TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Sammlung und Charakterisierung von Aerosolpartikeln in der polaren Stratosphäre

Schütze, Katharina (2018):
Sammlung und Charakterisierung von Aerosolpartikeln in der polaren Stratosphäre.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7336],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

In der polaren Stratosphäre wurden Aerosolpartikel im Submikrometerbereich mit speziell dafür angefertigten Impaktoren gesammelt. Während SOLVE (SAGE III Ozone Loss and Validation Experiment) wurden elf Proben im Zeitraum von Januar bis März 2000 an Bord des ER-2 Forschungsflugzeugs in einem Höhenbereich von 17.3 – 19.9 km gesammelt. Die Partikelsammlung erfolgte sowohl innerhalb als auch außerhalb des Polaren Vortex (PV). Mittels hochauflösender Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie (TEM/SEM), gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenmikroanalyse (EDX), wurden 4202 Partikel (TEM=3872; SEM=330) bezüglich ihrer Größe, chemischen Zusammensetzung, dem Mischungszustand und der Nanostruktur untersucht. Volatile Partikel bestehen aus Hydrogensulfaten und Ammoniumsulfaten. Diese treten dominant in den Proben in Bezug auf das impaktierte Volumen auf. Außerdem wurden refraktäre Kohlenstoffpartikel mit Größen zwischen 20 bis 830 nm detektiert. Die meisten der refraktären Kohlenstoffpartikel sind extern gemischt und enthalten neben C und O weitere Elemente. Der Median des Mischungsverhältnisses der refraktären Kohlenstoffpartikel beträgt 1.1 (mg Luft)-1. Dies ist die erste Studie, die Hochauflösungsaufnahmen refraktärer Kohlenstoffpartikel, die in der polaren Stratosphäre gesammelt wurden, zeigt. Die gefundenen refraktären Kohlenstoffpartikel sind in der Regel vollständig amorph. Einige Partikel zeigen eine unvollständige Ordnung mit Netzebenenabständen von 0.37 ± 0.06 nm (Mittelwert ± Standardabweichung). Im energiedispersiven Röntgenspektrum (EDX) treten hauptsächlich die Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff mit einem atomaren O/C-Verhältnis von 0.11 ± 0.07 auf. Zusätzlich enthält die Mehrheit der refraktären Kohlenstoffpartikel (~84%) Spuren der Elemente Si, S, Fe, Cr und Ni mit atomaren Verhältnissen relativ zu C von Si/C: 0.010 ± 0.011; S/C: 0.0007 ± 0.0015; Fe/C: 0.0052 ± 0.0074; Cr/C: 0.0012 ± 0.0017; Ni/C: 0.0006 ± 0.0011 (alle Mittelwert ± Standardabweichung). Hochauflösende Elementverteilungsbilder zeigen keine heterogenen Einschlüsse dieser Elemente, d.h. die Spurenelemente sind homogen in der kohlenstoffreichen Matrix verteilt. Bezüglich der Größe, Nanostruktur und Elementzusammensetzung lassen sich keine Unterschiede zwischen Partikeln die innerhalb und außerhalb des Polaren Vortex gesammelt wurden, finden. Vergleiche mit den wahrscheinlichsten Quellen für refraktäre Kohlenstoffpartikel zeigen, dass Flugzeugabgase, vulkanische Emissionen und Biomasseverbrennung mit Sicherheit als Quellen für refraktäre Kohlenstoffpartikel ausgeschlossen werden können. Dasselbe gilt für die global wichtigen, aber weniger wahrscheinlichen Quellen Holzverbrennung, Kohleverbrennung, Dieselmotoren und Schiffsemissionen. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Partikel von Raketenabgasen stammen. Als wahrscheinlichste Quellen gelten jedoch kohlenstoffreiches Material von Interplanetaren Staubpartikeln oder Produkte aus meteorischer Ablation- oder Fragmentation. Allerdings ist noch weitere Arbeit nötig, um eine eindeutige Quelle identifizieren zu können. Während BEXUS (Balloon EXperiments for University Students) wurden Partikelproben während eines Stratosphärenflugs im Oktober 2015 gesammelt. Die Kampagne fand im nordschwedischen Kiruna statt. Die Planung, Entwicklung und das Testen aller notwendigen Komponenten für den Aufbau des COSPA (COllection of Stratospheric PArticles) Experimentes wurden im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Zum Zeitpunkt der Sammlung war der polare Vortex noch nicht ausgebildet. Acht Partikelproben wurden nacheinander vom Start bis in eine finale Höhe von 28.2 km gesammelt. Der Ballon driftete während des Fluges in Richtung Osten und überquerte die finnische Grenze kurz vor dem gezielten Ablassen der Gondel. Messungen mittels SEM und TEM, gekoppelt mit EDX, haben ergeben, dass die Partikelzusammensetzung in der Troposphäre