Atmospheric degradation of reactive biogenic VOCs and their role in aerosol formation: modelling activities, laboratory experiments and field studies in different vegetation zones
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Atmosphärische Aerosole beeinflussen die Energiebilanz der Erde durch Absorption und Streuung der einfallenden Sonnenstrahlung. Des Weiteren können sie sowohl als Wolkenkondensationskeime fungieren, als auch die menschliche Gesundheit beeinträchtigen (Fuzzi et al., 2006). Die Biosphäre ist eine permanente, große Quelle an atmosphärischem Aerosol. Sie produziert überwiegend organische Partikel, welche zu einem großen Teil durch oxidative Umwandlung der emittierten Vorläufersubstanzen entstehen (Kleindienst et al., 2007; Hu et al., 2008). In großen Waldgebieten kann auf diese Weise gebildetes sekundäres organisches Aerosol sogar den Hauptbestandteil der feinen Partikelmasse ausmachen (Kanakidou et al., 2005; Martin et al., 2010).
In dieser Arbeit wurde die Rolle der hochreaktiven biogenen flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffe in der Aerosolbildung untersucht. Nach einer erfolgreichen Optimierung der Probenaufarbeitung, der Synthese von Referenzsubstanzen zur Quantifizierung, der Durchführung mehrere Atmosphären-Simulationsexperimente und Modellrechnungen zur Aufklärung des atmosphärischen Abbaus von β Caryophyllen, wurde die Rolle von Terpenoxidationsprodukten bei der Bildung von sekundärem organischem Aerosol in verschiedenen Vegetationszonen untersucht.
Über dem borealen Nadelwald gesammelte Aerosolproben wurden auf saure Terpenoxidationsprodukte untersucht. Die Monoterpenoxidationsprodukte wiesen die höchste Konzentration auf. Es wurde ein maximaler Beitrag der Terpene von 29 % zum gesamten organischen Aerosol abgeschätzt. Die Aerosolzusammensetzung wurde durch die Windgeschwindigkeit und durch die daraus resultierende Aufenthaltsdauer der Luftmassen über bewaldeten Gebieten sowie durch das Alter der gesammelten Luftmassen beeinflusst. Des Weiteren wurde ein Einfluss von Waldbränden auf die Aerosolzusammensetzung beobachtet.
Über dem tropischen Regenwald gesammelte Aerosolproben wurden ebenfalls auf saure Terpenoxidationsprodukte untersucht. Obwohl auch hier die Monoterpenoxidationsprodukte den Hauptanteil ausmachten, war jedoch der Einfluß von Sesquiterpenoxidationsprodukten wesentlich höher als bei den Aerosolproben des borealen Nadelwaldes. Ebenfalls der abgeschätzte Beirag von Terpenen zum organischen Aerosol (mit Werten bis zu 63 %) war stark erhöht. Dies deutet auf eine überwiegend biogene Herkunft der feinen Partikel über dem tropischen Regenwald hin. Auch hier wurden Einflüsse der Windgeschwindigkeit auf die Aerosolzusammensetzung beobachtet.
Schließlich wurden Aerosolproben aus einem gemischten Laub- und Nadelwald der gemäßigten Zone auf saure Terpenoxidationsprodukte untersucht. Die Monoterpenoxidationsprodukte wiesen eine wesentlich höhere Konzentration auf als die Sesquiterpenprodukte. Generell war der Beitrag biogener Vorläufer zum atmosphärischen feinen Aerosol jedoch gering. Der abgeschätze prozentuale Anteil der Terpene am organischen Aerosol betrug maximal 7 %. Dies deutet auf einen hohen anthropogenen und nur geringen biogenen Beitrag zur regionalen Aerosolbildung hin. Dennoch zeigten die sauren Terpenoxidationsprodukte stark ausgeprägte Jahresverläufe, welche abhängig von der jeweiligen Vorläufersubstanz deutlich voneinander variierten. Auch der Oxidationszustand der Terpenprodukte unterlag einem Jahreszyklus aufgrund der ebenfalls durch die Jahreszeiten variierenden Ozon und Hydroxylradikal Konzentrationen.
Trotz der dominierenden Rolle der Monoterpenoxidationsprodukte in den Aerosolproben aller drei Vegetationszonen, stieg die Konzentration der Sesquiterpenoxidationsprodukte im sekundären organischen Aerosol unter bestimmten Bedingungen signifikant an und erreichte Maximalwerte von bis zu 10 % (gemischter Laub- und Nadelwald der gemäßigten Zone), 17 % (borealer Nadelwald) oder sogar 26 % (tropischer Regenwald) der totalen Konzentration der Monoterpenoxidationsprodukte.