Aerosol Schwefelsäure in der Atmosphäre und im Nachlauf von Düsenflugzeugen: Entwicklung und Einsatz eines neuartigen massenspektrometersonden, das von Flugzeugen getragen wird
Aer
osol-Sc hwefelsäur
e in
der
Atm
osphäre und im
achlauf
von Düsenflüge: Entwicklu
ng
und
Ei
Neue
Anlagen
für
Flugzeuge
mit
einer Masse
im Spektrum
eines
Sonden
Ein ne
uartiges,
flugzeuggetrag
Ein Instrument
namens "VACA"
(Volatile)
Aerosol
Component Analy
zer), zur quantitativen Bestimmung von Aerosol-Sch
wefelsäur
e
(H
4(ae wurde entwickelt. Die VACA
-Methode basiert auf d em
Verd
Aerosolpartikel mit
anschließendem Nachschlag
eis der gasförmi
gen H
durch Ionen-Molekül-Reaktions-
Massenspektrometrie. Die Methode ist schnell.
r empfindlich (Zeitauflösun 3
s,
Nachweis
grenze
Erstmals bietet er die Möglichkeit,
ur on-line Messung
von Aerosol-Schwefelsäu re.
Das VACA-S
stem wurde in
Laboruntersuchungen
charakterisiert
und kalibriert. Es wurde vorbereitet, die Messungen für die Grippe zu erledigen, und im Rahmen des internationalen Messkampfes ACE 2 für Messungen in der freien T-Sphäre eingesetzt. Die Vertikalprofile der Konz-Eintraktion der Ae rosol-Sulfur-Säure z wischen 2 und 13 km Höhe zeigen, wie weit eine aus geprägten H-Aerosol-Schicht auf 5 km Höhe erholt wird. Während der Messkampagnen SULFUR 5 und SULFUR 6 wurde das VACA-System eingesetzt, um Abgas von Düsenflugzeugen im Flug zu messen. Verhältnisse bis zum ZU 1.5 ppbv bei einem Abga salter von 1.1 s wurden beobachtet. Die Bestimmung des Conversion-Faktors für die Umwandlung von T-Gefühl zu Schwefelsäure lieferte Werte von > 0,4% (A TTAS, Treibstoffschweißgehalt=FSC=2700 ppmm) bzw.
=3. 1.8% (B-737, FSC=56ppmm). Ferner zeigten Messungen von Chemikalien, die von Flugzeugmotoren emittiert werden, daß zahlreiche Ionen von großer Masse (> 450 AU) entstehen. Dies bestätigt die Ex-Zeißung eines ion-induzierten Aerosolmodus. Aerosol sul ric acid in the atmosphere an d i n jet airc raft exh aust: Development and application of a novel aircraf t-born mass spectro meter ap paratu Main focus of this work was the dev elopment and application of a novel air craft-born instrument termed Volatile Aerosol Component Analyzer (VACA) for the antitative measure ment of sulfuric acid conta ined in aerosol particle s (H 4(ae). By this me thod ae) ist evaporated, and subsequently entl y detected b y Ion Molekül eaction Mass Spectrum. Das VACA-Instrument ist schnell und sehr sensibel (Zeitresolution 3s, Detektionslimit 10 pptv). I t represents the first instrument to measure H 4(ae online. Die Sstem was characterized and calibrated ed in Labor y Studien. I t w as prepare d for aircr aft-borne operation and used for measurements in the free troposphere du ring the international ACE campai gn.
Vertical profiles of H 4(ae
at
a
ltitudes be
tween
2
and 13 km repeatedl
reveale
d a distinct
layer of H
ae)
around 5 km. The measur
ements during the LFUR
5 and
LFUR 6
campaigns allowed the
first direct detection of
H
4(ae
in
the exhaust plume of jet airc
Raft
in Flight. Hier
H Mischen Verhältnisse
reached up
to 1.5 ppbv at a plume age of 1.1 s. Conversion
Raten,
die die Konversion von Fuel Sulfur
in H charakterisieren
were deriv
ed (
.4%,
aircraft, fuel
sulfur content=FSC=2700 ppmm and
=3.3
1.8%, B-737, FSC=56
ppmm). Zusätzlich measureme nts of chemiions produced by je t engines in flight revealed large quantities of massive chemiions (m>450 amu) indicating the ex istence of an ion-induced aerosol-mode. Zusammenfassung und Rahmen der vorliegenden Arbeit Die VACA-Methode (Volatile Aerosol Component Analyzer) zur Bestimmung von Aerosol Schwefelsäure (H 4 ̊ae) wurde wesentlich weiterentwickelt und zum ersten Mal eingesetzt.
