Authors:	Jeßberger, Philipp
Title:	Messungen von salpetriger Säure und Eispartikeln im Nachlauf von Flugzeugen
Online publication date:	16-Oct-2013
Year of first publication:	2013
Language:	german
Abstract:	Ziel dieser Arbeit war der Aufbau und Einsatz des Atmosphärischen chemischen Ionisations-Massenspektrometers AIMS für boden- und flugzeuggetragene Messungen von salpetriger Säure (HONO). Für das Massenspektrometer wurden eine mit Gleichspannung betriebene Gasentladungsionenquelle und ein spezielles Druckregelventil entwickelt. Während der Instrumentenvergleichskampagne FIONA (Formal Intercomparisons of Observations of Nitrous Acid) an einer Atmosphären-Simulationskammer in Valencia (Spanien) wurde AIMS für HONO kalibriert und erstmals eingesetzt. In verschiedenen Experimenten wurden HONO-Mischungsverhältnisse zwischen 100 pmol/mol und 25 nmol/mol erzeugt und mit AIMS interferenzfrei gemessen. Innerhalb der Messunsicherheit von ±20% stimmen die massenspektrometrischen Messungen gut mit den Methoden der Differenziellen Optischen Absorptions-Spektrometrie und der Long Path Absorption Photometrie überein. Die Massenspektrometrie kann somit zum schnellen und sensitiven Nachweis von HONO in verschmutzter Stadtluft und in Abgasfahnen genutzt werden.rnErste flugzeuggetragene Messungen von HONO mit AIMS wurden 2011 bei der Messkampagne CONCERT (Contrail and Cirrus Experiment) auf dem DLR Forschungsflugzeug Falcon durchgeführt. Hierbei konnte eine Nachweisgrenze von < 10 pmol/mol (3Ï , 1s) erreicht werden. Bei Verfolgungsflügen wurden im jungen Abgasstrahl von Passagierflugzeugen molare HONO zu Stickoxid-Verhältnisse (HONO/NO) von 2.0 bis 2.5% gemessen. HONO wird im Triebwerk durch die Reaktion von NO mit OH gebildet. Ein gemessener abnehmender Trend der HONO/NO Verhältnisse mit zunehmendem Stickoxid-Emissionsindex wurde bestätigt und weist auf eine OH Limitierung im jungen Abgasstrahl hin.rnNeben den massenspektrometrischen Messungen wurden Flugzeugmessungen der Partikelsonde Forward Scattering Spectrometer Probe FSSP-300 in jungen Kondensstreifen ausgewertet und analysiert. Aus den gemessenen Partikelgrößenverteilungen wurden Extinktions- und optische Tiefe-Verteilungen abgeleitet und für die Untersuchung verschiedener wissenschaftlicher Fragestellungen, z.B. bezüglich der Partikelform in jungen Kondensstreifen und ihrer Klimawirkung, zur Verfügung gestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss des Flugzeug- und Triebwerktyps auf mikrophysikalische und optische Eigenschaften von Kondensstreifen untersucht. Unter ähnlichen meteorologischen Bedingungen bezüglich Feuchte, Temperatur und stabiler thermischer Schichtung wurden 2 Minuten alte Kondensstreifen der Passagierflugzeuge vom Typ A319-111, A340-311 und A380-841 verglichen. Im Rahmen der Messunsicherheit wurde keine Änderung des Effektivdurchmessers der Partikelgrößenverteilungen gefunden. Hingegen nehmen mit zunehmendem Flugzeuggewicht die Partikelanzahldichte (162 bis 235 cm-3), die Extinktion (2.1 bis 3.2 km-1), die Absinktiefe des Kondensstreifens (120 bis 290 m) und somit die optische Tiefe der Kondensstreifen (0.25 bis 0.94) zu. Der gemessene Trend wurde durch Vergleich mit zwei unabhängigen Kondensstreifen-Modellen bestätigt. Mit den Messungen wurde eine lineare Abhängigkeit der totalen Extinktion (Extinktion mal Querschnittsfläche des Kondensstreifens) vom Treibstoffverbrauch pro Flugstrecke gefunden und bestätigt. The Atmospheric chemical Ionization Mass Spectrometer (AIMS) was developed for ground based and airborne detection of nitrous acid (HONO). A high voltage gas discharge ion source and a pressure controlling valve were designed and constructed. The instrument was calibrated for HONO in the laboratory. Interferences with respect to water vapor, ozone, and nitric oxide were tested. The AIMS instrument was tested during the instrument intercomparison campaign FIONA (Formal Intercomparisons of Observations of Nitrous Acid) in Valencia (Spain). In the atmospheric simulation chamber different polluted situations with HONO mixing ratios between 100 pmol/mol and 25 nmol/mol were provided. Within the experimental uncertainty of ±20% the mass spectrometric measurements compared well with other methods such as the Differential Optical Absorption technique and the Long Path Absorption Photometric technique. The mass spectrometry proved to be a sensitive and fast method for the detection of HONO in urban plumes or in combustion plumes.rnFirst airborne measurements with AIMS were performed during the Contrail and Cirrus experiment CONCERT with the DLR research aircraft Falcon in 2011. A detection limit for HONO of < 10 pmol/mol (3Ï , 1s) was derived. Molar HONO to nitric oxide (HONO/NO) ratios of 2.0 to 2.5% were detected in young exhaust plumes from passenger aircraft. HONO is produced in the engine by the reaction of NO with OH. The observed decrease in the HONO/NO ratio with increasing NO emission indices suggests an OH limitation in the young exhaust plume. OH emission indices of 0.10 to 0.13 g kg-1 were derived.rnIn addition to the mass spectrometric measurements, contrail observations with the forward scattering spectrometer probe FSSP-300 onboard the DLR research aircraft Falcon were evaluated. Extinction and optical depths distributions in young contrails were derived from the particle size distribution in order to analyze the particle shape and the climate impact from young contrails. Within this work the effect of the aircraft and engine type on microphysical and optical contrail properties is investigated. 2 min old contrails from an A319-111, an A340-311 and an A380-841 aircraft were intercompared under similar meteorological conditions in terms of relative humidity, temperature and thermal stratification. The effective diameters of the particle size distributions of the three contrails are similar within the experimental uncertainties. In contrast, the particle number density (162 to 235 cm-3), the extinction (2.1 to 3.2 km-1), the contrail depths (120 to 290 m) and therefore the optical depths (0.25 to 0.94) increase with enhanced aircraft weight. This trend is generally confirmed by model results from two different contrail models. Theoretical considerations provide a base for the observed linear dependence of the total extinction (extinction times contrail cross section) on fuel consumption per flight distance.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1752
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-35296
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	134 S.
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