Authors:	Johnson, Aaron Michael
Title:	The development and deployment of FOTOS: a fast observation of trace organics system
Online publication date:	5-Jul-2011
Year of first publication:	2011
Language:	english
Abstract:	Flüchtige organische Bestandteile (engl.: VOC) sind in der Atmosphäre in Spuren vorhanden, spielen aber trotzdem eine wichtige Rolle in der Luftchemie: sie beeinflussen das Ozon der Troposphäre, städtischen Smog, Oxidationskapazität und haben direkte und indirekte Auswirkungen auf die globale Klimaveränderung. Eine wichtige Klasse der VOC sind die Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (engl.: NMHC), die überwiegend von anthropogenen Quellen kommen. Aus diesem Grund ist für Luftchemiker ein Messinstrument nötig, das die VOC, die NMHC eingeschlossen, mit einer höheren Zeitauflösung misst, besonders für Echtzeitmessungen an Bord eines Forschungsflugzeuges. Dafür wurde das System zur schnellen Beobachtung von organischen Spuren (engl.: FOTOS) entworfen, gebaut für den Einsatz in einem neuen Wissenschaftlichen Flugzeug, das in großen Höhen und über weite Strecken fliegt, genannt HALO. In der Folge wurde FOTOS in zwei Messkampagnen am Boden getestet. FOTOS wurde entworfen und gebaut mit einem speziell angefertigten, automatisierten, kryogenen Probensystem mit drei Fallen und einem angepassten, erworbenen schnellen GC-MS. Ziel dieses Aufbaus war es, die Vielseitigkeit zu vergrößern und das Störungspotential zu verringern, deshalb wurden keine chemischen Trocknungsmittel oder adsorbierenden Stoffe verwendet. FOTOS erreichte eine Probenfrequenz von 5.5 Minuten, während es mindestens 13 verschiedene C2- bis C5-NMHC maß. Die Drei-Sigma-Detektionsgrenze für n- und iso-Pentan wurde als 2.6 und 2.0 pptv ermittelt, in dieser Reihenfolge. Labortests bestätigten, dass FOTOS ein vielseitiges, robustes, hochautomatisiertes, präzises, genaues, empfindliches Instrument ist, geeignet für Echtzeitmessungen von VOC in Probenfrequenzen, die angemessen sind für ein Forschungsflugzeug wie HALO. Um die Leistung von FOTOS zu bestätigen, wurde vom 26. Januar bis 4. Februar 2010 ein Zwischenvergleich gemacht mit dem GC-FID-System am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg, einer WMO-GAW-globalen Station. Dreizehn verschiedene NMHC wurden innerhalb des Rahmens der GWA Data Quality Objectives (DQO) analysiert und verglichen. Mehr als 80% der Messungen von sechs C3- bis C5-NMHC erfüllten diese DQO. Diese erste Messkampagne im Feld hob die Robustheit und Messgenauigkeit von FOTOS hervor, zusätzlich zu dem Vorteil der höheren Probenfrequenz, sogar in einer Messung am Boden. Um die Möglichkeiten dieses Instrumentes im Feld zu zeigen, maß FOTOS ausgewählte leichte NMHC während einer Messkampagne im Borealen Waldgebiet, HUMPPA-COPEC 2010. Vom 12. Juli bis zum 12. August 2010 beteiligte sich eine internationale Gruppe von Instituten und Instrumenten an Messungen physikalischer und chemischer Größen der Gas- und Partikelphasen der Luft über dem Borealen Wald an der SMEAR II-Station nahe Hyyttiälä, Finnland. Es wurden mehrere Hauptpunkte von Interesse im Mischungsverhältnis der Alkane und im Isomerenverhätnis von Pentan identifiziert, insbesondere sehr unterschiedliche Perioden niedriger und hoher Variabilität, drei Rauchschwaden von Biomassen-Verbrennung von russischen Waldbränden und zwei Tage mit extrem sauberer Luft aus der Polarregion. Vergleiche der NMHC mit anderen anthropogenen Indikatoren zeigten mehrere Quellen anthropogener Einflüsse am Ort auf und erlaubten eine Unterscheidung zwischen lokalen und weiter entfernten Quellen. Auf einen minimalen natürlichen Beitrag zum 24h-Kreislauf von NOx wurde geschlussfolgert aus der Korrelation von NOx mit Alkanen. Altersschätzungen der Luftmassen durch das Isomerenverhältnis von Pentan wurden erschwert durch sich verändernde Verhältnisse der Quellen und durch Besonderheiten der