Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-2626
Authors: Saturno Iribarren, Jorge Luis
Title: Light absorption by carbonaceous aerosols over the Amazon rain forest
Online publication date: 19-Feb-2018
Year of first publication: 2018
Language: english
Abstract: Assessing the role of atmospheric aerosol particles in the Earth system prior to the man-made perturbations of the industrial era has been a key research topic in the last decades. The climate response to direct and indirect radiative effects by aerosol particles is still not well understood. Consequently, studying the current anthropogenic perturbations to the natural aerosol cycling has become an important task. The Amazon rain forest is one of the few continental locations where the atmosphere can be near-pristine to pristine during certain periods. Man-made biomass burning (BB) due to agricultural expansion is considered the largest source of pollution to the Amazonian atmosphere. Biomass burning emits large amounts of light absorbing aerosol particles like black carbon (BC). The BB contributions to the Amazonian aerosol burden are not only regional but also transatlantic, with African savannah and woodland emissions being seasonally significant. A comprehensive aerosol instrumentation setup has been used at the Amazon Tall Tower Observatory (ATTO) in central Amazonia to continuously measure the aerosol's physical and chemical properties. The optical measurements comprise light scattering and absorption measurements. Additionally, microscopy, chemical and particle sizing techniques have been used to characterize and measure the aerosol properties on a long-term basis. The combination of systematic field measurements at ATTO and dedicated modeling studies as presented here provides a robust long-term data set of aerosol optical properties. Specifically, the contribution of light-absorbing organic aerosol particles — so-called 'brown carbon' (BrC) — is compared to BC in the context of BB-dominated regimes. The occurrence of El Niño Southern Oscillation (ENSO) in its positive phase in 2015 caused drought in the Amazon Basin. Consequently, more frequent fire events occurred in the forest and its peripheries. The increased BB emissions affected the aerosol optical properties and near-by fire emissions allowed the observation of enhanced BrC contribution to light absorption. Long-range transport of African air masses to the Amazon rain forest was also studied by analyzing a particular volcanic emission event in the Congo. The transatlantic transport of the volcanogenic sulfur plume was traced by transport models and observed by satellite, ground-based and airborne measurements. This episode is considered an exemplary case of transatlantic aerosol transport that helps to understand the African contribution to the Amazonian aerosol population. This dissertation provides new substantial insights into the role and relevance of atmospheric aerosols in the Amazon region. Different absorption measurement techniques are evaluated and inter-compared. The results represented here will serve as a basis for follow-up studies on particle mixing state as well as the transport and life cycle of light-absorbing aerosol particles in central Amazonia. In addition, the results contribute to a better understanding of the influence of ENSO on the Amazonian atmosphere, offering prospects to warmer and drier scenarios. Finally, this work may help to constrain the role of absorbing aerosols in the Earth’s climate system.
Die Untersuchung des natürlichen, atmosphärischen Aerosols und seiner Bedeutung für das Erdsystem vor dem Einsetzen einer anhaltenden, anthropogenen Veränderung im Zuge der Industrialisierung ist ein Forschungsschwerpunkt der letzten Jahrzehnte. Bislang sind die Auswirkungen des direkten und indirekten Strahlungseffekts durch Aerosolpartikel auf das Erdklima nicht ausreichend verstanden. Daher gewinnen Untersuchungen aktueller, anthropogener Veränderungen des natürlichen Aerosolkreislaufs zunehmend an Bedeutung. Der Amazonas-Regenwald ist einer der wenigen kontinentalen Orte, an denen die atmosphärische Zusammensetzung für gewisse Zeiträume nahezu oder gar vollständig natürlichen Ursprungs ist. Anthropogene Biomassenverbrennung (BB, biomass burning) zur Gewinnung von landwitschaftlichen Nutzflächen stellt eine der größten Quellen von Luftverschmutzung im Amazonasgebiet dar. Bei der Verbrennung von Biomasse entstehen große Mengen lichtabsorbierender Aerosolpartikel wie beispielsweise Ruß (BC, black carbon). Aerosolpartikel aus Biomassenverbrennung im Amazonas stammen jedoch nicht ausschließlich aus regionalen Quellen. Einen substanziellen sowie saisonal unterschiedlich ausgeprägten transatlantischen Beitrag liefern auch Emissionen aus afrikanischen Savannen und Waldgebieten. Zur Untersuchung der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln wurde ein umfangreicher Aufbau von Aerosolmessgeräten am ‚Amazon Tall Tower‘ Observatorium (ATTO) eingesetzt. Die Messungen optischer Eigenschaften umfassen Lichtstreuung und Absorption. Zusätzlich wurden Langzeitmessungen der Partikeleigenschaften mit Hilfe von Mikroskopie, verschiedener chemischer Verfahren und Techniken zur Bestimmung der Partikelgröße durchgeführt. Die Kombination aus systematischen Feldmessungen an ATTO mit dedizierten Modellstudien in der hier vorliegenden Arbeit bietet eine belastbare Datengrundlage zur Charakterisierung der optischen Aerosoleigenschaften. Im speziellen wurde der Beitrag lichtabsorbierender, organischer Aerosolpartikel – sogenannter ‚brauner‘ Kohlenstoff (BrC, brown carbon) – mit BC-Partikeln unter Biomassenverbennung-dominierten Bedingungen verglichen. Das Auftreten eines ausgeprägten El Niño Phänomens (El Niño Southern Oscillation, ENSO) verursachte 2015 eine ausgedehnte Dürre im Amazonasbecken. Dies führte zu einer erhöhten Aktivität von athropogenen Feuern im Regenwald und seiner angrenzenden Gebiete. Die verstärkte Emission von Aerosol aus Biomassenverbrennung beeinflusste die optischen Aerosoleigenschaften. Emissionen in unmittelbarer Nähe der Messstation zeigten einen erhöhten Anteil von BrC an den lichtabsorbierenden Partikeln. Ebenfalls wurde der Ferntransport afrikanischer Luftmassen in das Gebiet des Amazonas anhand von Vulkanemissionen im Kongo untersucht. Hierbei wurde der transatlantische Transport einer durch einen Vulkan emittierten, schwefelhaltigen Abgasfahne mit Hilfe von Transportmodellen verfolgt und durch Satelliten-, Boden- und Flugzeugmessungen nachgewiesen. Dieses Ereignis steht exemplarisch für den transatlatischen Transport von Aerosol und trägt dazu bei die Bedeutung des Eintrags afrikanischen Aerosols in den Amazonas-Regenwald zu verstehen. In dieser Dissertation werden neue, grundlegende Erkenntnisse über die Funktion und Bedeutung des atmosphärischen Aerosols im Amazonasgebiet präsentiert. Verschiedene Verfahren zur Messung von Aerosolabsorption wurden evaluiert und verglichen. Die dargestellten Ergebnisse stellen eine Grundlage für weitere Folgestudien zum Mischungszustand, Transport und Lebenszyklus von lichtabsorbierenden Aerosolpartikeln im Zentralamazonas dar. Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse zum Einfluss von ENSO auf die Amazonasatmosphäre geben einen Ausblick auf mögliche Szenarien unter wärmeren und trockeneren Bedingungen. Abschließend können die Ergebnisse dieser Arbeit dazu beitragen die Bedeutung absorbierender Aerosolpartikel für das Erdklimasystem besser zu verstehen.
DDC: 550 Geowissenschaften
550 Earth sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2626
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000019077
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: xi, 150 Seiten
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