Authors:	Weigel, Ralf
Title:	Ultrafeine Aerosolpartikel in der Stratosphäre
Online publication date:	3-Jan-2006
Year of first publication:	2006
Language:	german
Abstract:	Ein neu konstruierter Kondensationskernzähler COPAS (COndensation PArticle counting System) für in-situ-Messungen der Konzentration von Aitken-Teilchen und ultrafeinen Aerosolpartikeln wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals erfolgreich bei Flugzeugmessungen eingesetzt. COPAS ist ein für flugzeuggestützte Messungen an Bord des Forschungsflugzeuges „Geophysica“ in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre angepaßtes und voll automatisiertes System. Die Verfahrensweise, die Aerosolpartikel des Größenbereichs mit Durchmessern d < 100 nm zum Anwachsen zu bringen, um sie mittels optischer Detektion zu erfassen, ist im COPAS durch das Prinzip der thermischen Diffusion realisiert, wodurch eine kontinuierliche Messung der Aerosolkonzentration mit der untersten Nachweisgrenze für Partikeldurchmesser von d = 6 nm gewährleistet ist. Durch die Verwendung einer Aerosolheizung ist die Unterscheidung von volatilem und nichtvolatilem Anteil des Aerosols mit COPAS möglich. In umfassenden Laborversuchen wurde das COPAS-System hinsichtlich der unteren Nachweisgrenze in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und bei verschiedenen Druckbedingungen charakterisiert sowie die Effizienz der Aerosolheizung bestimmt. Flugzeuggestützte Messungen fanden in mittleren und polaren Breiten im Rahmen des EUPLEX-/ENVISAT-Validierungs–Projektes und in den Tropen während der TROCCINOX/ENVISAT-Kampagne statt. Die Messungen der vertikalen Konzentrationsverteilung des Aerosols ergaben in polaren Breiten eine Zunahme der Konzentration oberhalb von 17 km innerhalb des polaren Vortex mit hohem Anteil nichtvolatiler Partikel von bis zu 70 %. Als Ursache hierfür wird der Eintrag von meteoritischen Rauchpartikeln aus der Mesosphäre in die obere und mittlere Stratosphäre des Vortex angesehen. Ferner konnte in der unteren Stratosphäre des polaren Vortex der Einfluß troposphärischer Luft aus niedrigen Breiten festgestellt werden, die sich in einer hohen Variabilität der Aerosolpartikelkonzentration manifestiert. In tropischen Breiten wurde die Tropopausenregion untersucht. Dabei wurden Konzentrationen von bis zu 104 ultrafeiner Aerosolpartikel mit 6 nm < d < 14 nm pro cm-3 Luft gemessen, deren hoher volatiler Anteil einen sicheren Hinweis darauf gibt, daß die Partikel durch den Prozeß der homogenen Nukleation gebildet wurden. Damit konnte erstmals die Schlußfolgerungen von Brock et al. (1995) durch direkte Messungen der ultrafeinen Partikelkonzentration weitergehend belegt werden, daß in der tropischen Tropopausenregion die Neubildung von Aerosolpartikeln durch homogene Nukleation stattfindet. Die vertikalen Verteilungen der stratosphärischen Aerosolpartikelkonzentration mittlerer Breiten verdeutlichen die Ausbildung einer über 6 Jahre hinweg nahezu konstanten Hintergrundkonzentration des stratosphärischen Aerosols unter vulkanisch unbeeinflußten Bedingungen. Ferner gibt die vergleichende Untersuchung der stratosphärischen Aerosolpartikelkonzentration aus polaren, mittleren und tropischen Breiten Aufschluß über den Transport und die Prozessierung des stratosphärischen Aerosols und insbesondere über den Austausch von Luftmassen zwischen der Stratosphäre und der Troposphäre. Ultrafine Aerosolparticles in the Stratosphere: Characterization of a Condensation Particle Counter and in-situ-measurements in polar, mid- und tropical latitudes. A condensation nucleus counter COPAS (COndensation Particle counting System) for airborne in situ measurements of the total aerosol number concentration was constructed and successfully deployed onboard the high-altitude research aircraft "Geophysica" for the first time. The COPAS instrument was optimised for fully automated measurements in the upper troposphere and lower stratosphere. The COPAS instrument is a continuous flow condensation nucleus counter in which the particles are grown to optically detectable sizes by controlled condensation of a working fluid (Butanol or Fluorinert) onto the particles (operating principle of thermal diffusion and individual particle detection). All particles larger than the smallest detectable particle diameter ("cut-off") are counted. Additionally, a preheating device allows the vaporization of volatile aerosol components to study the fraction of non-volatile residual particles. Detailed laboratory studies were performed to characterize the COPAS instrument with respect to the smallest detectable particle sizes as a function of the instrument`s temperature settings and atmospheric pressure conditions. Furthermore, the efficiency of the preheating device was determined. Airborne measurements were conducted at mid- and polar latitudes within the EUPLEX-/ ENVISAT-Validation – project and at tropical latitudes as part of the TROCCINOX-/ENVISAT-Validation campaign. Vertical profiles of the aerosol number concentration at polar latitudes show a significant increase at altitudes above 17 km inside the polar vortex with a high fraction of non-volatile particles of ~70 % most likely caused by transport of meteor smoke particles from the mesosphere into the polar vortex. Furthermore, intrusions of tropospheric air masses into the lowermost stratosphere were observed which cause a high variability of the aerosol number concentration at altitudes between 8 and 14 km. The tropical measurements were aimed to study particle formation processes in the Tropical Tropopause Layer (TTL). Number concentrations of ultrafine aerosol particles in the size range of 6-14 nm of up to 104 cm-3 were measured and a high fraction of the aerosol was entirely volatile. This is indicative of new particle formation and confirms the findings by Brock et al., 1995, in which the TTL was identified as the most important source region where stratospheric aerosol nuclei are formed. The vertical profiles measurements at midlatitudes display an over 6 years nearly constant stratospheric background aerosol number concentrations in a period of volcanic quiescence. Furthermore the comparison of vertical profiles of the aerosol number concentration at polar, mid- and tropical latitudes gives information about the life cycle of stratospheric aerosol particles and about stratosphere- troposphere air mass transport processes.
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-1949
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-8979
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen