Partikel entstehen durch new particle formation (NPF) oder Nukleation, einem Prozess, der mit der Bildung von kleinen Clustern beginnt, welche zunächst nur wenige Moleküle beinhalten. Sehr oft verdampfen diese Cluster schnell wieder, unter geeigneten Bedingungen können sie jedoch thermodynamisch stabile Teilchen bilden. Durch weiteres Wachstum können die neuen Partikel auch Größen erreichen, die sie als Wolkenkondensationskeime qualifizieren (cloud condensation nuclei, CCN, mit Durchmessern von mindestens ca. 50 Nanometer). Aus diesem Grund ist Nukleation ein wichtiger Faktor im Zusammenspiel zwischen Aerosolteilchen, Wolken und Klima. Berechnungen mit globalen Modellen legen nahe, dass etwa die Hälfte der Wolkentröpfchen durch CCN gebildet werden, die ihren Ursprung in der Nukleation haben, wohingegen die andere Hälfte primäre Partikel beinhaltet (diese entstehen unter anderem aus Seesalz, Wüstenstaub, Verbrennung von Biomasse und fossilen Brennstoffen, biologische Komponenten, etc.). Die Untersuchung der Gesundheitseffekte von Nanopartikeln ist ein weiteres aktuelles Forschungsfeld. Da die kleinen Teilchen sehr weit in den Körper vordringen können, können sie potentiell größeren Schaden anrichten als größere Partikel. Trotz der hohen Relevanz, die die Nukleation auf Mensch und Umwelt (Klima) hat, gibt es immer noch viele offene Fragen zu den Prozessen, die bei der Partikelneubildung und dem Wachstum der neuen Teilchen ablaufen. 

Die wichtigsten Faktoren, die die Nukleationsrate beeinflussen (das heißt, wie viele Partikel werden pro Zeit und Volumen gebildet) sind die Anwesenheit von geeigneten Spurengasen, deren Konzentrationen, die Temperatur und, im Falle von ioneninduzierter Nukleation, die Ionisierungsrate. Solche wichtigen Spurengase sind hauptsächlich Schwefelsäure, Ammoniak, Amine, Iodoxide, Wasserdampf und hochoxidierte organische Moleküle. In den meisten Fällen kann allerdings ein Spurengas alleine (bei seinen für die Atmosphäre typischen Konzentrationen) nicht effizient neue Teilchen bilden. Aus diesem Grund müssen im Allgemeinen Mischungen vorliegen (z. B. das System Schwefelsäure–Wasser–Ammoniak) und es reicht nicht aus, nur ein einzelnes Spurengas in der Atmosphäre zu messen, um NPF zu beschreiben. Ein weiterer Faktor, der die Erforschung der atmosphärischen Nukleation erschwert, ist die Tatsache, dass viele relevante Spurengase nur extrem geringe Konzentrationen aufweisen. Die Mischungsverhältnisse von Schwefelsäure betragen typischerweise gerade einmal 0,1 pptv (pptv = parts per trillion by volume, d. h. 0,1 pptv entsprechen 1 Molekül in 10¹³ anderen Luftmolekülen). Trotz allem können solch geringe Konzentrationen wie oben beschrieben einen starken Einfluss auf den Mensch und das Klima haben.

Beim Nitrat-CI-APi-TOF handelt es sich um ein Flugzeit-Massenspektrometer mit chemischer Ionisation durch das Nitrat-Ion. Dieses Gerät hat eine Massenauflösung von bis zu 12.000 und einen Massenbereich bis 2000 Da. Die Ionenquelle nutzt eine Koronaentladung, um aus Salpetersäure die Primärionen (HNO₃)_0–2NO₃^– zu erzeugen, welche Spurengase mit besonders niedriger Flüchtigkeit, z.B. Schwefelsäure, Methansulfonsäure, Iodsäure oder hochoxidierte organische Moleküle (HOM), ionisieren und damit messbar machen können. Das Nitrat-CI-APi-TOF ist für die Messung von gasförmiger Schwefelsäure kalibriert (Kürten et al. 2012) und eine Transmissionskalibrierung ermöglicht die Ableitung von Konzentrationen für andere Massen (Heinritzi et al. 2016). 

Geräte dieses Modells kommen bei mehreren unseren Projekte zum Einsatz: beim CLOUD-Experiment am CERN, bei den Flugzeugkampagnen in den Tropen auf dem Forschungsflugzeug HALO und an der ACTRIS-Messstation auf dem Taunus-Observatorium.

Die Erzeugung von  bekannten Mengen an Schwefelsäure gelingt, indem definierte Mengen an Stickstoff, Sauerstoff, Schwefeldioxid und Wasserdampf in einer Quarzglas-Röhre unter Vorhandensein von intensivem UV Licht (185 nm von einer Quecksilberlampe) reagieren. Ein einfaches Chemiemodell berechnet die resultierende Schwefelsäurekonzentration durch die ablaufenden Reaktionen, die durch die Photolyse von Wasserdampf (Bildung von OH-Radikalen) eingeleitet wird. Die Kalibriereinheit ist portabel und kann bei Feld- und Labormessungen eingesetzt werden. Der abgeschätzte Fehler der Schwefelsäuremessung mit einem kalibrierten nitrate CI-APi-TOF liegt bei ~30%.  

Die Kalibrierkonstante für die Schwefelsäuremessung kann ebenso für die Bestimmung der Konzentration von hochoxidierten organischen Molekülen (HOM) verwendet werden. Da die HOM allerdings einen völlig anderen Bereich im Massenspektrum abdecken (ca. 200 bis 650 Th) als Schwefelsäure (hauptsächlich 97 und 160 Th) muss für diese eine Korrektur bezogen auf die Transmissionseffizienz des Massenspektrometers angewendet werden. Diese erfordert eine separate Kalibration, die durch Heinritzi et al. (2016) beschrieben wurde. Allerdings wird hervorgehoben, dass die Transmissions-Kalibration nicht für die Schwefelsäure-Messung notwendig ist, sondern nur für HOM-Messungen.

• Kondensationszähler (CPC) für ultrafeine Partikel (UFP) mit Butanol als Kondensationsmittel
• Partikelgrößenanalysator (PSM)
• Nano-Differential-Mobility-Analysator (nano-DMA)
• Nano- und Long-Scanning-Mobility-Partikelmessgerät (SMPS)
• Optischer Partikelzähler (OPC)
• Aerodynamisches Partikelmessgerät (APS)
• Hochauflösender DMA
• Spurengasmessgeräte für SO2, O3, NOx, CO2 und CO

• BACCHUS
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