Chemical Nature and Origins of Atmospheric Brown Carbon Aerosol
Final Report Abstract
Ein Hauptziel des Projekts bestand in der analytisch-methodischen Weiterentwicklung eines Messgerätes zur chemischen Charakterisierung von partikulärem Material. Das Messgerät basiert auf der Kopplung eines thermisch/optischen Kohlenstoffanalysators, mit dem die Gesamtmenge von elementarem und organisch gebundenem Kohlenstofffraktionen von Partikeln bestimmt werden kann, und eines Massenspektrometers, das in Echtzeit die dabei freigesetzten chemischen Verbindungen detektieren kann. Bei den jetzt dazu gefügten Erweiterungen handelt es sich um einen 7-Wellenlängenlaser zur frequenzaufgelösten Messung der Lichtabsorption durch die Partikel sowie einen Quadrupolmassenspektrometer zur Summenbestimmung zusätzlicher Elemente wie Stickstoff und Schwefel. Etwas überraschend war die Erkenntnis, dass die Implementierung der neuen Komponenten sich aufwendiger gestaltete als zu Anfang angenommen. Es waren umfangreichere Modifikationen am Gesamtsystem notwendig, um die neuen Messmöglichkeiten zu integrieren, ohne die vorhandenen in ihrer Leistung zu beeinträchtigen. Für die Auswertung der mit dem Quadrupolmassenspektrometer aufgenommenen Daten wurde ein Arbeitsablauf erstellt für die Quantifizierung der Summenparameter von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel. Der Anteil anorganischer Spezies ist dabei gesondert zu betrachten. Aus den Absorptionsmessungen kann über modellhafte Beschreibungen der Absorptionseigenschaften eine Unterscheidung zwischen dem Anteil an Black Carbon und Brown Carbon getroffen werden. Letzterer wirft hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung noch viele Fragen auf. Eine Kombination mit den Daten des Flugzeitmassenspektrometers, der eine Analyse auf molekularer Ebene ermöglicht, kann hier weiterhelfen, dazu werden aber massenspektrometrische Signaturen vieler Substanzklassen benötigt. Dafür wurden Standardsubstanzen vermessen, wobei sich zeigte, dass viele sauerstoffhaltige Verbindungen auch bei weicher Ionisierung zur Fragmentbildung neigen. Einen zweiten Schwerpunkt bildeten Untersuchungen von Partikeln aus der motorischen Verbrennung. Ein Schiffsdieselmotor (Treibstoffe Schweröl und Diesel) und dein PKW-Benzinmotor (Kraftstoffe E10 Superbenzin und Ethanol E85) stellte die Quellen da. Für verschiedene Temperaturstufen wurden die Massenspektren organischer Verbindungen, insbesondere des aromatischen Anteils, in den desorbierten Substanzen detektiert und interpretiert. Unterschiede zwischen den verwendeten Kraftstoffen wurden dabei herausgearbeitet. Bei Schweröl tritt mehr organisch gebundenes Material auf, während bei Diesel der Anteil an elementarem Kohlenstoff größer ist. E85 generiert wesentlich weniger Rußpartikel als E10 mit einem entsprechend geringeren Anteil an aromatischen Komponenten. Insbesondere die Arbeiten im Zusammenhang mit dem Schiffsdieselmotor fanden ein Echo in den Medien und wurden in einigen Magazinsendungen der ARD wie Plusminus und Nordmagazin erwähnt.
Publications
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Particle emissions from a marine engine: Chemical composition and aromatic emission profiles under various operating conditions. Environ. Sci. Technol.48, 11721-11729 (2014)
Sippula, O., Stengel, B., Sklorz, M., Streibel, T., Rabe, R., Orasche, J., Lintelmann, J., Michalke, B., Abbaszade, G., Radischat, C., Gröger, T.M., Schnelle- Kreis, J., Harndorf, H. Zimmermann, R.
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Multi-wavelength optical measurement to enhance thermal/optical analysis for carbonaceous aerosol. Atmospheric Measurement Techniques 8(1), 451–461 (2015)
Chen L.-W., Chow J.C., Wang X.L., Robles J.A., Sumlin B.J., Lowenthal D.H., Zimmermann R., Watson J.G.
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Optical Calibration and Equivalence of a Multiwavelength Thermal/Optical Carbon Analyzer. Aerosol and Air Quality Research 15(4): 1145-1155 (2015)
Chow, J. C., Wang, X., Sumlin, B.J., Gronstal, S.B., Chen, L.W.A., Trimble, D.L., Kohl, S.D., Mayorga, S.R., Riggio, G., Hurbain, P.R., Johnson, M., Zimmermann, R., Watson, J.G.
