Charakterisierung von Verschmutzungsaerosolen bezüglich der mikrophysikalischen Eigenschaften in Europa und Asien während der EMeRGe-Kampagne

Wolf, Jennifer (2023): Charakterisierung von Verschmutzungsaerosolen bezüglich der mikrophysikalischen Eigenschaften in Europa und Asien während der EMeRGe-Kampagne. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Die Prozesse von anthropogenen Aerosolen und ihr Beitrag zur anthropogenen Erwärmung sind immer noch mit großen Unsicherheiten verbunden. Um diese Unsicherheiten zu minimieren, sind gezielte Messungen zur Charakterisierung der Verschmutzungsaerosole nötig, welche dann für die Validierung und Verbesserung der Parametrisierungen in den Modellen herangezogen werden können. Die Abhängigkeit der mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften in Bezug auf die Quellregionen, aber auch der Einfluss der Alterung und des Transports auf die Größenverteilungen sind wichtige offene Fragen. Vor allem für die Untersuchung der Transportprozesse sind Messungen auf großen Skalen und auf einer gewissen Höhe nötig, sodass Bodenmessstationen nicht dafür geeignet sind diese Messungen durchzuführen. Dies ist der Grund für die Durchführung der EMeRGe-Kampagne (Effect of Megacities on the Transport and Transformation of Pollutants on the Regional to Global Scales) mit dem Forschungsflugzeug HALO in Europa im Sommer 2017 und in Südostasien im Frühling 2018, bei welcher die Abgasfahnen von Megacitys beprobt wurden. Mit dem „Aerosol Measuring System“ (AMETYST) wurden während dieser Kampagne die Gesamtanzahlkonzentration der Aerosolpartikel im Größenbereich von 10 nm bis 3 µm, die Anzahlkonzentration in verschiedenen Größenkanälen und die Absorptionskoeffizienten für drei verschiedene Wellenlängen gemessen. Da AMETYST bisher nicht vollständig charakterisiert wurde, war es nötig zunächst eine umfassende Charakterisierung und Kalibrierung vor der Datenauswertung durchzuführen, damit mögliche Fehlerquellen berücksichtigt und wenn möglich korrigiert werden können. Für die Beantwortung der Frage, in wie fern sich die mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften bei unterschiedlichen Quellregionen unterscheiden, wurden die Messungen in den Abgasfahnen der beiden Megacitys London und Manila herangezogen. Ein Vergleich der Gesamtanzahlkonzentrationen ergab keinen signifikanten Unterschied zwischen den beiden Städten, jedoch waren die Größenverteilungen von der Beprobung der Abgasfahne von Manila signifikant hin zu größeren Partikeldurchmessern verschoben und die Absorptionskoeffizienten waren deutlich höher. Es wurden also durchaus wesentliche Unterschiede zwischen den beiden Quellregionen Europa und Südostasien hinsichtlich der mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften gemessen. Wie sich die Transport- und Alterungsprozesse auf die mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften auswirken, wurde durch Messungen an der Westküste von Taiwan untersucht. Dort konnten sowohl lokale Emissionen als auch ferntransportierte Emissionen, wie etwa vom asiatischen Festland, vermessen werden. Bei den lokalen Emissionen konnten im Mittel eine höhere Gesamtanzahlkonzentration als bei den transportierten Emissionen gemessen werden, aber beim Vergleich der Größenverteilungen der beiden Emissionstypen gab es keinen signifikanten Unterschied. Dies liegt daran, dass die lokale Verweildauer der Luftmassen länger war als erwartet, sodass die transportierten Emissionen teilweise jünger waren. Eine Unterscheidung nur anhand der Quelle war damit nicht möglich. Aber die Alterungsprozesse, welche meist für ein Anwachsen der Partikel sorgen, konnten beim Vergleich der jungen und alten Emissionen in den Größenverteilungen nachgewiesen werden. Die hier vorgestellten Messungen der mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften von Megacitys und an der Westküste von Taiwan helfen anthropogene Emissionsquellen besser zu verstehen und die Transport- und Alterungsprozesse von Aerosolpartikeln zu quantifizieren. Die Datenbasis zur Validierung und Verbesserung der Modellparametrisierungen wird dadurch erhöht.

Abstract

The processes governing the properties of anthropogenic aerosols are still associated with large uncertainties. To minimize these uncertainties, targeted measurements are required to characterize the pollution aerosols, which can then be used to validate and improve the parametrizations in models which assess their climate impact. The dependence of the microphysical aerosol properties in relation to the source regions, but also the influence of aging and transport on the aerosol size distributions are important open questions. Especially for the investigation of the transport processes, measurements on large scales and at a certain height are necessary, therefore ground measurements are not suitable for these measurements. This was the scientific motive for carrying out the EMeRGe campaign (Effect of Megacities on the Transport and Transformation of Pollutants on the Regional to Global Scales) with the research aircraft HALO in Europe in summer 2017 and in Southeast Asia in spring 2018 to measure the pollution plumes from megacities with more than 10 million inhabitants. During this campaign the “Aerosol Measurement System” (AMETYST) measured the total number concentration of aerosol particles in the range from 10 nm to 3 µm, the number concentration in different size channels and the absorption coefficients for three different wavelengths. Since AMETYST has not yet been fully characterized, it was necessary to carry out a comprehensive characterization and calibration before data evaluation so that sources of error can be taken into account and, if possible, corrected. To answer the question to what extent the microphysical aerosol properties differ with regard to different source regions, the measurements of the pollution plumes from the megacities London and Manila were studied in detail. A comparison of the total number concentrations revealed no significant difference between the two cities, however, the size distributions from the Manila pollution plume were significantly shifted towards larger particle diameters and the absorption coefficients were also increased. Thus, clear differences in the microphysical aerosol properties regarding different source regions in Europe and Southeast Asia have been measured. How transport and aging affect the microphysical aerosol properties was investigated by measurements along the west coast of Taiwan. In this measurement area both local emissions and transported emissions from the Asian mainland could be probed. The total aerosol number concentrations from the local emissions were higher on average while the number size distributions were quite similar. This was due to the longer residence time of local emissions, such that the transported emissions were partly younger than the local ones. Because of that a difference based solely on the source of the aerosols could not be determined. But when comparing the number size distributions of young local with old transported emissions, the processes of aging were clearly detected by an increase in the particle diameter. These measurements of the microphysical aerosol properties near megacities and on the west coast of Taiwan help to improve our knowledge of anthropogenic aerosol emission and quantify the processes of transport and aging. Therefore, the database to validate and improve the model parametrizations is increased by this work.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Deutsch
• Datum der mündlichen Prüfung: 26. Januar 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Rapp, Markus