Bestimmung der Aerosol-Zusammensetzung und Wachstumsraten

Atmosphärische Aerosolpartikel haben einen relevanten Einfluss auf Menschenleben. Vor allem die menschliche Gesundheit ist betroffen., da die Aerosolpartikel in die Atemwege gelangen und sich dort absetzen können. Das kann in weiterer Folge zu schwerwiegenden gesundheitlichen Problemen führen. Weiters beeinflussen die Aerosolpartikel durch direkte und indirekte Wechselwirkungen mit dem Sonnenlicht, mittelbar und unmittelbar das Klima der Erde. Primäre Aerosolpartikel gelangen aus verschiedenen Quellen menschlicher und natürlicher Natur ständig in die Atmosphäre. Sekundäre Aerosolpartikel können spontan in der Atmosphäre durch Kondensation von schwerflüchtigen gasförmigen Verbindungen entstehen. Diese gebildeten Moleküle können als Wolkenkondensationskeime fungieren, die dann als Grundlage für Wolkentröpfchen dienen. Modellstudien haben gezeigt, dass diese für etwa 50% der globalen Wolkenkondensationskeime verantwortlich sind. Intensive experimentelle und theoretische Arbeiten beschäftigen sich seit geraumer Zeit damit, das Verständnis der Details dieser sekundär gebildeten Aerosolpartikel zu vertiefen. Das Projekt stellt eine experimentelle Untersuchung der chemischen Zusammensetzung atmosphärischer Aerosolpartikel dar. Die Messungen werden dazu dienen, die physikalischen und chemischen Eigenschaften von den spontan neugebildeten Aerosolpartikel zu verstehen. Die Entwicklung von Messverfahren zur Detektion der kleinsten Aerosolteilchen hat sich in den letzten Jahren schnell weiterentwickelt. Die chemische Zusammensetzung der anfänglich gebildeten Cluster kann im Größenbereich bis zu ungefähr 2 nm (nm= nanometer= 2*10-9 meter) mittels hochauflösender Massenspektrometrie bestimmt werden. Aerosolpartikel mit einem Durchmesser größer als 10 nm können chemisch und physikalisch mit verschiedenen Methoden analysiert werden. Die vorgeschlagene Methode soll helfen, die Lücke im Größenbereich der derzeit verfügbaren Messtechnik zu schließen. Hier geht es nicht nur darum, die chemische Zusammensetzung, sondern auch die Partikelwachstumsraten in diesem Größenbereich zu bestimmen. Die Partikelwachstumsraten bestimmen die Wahrscheinlichkeit mit der die neugebildeten Partikel signifikant das Klima beeinflussen, da sie erst ab einer Größe von etwa 50-100 nm als Wolkenkondensationskeime dienen.DievorgeschlagenenMethoden kombinieren elektrische Verfahren, welche die Größe der gemessenen Aerosolpartikel selektieren und Kondensationsverfahren mit deren Hilfe die Partikel gezählt werden. Die Kondensationsverfahren sollen helfen indirekt, die chemische Zusammensetzung der Partikel zu ermitteln und die Größenselektion der Partikel erlaubt die Bestimmung der Wachstumsraten. Das vorgeschlagene Projekt umfasst Laboruntersuchungen und Feldmessungen an verschiedenen Standorten (ländliche und städtische Flächen) um die Unterschiede in den Partikeleigenschaften zwischen Flächen mit großem menschlichen Einfluss und Flächen ohne menschlichen Einfluss zu untersuchen.

Aerosol-Partikel sind kleinste luftgetragene Partikel, die uns in vieler Hinsicht beeinflussen. Ihre Größe reicht von einigen nm bis hin zu etwa 100mikrometer. Ihre Quellen sind einerseits natürlich und andererseits athropogen. Bei den Quellen wird im weiteren zwischen primären und sekundären unterschieden. Primäre menschliche Quellen für Aerosol Partikel sind etwa Rußemissionen oder Zigarettenrauch. Primäre natürliche Quellen sind etwa Pollen, Vulkanasche oder Meereströpfchen. Sekundäre Quellen sind einen Kombination aus natürlichen und menschlichen Quellen. Aufgrund bestimmter in der Atmosphäre vorhandener Spurengase (Schwefel, Stickoxide, organische Komponenten) in Kombination mit anderen atmosphärischen Gegebenheiten (Sonneneinstrahlung, Temperatur, relative Feuchte etc.) kann es zu spontaner Neubildung von Aerosolpartikeln kommen. Diese spontane Neubildung konnte dank intensiver Feldstudien überall in der Atmosphäre beobachtet werden, mit Ausnahme der Amazonasregion. Wachsen diese neu gebildeten Aerosol-Partikel weiter an, haben sie einen wesentlichen Einfluss auf die Wolkenbildung und in weiterer Folge auf das Klima und auch die Gesundheit. Die Untersuchung der natürlichen Entstehung der kleinsten Aerosolpartikel und deren Wachstum bis hin zu Wolkentröpfchen ist daher von großem Interesse. In meiner Arbeit habe ich die natürliche Entstehung der kleinsten Aerosol-Partikel in der Umgebung des Amazonas untersucht. Diese Umgebung ist eine der natürlichsten der Welt und unterliegt relativ wenig von menschlichen Einflüssen. Daher ist das Gebiet von besonderem Interesse. Zum ersten Mal wurde im Zuge meines Projektes, eine spontane Neubildung von Aerosol Partikel im Amazonas Gebiet beobachtet. Um diese kleinsten Aerosol-Partikel genauer untersuchen zu können, benötigt es geeignete Messgeräte. Die Totalkonzentration der kleinsten Aerosol Partikel wird generell mittels Kondensationswachstum und im weiteren optischer Detektierung bewerkstelligt. Im Zuge einer groß angelegten Laborstudie, wurden unterschiedliche Kondensationspartikelzähler die mit unterschiedlichen Methoden arbeiten, um die in der Atmosphäre vorhandenen Partikel mittels Kondensationswachstum vermessen zu können arbeiten, im Labor unter genau definierten Bedingungen untersucht. Eines der Geräte, ist ein neu auf den Markt gebrachtes Messinstrument, das zum ersten Mal zu einer solchen rigorosen Untersuchung herangezogen wurde. Der größte Unterschied in der Methodik liegt bei der verwendeten Flüssigkeit, die im Gerät in einen definierten Sättigungszustand gebracht wird. In weiterer Folge werden die Aerosole und der gesättigte Dampf zusammengeführt und mittels Abkühlung das Kondensationswachstum der Aerosole herbei geführt. Wasser, Butanol und Diethylenglycol sind die bei meiner Untersuchung verwendeten Flüssigkeiten. Das Ziel der Studie, war den Einfluss der chemischen Zusammensetzung der Aerosolpartikel in Verbindung mit der verwendeten Kondensationsflüssigkeit zu untersuchen. Eine erhöhte Löslichkeit aufgrund chemischer Ähnlichkeit zwischen Kondensationsmittel und Aerosolzusammensetzung führt zu einer höheren DEtektionseffizienz für kleinere Aerosolpartikel innerhalb des Gerätes. Die gewonnenen Erkenntnisse haben zu einem tieferen Verständnis der physikalischen und chemischen Vorgänge geführt. Diese Erkenntnisse beeinflussen im weiteren Ergebnisse, die von Studien zur Zusammensetzung der Atmosphäre, insbesondere der Untersuchung der Aerosol-Partikel gewonnen werden.