Die
Farbe hängt
davon ab,
bei Temperaturen von ca. 100°C aus Aerosolpartikeln z
u Verdampfen
und anschließend die Gasform
Schwefel mit
Hilfe von
Ionen-Molekül-Reaktionen, die
das
Massenspektrum schwach nachweisen.
es Heizmechanismus wurd
die Effizienz der Nachweise erheblich verbessert. Optimierungen des verwendeten Massenspektrometers und der gesetzten Bedingungen im Stromkreislauf führten zu einer erheblichen Verringerung des Massenspektrums und der Nachweisempfindlichkeit (siehe Abschnitt [Cur96]). Durch Laboruntersuchungen konnte das VACA-System kalibriert werden. Die Einflüsse von Heiztemperatur, Stromröhrdruck, Gasfluss durch den Stromreaktor, Gasfluss durch die Ionenquelle, Instrumentalgrund und Aerosolpartikelgröße wurden untersucht und charakterisiert.
Die Erweiterung wurde
für die Grippe
verwendet.
ggetragene Messun gen
angepaßt und das VACA-Sy
erstmalig flugzeuggetra
für die Messung von Aerosolwasser
und Effelsäure in
Freie
Troposphäre
und Abga
s von Düs
enflugzeugen eingesetz
t. Bei Messungen im Freien
Troposphär
die im Rahmen der ACE 2 Meßkampa
In der
Umgebung von Teneriffa stattgefunden.
en,
wurden Vertikalprofile der Aerosolschwefelsäu
re in Höhen zwischen 2 und 14
bestimmt. In diesen Pflanzen wurde eine Schicht aus geprägtem Aerosol-Sulfur-Sauerstoff auf einer Höhe von etwa 5 km erholt. Die Volumen-Mischverhältnisse innerhalb dieser Schicht betragen bis zu 450 pptv, außerhalb der Schicht wurden Werte von 10 bis 150 pptv gemessen. Durch Vergleich von H-Messungen mit Angaben zur Gesamtmasse von Aerosolpartikeln mit Durchmessungen < 1.3 μ (Universität Stockholm) zeigte sich, daß die Partikel in Höhen über 4 km vorwiegend aus Schwefelsäure bestehen (ca. 70 W.
-%). Das VACA-System wurde für Verfolgungsflüge hinter Düsenflugzeugen eingesetzt. Erstmals konnte Schwefelsäure in den Abgasen eines Flugzeugs direkt nachgewiesen werden. Bei einem Schwefelgehalt von 2700 ppmm wurde eine Untergrenze e des Schwefelkonversionsfaktors 0.4 % abgeleitet. Die SU LFUR 6 Messungen er gaben einen -Wert von 3.3 1.8%, gemessen im Ab gas einer B-737. Durch weitere Labormessungen muss für den letzten Wert ermittelt werden, ob es sich hier nur um eine Untergrenze handelt oder ob dies den wahren Wert beschreibt.
Außerdem wurden erstmals Messungen in der
gralmode des Massenspektrometers
Massenreiche Chemie-Ionen (m> 450 amu) im Abgasstrahl eines Düsenflußes
Eine Untergrenze für die
Zahl der Flugzeugen, die im Flug beobachtet werden.
die Konzentration der Chemi-Ione n von
5
bei
einem Plume-Alter von einer Sekunde wu
rde ab
geschätzt. Die Ionenmessung korreliert mit der Temperaturerhöhung im Abgasstrahl. Die These, daß Chemie-Ionen-N-Clusters als Nukleationskrebs für einen Aerosolmodus im Gasstrahl dienen, wird von diesen Messungen unterstützt. Außerdem wurden in dieser Arbeit HNO-Messungen vorgestellt, die in einer zirkusförmigen Wolke in der Polartropophie durchgeführt wurden.
