Untersuchungen des atmosphärischen Aerosols im urbanen Umfeld : Einfluss von Emissionsquellen und Meteorologie auf Zusammensetzung, Konzentrationen und Bildungsprozesse
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Atmosphärische Aerosolpartikel leisten einen erheblichen Beitrag zur Luftverschmutzung und können negative Gesundheitseffekte haben. Ihre Wirkung ist abhängig von den chemischen und physikalischen Eigenschaften der Partikel, die wiederum durch die Emissionsquelle sowie Bildungs- und Alterungsprozesse bestimmt werden. Speziell in dicht besiedelten Regionen, in denen Gesundheitsrisiken eine besondere Relevanz haben, sind die Emissionsquellen von Partikeln zahlreich vertreten und sehr vielfältig. Um den Einfluss atmosphärischer Aerosole auf Mensch und Umwelt zu verstehen, müssen die auftretenden Partikeltypen identifiziert und charakterisiert werden. Hier spielt die organische Aerosolfraktion eine besondere Rolle, da sie häufig in hohen Konzentrationen von anthropogenen Quellen emittiert wird und zur Quellidentifikation genutzt werden kann.
Um die Eigenschaften atmosphärischer Partikel in urbaner Umgebung zu erforschen, wurden vier Feldmesskampagnen (Okt/Nov 2013, Mai/Juni 2014) in der Innenstadt und einem Vorort von Rom durchgeführt. Aus dem Vergleich der Ergebnisse von beiden Messorten und aus den beiden Messintervallen wurde der Einfluss von Emissionsquellen und meteorologischen Bedingungen auf das Vorkommen und die Dynamik von Partikeln aus unterschiedlichen Quellen analysiert. Die Zusammensetzung der thermisch verdampfbaren Partikel aus dem Submikrometer-Bereich (PM1, engl. particulate matter) wurde mit einem Aerosolmassenspektrometer (AMS) untersucht. Um Erkenntnisse über Partikelquellen zu sammeln, wurde die organische Aerosolfraktion mittels eines mathematischen Algorithmus in unterschiedliche Faktoren separiert. Als ubiquitäre Partikeltypen zeigten sich solche aus Verkehrs- und Kochemissionen sowie aus sekundären Bildungsprozessen. Im Vorort von Rom wurde zusätzlich ein erheblicher Beitrag von Biomasseverbrennung und in der Innenstadt von Zigarettenemissionen (CSOA, cigarette smoke organic aerosol) beobachtet. In den CSOA-Spektren wurden Nikotin-Fragmentionen identifiziert und als neue Marker für Zigarettenemissionen in AMS-Messungen diskutiert. Ein deutlicher Einfluss meteorologischer Bedingungen zeigte sich in der sekundären Partikelfraktion. Nur während Mai/Juni wurden Hinweise auf Partikelneubildung und zwei unterschiedlich gealterte Typen eines oxidierten organischen Aerosols beobachtet. Die kältere Jahreszeit war charakterisiert durch erhöhte relative Beiträge der primären Partikelemissionen. Im Vergleich zum Vorort wurden in der Innenstadt erhöhte Konzentrationen von Verkehrs- und Kochemissionen vorgefunden. In beiden Jahren erhöhten Saharastaub-Advektionen zeitweise die PM10-Konzentrationen um 12 – 17 µg m-3. Eine Abschätzung ergab, dass ~ 50 % der vorgefundenen Partikel aus lokalen Emissionen entstammen und ~ 50 % antransportiert werden. Die Messungen verdeutlichen, wie bedeutend die herrschenden meteorologischen Bedingungen, lokale Emissionsquellen und antransportierte Partikel für die lokale urbane Luftqualität sind.
Um verdampfbare Organik aus der Grobstaubmode zu untersuchen, wurde ein System bestehend aus der Kombination eines Impaktors und dem AMS entwickelt. Der Impaktor dient sowohl der Probesammlung als auch der Probenvorbereitung. Durch das Erhitzen des Impaktors auf ca. 300 °C werden flüchtige Verbindungen der gesammelten Probe in die Gasphase überführt. Ein zugeführtes Keim-Aerosol dient als Kondensationsoberfläche für den Dampf und dem Transport zum AMS, wo die organischen Spezies analysiert werden. Die Charakterisierung des neu entwickelten Systems offenbarte Schwächen bezüglich der Partikelabscheidung auf dem Impaktor und der Kondensation der Organik auf das Keim-Aerosol. Ein erster Einsatz des Systems während der Feldmesskampagne in 2014 konnte die generelle Funktionstüchtigkeit der Methode aufzeigen. Die hierbei erzielten Messdaten sind jedoch mit einer hohen Unsicherheit verbunden. Für zukünftige Einsätze müsste das System optimiert werden.