Photochemie während des Sommers im hohen Norden. Diese Messungen zeigten den Wert des Messens leichter NMHC, selbst in abgelegenen Regionen, als einen zusätzlichen spezifischen Marker von anthropogenem Einfluss. Volatile Organic Compounds (VOCs) are present in the atmosphere at trace levels, but nevertheless play an important role in atmospheric chemistry: influencing tropospheric ozone, urban smog, oxidation capacity, and having direct and indirect effects on global climate change. An important class of VOC is non-methane hydrocarbons (NMHCs), which have a predominantly anthropogenic source. Therefore, an instrument capable of higher time resolution measurement of VOCs, including the NMHCs, is desirable for atmospheric chemists, especially for in situ measurement aboard research aircraft. To this end, the Fast Observation of Trace Organics System (FOTOS) was designed, built for use aboard the new High Altitude Long Range Scientific Aircraft (HALO), and subsequently tested in two ground campaigns. FOTOS was designed and constructed with a custom, automated, three-trap cryogenic sampling system and a modified, commercial, fast GC-MS. The goal of this design was to maximize versatility and minimize potential for artifacts, therefore no chemical drying agents or adsorbents were employed. FOTOS achieved 5.5 minute sampling frequency while measuring at least 13 different C2 to C5 NMHCs. The three sigma detection limit for n- and iso-pentane was determined to be 2.6 and 2.0 pptv, respectively. Laboratory tests confirmed that FOTOS was a versatile, robust, highly automated, precise, accurate, sensitive instrument, capable of in situ measurement of VOCs at sampling frequencies suitable for use aboard research aircraft, such as HALO. In order to validate the performance of FOTOS, an intercomparison with the GC-FID system at the Meteorological Observatory at Hohenpeißenberg, a WMO-GAW global station, was performed from January 26th to February 4th, 2010. Thirteen different NMHCs were analyzed and compared within the framework of the GAW Data Quality Objectives (DQO). More than 80% of the measurements of six C3 to C5 NMHCs satisfied these DQO. This first field campaign highlighted the robustness and accuracy of FOTOS, in addition to the advantage of higher sampling frequency, even in a ground-based measurement. To demonstrate the field capabilities of this new instrument, FOTOS measured select light NMHCs during a boreal forest campaign, HUMPPA-COPEC 2010. From July 12th to August 12th, 2010, an international consortium of institutes and instruments measured the physical and chemical properties of the gas and particle phase of the air over the boreal forest at the SMEAR II station near Hyytiälä, Finland. Several features of interest were identified in the alkane mixing ratios and the pentane isomer ratio, particularly contrasting periods of low and high variability, three biomass burning plumes from Russian wildfires, and two days of extremely clean air from the polar regions. Comparisons of NMHCs with other anthropogenic tracers revealed multiple sources of anthropogenic influence at the site and allowed for distinguishing between local and distant sources. Minimal natural contribution to the diel cycle of NOx was deduced from correlations of NOx with alkanes. Air mass age estimates by the pentane isomer ratio were complicated by varying source ratios and peculiarities of photochemistry during summer in the far north. These measurements revealed the value of measuring the light NMHCs, even in remote regions, as an additional specific marker of anthropogenic influence.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied 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-3132
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-28182
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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