Die Probleme
und Fehlergrenzen dieser
Messung
Die Messung darf in Verbindung gebracht werden.
g mit Messungen des
reaktiven Stickstoffs (Gas-
und Partikelphase) und der
Partikelgrößenverteilung
g zwei unterschiedliche
Interpretationen für die
Aufnahme von HNO
Auf der
Oberfläche e von Eispartikeln.
Die Interpretation besagt, daß
alle verfügbaren
Salzsäuren
ure an den Eispa
rtikeloberflächen
wird in der Luftmasse aufgenommen abe
Es war nur
ein wenig HNO enthalten.
ßfehler
wird entweder die
gemessene H
Übergefressen
oder
in Partikeln enthalten
Die Interpretation der Alterung
ist sehr unterschätzt.
Das Problem ist,
daß wir
weniger als
ein Prozentsatz eines Monolayers von
HNO wird an den Eispartikeln aufgenommen,
und
das
beobachtete
Partikel-NO
in kleineren Aerosolpartikeln und nicht in der Cirruswolke
enteilchen gebunden
Um die Datenqualität bei ähnlichen Daten zu verbessern.
HNO
-Messun
Erweiterung in Zukunft
ern, wird
eine instrumentelle Weiterentwicklung, bei der eine in-fli
ght Nullmessung und eine
in-fli
ght
Kalibrierung auf Erden durchgeführt
werden kann, wenn notwendig
ndig er
achtet. Einige Verbess erungen des VACA-S stems sind denkbar. Eine Umstellung von Nitrogenquelle auf ein Betrieb mit reinem NO und einem radioaktiven Mittel könnte das Signal unterirdisch schwächen und so die Nach- und Eisgrenze verbessern. Eine veränderte Konstruktion zur Einbindung der Ionen in das Probengas könnte Probleme bei der V-Mischung von Ionen und Probengasen verringern. Ein neuer Hochfrequenzschalter, der es ermöglicht, einzelne Maßlinien zielgerichtet zu erreichen, anstatt den gesamten Maßbereich zu durchqueren, könnte die zeitliche Auflösung und die Zahlungsrate der VACA-Messungen verbessern.
Zur
Absorption
der Kalibrierungen, die
durchgeführt wurden
sollte ein Verg
leicht mit F
iltermessunge
Um die Kalibrierung der SULFUR 6 Messungen zu ermöglichen
n
zu verbessern, sollten mit
Hilfe von
eines Nukleationsofens und eines Vienn
a-Type DMA Aerosolteilchen erzeugt
sind, die so klein sind wie die n
gebildeten
O-Partike
l im
Flugzeugab
gas. Eine in-Flight Kalibrierung wäre für die VACA-Messungen wünschenswert. Das ist aber wahrscheinlich nur sehr schwer zu erreichen, zumindest in einem kleinen Flugzeug wie dem Falcon. Weitere Flugzeugmessungen mit dem VACA-System in der freien Troposphäre könnten erläutern, ob eine H-Aerosolschicht, wie sie während des ACE2-Messens beobachtet wurde, ein ungewöhnlicher Zufall oder ein häufiges Phänomen ist.
Mit zusätzlichen Messungen im Flugzeu
Es ist möglich, dass
die
Umwandlungsrate des
Schwefelgehalts des Tr-Stabstoffs,
des Triebwegs
erkst
yp und/oder
vom Lastzustand des Triebwerks
Es handelt sich insbesondere
um eine Messung (b).
ei einem t
pischen
Treibstoffschwefel
gehalt von 200-500 ppmm wäre sinnvoll. Es wäre angestrebt, die Messung durch eine Erweiterung des Bereichs A auf Ammoniumsulfat zu erweitern. Dies würde eine Messung des sogenannten "total l sulfate" in der Aerosol ermöglichen. Eine Erweiterung der Aerosol-Kompositionsanalyse auf einen Spurstoff HNO durch die Verwendung einer anderen Ionquelle, die nicht selbst HNO produziert, wäre ebenso interessant. Allerdings ist bei HNO der Unterschied zwischen Aerosolsalpetinsäure und Gasphasensalpetäure meist komplizierter als bei Schwefelsäure.