von volatilen Partikeln, die hauptsächlich aus Schwefel und Sauerstoff bestehen, dominiert wird. Weiterhin wurden Rußpartikel, die von der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder Biomasse stammen und komplexe Salzpartikel, vermutlich von gealtertem Seesalz, gefunden. In der Stratosphäre ändert sich sowohl die Zusammensetzung der volatilen als auch der refraktären Partikel. Die volatilen Partikel sind sehr kohlenstoffreich und werden in den meisten Proben von Stickstoff dominiert (vermutlich Ammoniumnitrat oder Ammoniumsulfat). In Summe wurden 37 refraktäre Partikel in der Stratosphäre gesammelt: komplexe Salzpartikel (Anzahl n = 8), Siliziumoxid (SixOy) (4), Eisenoxid (FexOy) (1), Eisen– und Magnesiumreiche Silikate (19) und Aluminiumoxidpartikel (5). Die Quelle der stratosphärischen komplexen Salzpartikel ist unbekannt. Die Partikel der letzten vier Gruppen sind intern mit volatilen Partikeln gemischt und stammen vermutlich von extraterrestrischem Material (mit einem Mischungsverhältnis in der stratosphärischen Luft von 2.8 x 10-2 mg-1); entweder von rekondensierten Gasen oder Ablationsprodukten. Allerdings kann eine terrestrische Quelle der Partikel nicht ohne isotopenchemische Messungen ausgeschlossen werden. Das erfolgreich durchgeführte COSPA-Experiment kann als Basis für weitere Leichtgewicht-Ballonflüge für die Sammlung von stratosphärischen Partikeln dienen, um den Einfluss verschiedener terrestrischer und extraterrestrischer Quellen auf die stratosphärische Partikelzusammensetzung zu identifizieren.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2018
Creators: Schütze, Katharina
Title: Sammlung und Charakterisierung von Aerosolpartikeln in der polaren Stratosphäre
Language: German
Abstract:

In der polaren Stratosphäre wurden Aerosolpartikel im Submikrometerbereich mit speziell dafür angefertigten Impaktoren gesammelt. Während SOLVE (SAGE III Ozone Loss and Validation Experiment) wurden elf Proben im Zeitraum von Januar bis März 2000 an Bord des ER-2 Forschungsflugzeugs in einem Höhenbereich von 17.3 – 19.9 km gesammelt. Die Partikelsammlung erfolgte sowohl innerhalb als auch außerhalb des Polaren Vortex (PV). Mittels hochauflösender Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie (TEM/SEM), gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenmikroanalyse (EDX), wurden 4202 Partikel (TEM=3872; SEM=330) bezüglich ihrer Größe, chemischen Zusammensetzung, dem Mischungszustand und der Nanostruktur untersucht. Volatile Partikel bestehen aus Hydrogensulfaten und Ammoniumsulfaten. Diese treten dominant in den Proben in Bezug auf das impaktierte Volumen auf. Außerdem wurden refraktäre Kohlenstoffpartikel mit Größen zwischen 20 bis 830 nm detektiert. Die meisten der refraktären Kohlenstoffpartikel sind extern gemischt und enthalten neben C und O weitere Elemente. Der Median des Mischungsverhältnisses der refraktären Kohlenstoffpartikel beträgt 1.1 (mg Luft)-1. Dies ist die erste Studie, die Hochauflösungsaufnahmen refraktärer Kohlenstoffpartikel, die in der polaren Stratosphäre gesammelt wurden, zeigt. Die gefundenen refraktären Kohlenstoffpartikel sind in der Regel vollständig amorph. Einige Partikel zeigen eine unvollständige Ordnung mit Netzebenenabständen von 0.37 ± 0.06 nm (Mittelwert ± Standardabweichung). Im energiedispersiven Röntgenspektrum (EDX) treten hauptsächlich die Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff mit einem atomaren O/C-Verhältnis von 0.11 ± 0.07 auf. Zusätzlich enthält die Mehrheit der refraktären Kohlenstoffpartikel (~84%) Spuren der Elemente Si, S, Fe, Cr und Ni mit atomaren Verhältnissen relativ zu C von Si/C: 0.010 ± 0.011; S/C: 0.0007 ± 0.0015; Fe/C: 0.0052 ± 0.0074; Cr/C: 0.0012 ± 0.0017; Ni/C: 0.0006 ± 0.0011 (alle Mittelwert ± Standardabweichung). Hochauflösende Elementverteilungsbilder zeigen keine heterogenen Einschlüsse dieser Elemente, d.h. die Spurenelemente sind homogen in der kohlenstoffreichen Matrix verteilt. Bezüglich der Größe, Nanostruktur und Elementzusammensetzung lassen sich keine Unterschiede zwischen Partikeln die innerhalb und außerhalb des Polaren Vortex gesammelt wurden, finden. Vergleiche mit den wahrscheinlichsten Quellen für refraktäre Kohlenstoffpartikel zeigen, dass Flugzeugabgase, vulkanische Emissionen und Biomasseverbrennung mit Sicherheit als Quellen für refraktäre Kohlenstoffpartikel ausgeschlossen werden können. Dasselbe gilt für die global wichtigen, aber weniger wahrscheinlichen Quellen Holzverbrennung, Kohleverbrennung, Dieselmotoren und Schiffsemissionen. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Partikel von Raketenabgasen stammen. Als wahrscheinlichste Quellen gelten jedoch kohlenstoffreiches Material von Interplanetaren Staubpartikeln oder Produkte aus meteorischer Ablation- oder Fragmentation. Allerdings ist noch weitere Arbeit nötig, um eine eindeutige Quelle identifizieren zu können. Während BEXUS (Balloon EXperiments for University Students) wurden Partikelproben während eines Stratosphärenflugs im Oktober 2015 gesammelt. Die Kampagne fand im nordschwedischen Kiruna statt. Die Planung, Entwicklung und das Testen aller notwendigen Komponenten für den Aufbau des COSPA (COllection of Stratospheric PArticles) Experimentes wurden im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Zum Zeitpunkt der Sammlung war der polare Vortex noch nicht ausgebildet. Acht Partikelproben wurden nacheinander vom Start bis in eine finale Höhe von 28.2 km gesammelt. Der Ballon driftete während des Fluges in Richtung Osten und überquerte die finnische Grenze kurz vor dem gezielten Ablassen der Gondel. Messungen mittels SEM und TEM, gekoppelt mit EDX, haben ergeben, dass die Partikelzusammensetzung in der Troposphäre von volatilen Partikeln, die hauptsächlich aus Schwefel und Sauerstoff bestehen, dominiert wird. Weiterhin wurden Rußpartikel, die von der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder Biomasse stammen und komplexe Salzpartikel, vermutlich von gealtertem Seesalz, gefunden. In der Stratosphäre ändert sich sowohl die Zusammensetzung der volatilen als auch der refraktären Partikel. Die volatilen Partikel sind sehr kohlenstoffreich und werden in den meisten Proben von Stickstoff dominiert (vermutlich Ammoniumnitrat oder Ammoniumsulfat). In Summe wurden 37 refraktäre Partikel in der Stratosphäre gesammelt: komplexe Salzpartikel (Anzahl n = 8), Siliziumoxid (SixOy) (4), Eisenoxid (FexOy) (1), Eisen– und Magnesiumreiche Silikate (19) und Aluminiumoxidpartikel (5). Die Quelle der stratosphärischen komplexen Salzpartikel ist unbekannt. Die Partikel der letzten vier Gruppen sind intern mit volatilen Partikeln gemischt und stammen vermutlich von extraterrestrischem Material (mit einem Mischungsverhältnis in der stratosphärischen Luft von 2.8 x 10-2 mg-1); entweder von rekondensierten Gasen oder Ablationsprodukten. Allerdings kann eine terrestrische Quelle der Partikel nicht ohne isotopenchemische Messungen ausgeschlossen werden. Das erfolgreich durchgeführte COSPA-Experiment kann als Basis für weitere Leichtgewicht-Ballonflüge für die Sammlung von stratosphärischen Partikeln dienen, um den Einfluss verschiedener terrestrischer und extraterrestrischer Quellen auf die stratosphärische Partikelzusammensetzung zu identifizieren.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Environmental Mineralogy
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science
11 Department of Materials and Earth Sciences
Date Deposited: 27 May 2018 19:55
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7336
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-73365
Referees: Weinbruch, Prof. Dr. Stephan and Borrmann, Prof. Dr. Stephan
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 19 February 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Submicron aerosol particle samples were collected in the polar stratosphere by means of specially designed impactors. First, SOLVE (SAGE III Ozone Loss and Validation Experiment) was conducted from January until March 2000. The samples were collected onboard the ER-2 research aircraft in an altitude range between 17.3 and 19.9 km. Eleven particle samples, collected inside and outside of the polar vortex were analyzed by high-resolution transmission and scanning electron microscopy (TEM/SEM) combined with energy-dispersive X-ray microanalysis. In total, 4202 particles (TEM=3872; SEM=330) were characterized regarding size, chemical composition, mixing state and nanostructure. Particles that are volatile under the electron beam contain hydrogen sulfates and ammonium sulfates. Volatile particles dominate the samples by volume. In addition, refractory carbonaceous with sizes between 20 to 830 nm were detected. Most of the refractory carbonaceous particles are externally mixed and contain additional elements to C and O. The median of the particle number mixing ratio of the refractory carbonaceous particles is 1.1 (mg air)-1. This study is the first that shows high resolution images of refractory carbonaceous particles collected in the polar stratosphere. The refractory carbonaceous particles are mostly completely amorphous. A few of the particles show partial ordering with a graphene sheet separation distance of 0.37 ± 0.06 nm (mean value ± standard deviation). The particles are mainly composed of carbon and oxygen showing an atomic O/C ratio of 0.11 ± 0.07. In addition, the majority (~84 %) of the refractory carbonaceous particles contain minor amounts of the elements Si, S, Fe, Cr and Ni with atomic ratios relative to C of Si/C: 0.010 ± 0.011; S/C: 0.0007 ± 0.0015; Fe/C: 0.0052 ± 0.0074; Cr/C: 0.0012 ± 0.0017; Ni/C: 0.0006 ± 0.0011 (all mean values ± standard deviation). Examinations with high resolution element distribution images reveal no heterogeneous inclusions of those elements, i.e. the minor elements are homogeneously distributed within the carbonaceous matrix. There was no difference in size, nanostructure and elemental composition between particles collected inside and outside of the polar vortex. Comparison with the most probable sources for the refractory carbonaceous particles reveal that aircraft exhaust, volcanic emissions and biomass burning can certainly be excluded based on chemistry and nanostructure. The same counts for the globally important but less probable sources wood burning, coal burning, diesel engines and ship emissions. Rocket exhaust cannot be excluded as a source for the refractory carbonaceous particles. Extraterrestrial particles, potentially originating from meteoric ablation and fragmentation and carbonaceous material from interplanetary dust particles remain as a potential source, but more work is required for an unequivocal identification of the source. Second, during BEXUS (Balloon EXperiments for University Students), sampling was conducted during one stratospheric balloon flight in October 2015, launching in Kiruna, Sweden. The development as well as the testing of all components of the experiment named COSPA (COllection of Stratospheric PArticles) was conducted in the frame of this work. At the time of collection, the polar vortex had not evolved, yet. Eight particle samples were obtained consecutively from the start on ground through the rise in the troposphere and stratosphere to a final altitude of 28.2 km. The balloon was drifting eastwards and crossing the Finnish border before purposeful cut off. Particle characterization was conducted with SEM and TEM techniques. The particle load in the troposphere was dominated by volatile particles mainly composed of S and O. In addition, soot particles from combustion of fossil fuels or biomass as well as complex salt particles, probably originating from aged sea salt, were found. A change in particle chemistry was detected both for volatile and refractory stratospheric particles. The volatile particles are mainly composed of carbon, nitrogen and oxygen (probably ammoniumnitrate or ammoniumsulfate and condensed organics) in most of the stratospheric samples. In total, 37 refractory particles were collected in the stratosphere: Complex salts (number = 8), siliconoxide (SixOy) (4), ironoxide (FexOy) (1), iron- and magnesium-rich silicates (19) and aluminumoxides (5). The source of the complex salt particles remains unknown. The particles of the last four groups are internally mixed with the volatile particles and probably stem from extraterrestrial material (with a mass mixing ratio of 2.8 x 10-2 mg-1), evolved either by recondensation of gases or ablation products. Anyhow, a terrestrial source of the particles cannot equivocally be excluded without information regarding isotopic composition. The successfully applied COSPA experiment can serve as basis for further light-weight balloon launches for the collection of stratospheric particles to obtain the influence of different terrestrial and extraterrestrial sources on the stratospheric particle load.English
Export:

Optionen (nur für Redakteure)

View Item View Item