Airborne measurements of the UTLS aerosol chemical composition over Germany using particle mass spectrometry

Abstract

Aerosol particles affect the Earth’s radiation budget by interacting with solar and terrestrial radiation but they can also act as cloud or ice nuclei both of which depend on physical characteristics and chemical composition of the particles. In addition to natural aerosols, commercial aircraft is a significant anthropogenic source of aerosol particles in the extratropical upper troposphere and lower stratosphere (UTLS). Yet, the knowledge of UTLS aerosol particles and the contribution of aircraft exhaust on the formation e.g. of cirrus and contrails is limited although these cloud types have a strong impact on radiative forcing. This study focuses on the occurrence of individual particle types in UTLS ambient air as well as cirrus and compares them with phases of aircraft exhaust plumes and contrails. The hybrid mass spectrometer ERICA was deployed for airborne measurements of aerosol chemical composition in a size range of 174 nm and 3.2 μm. A standard aerosol inlet and counterflow virtual impactor were used to sample interstitial particles (56058) and cloud residuals (3408) in the wintertime UTLS region over Northern Germany. The particle analysis is based on fuzzy c-means clustering and complementary measurements of trace gases and cloud properties as well as synoptical analysis and simulations of air mass history. This study revealed that biomass burning (BB ) and carbon-containing particles dominated the winter UTLS region over Northern Germany. Of the cloud residuals, sea spray, mineral dust, and BB were the most abundant. Westerlies largely influenced the particle occurrence: sea spray was attributed to Atlantic air masses and BB particles were assigned to North American wild fires. Meteoric material was detected above and inside the tropopause layer. In addition, laboratory measurements of ammonium sulphate provided a potential source of cation sulphur signals in ambient particle mass spectra. Further, the nitrate-rich particle type detected during the ND-MAX campaign was not attributed to a recombination process of nitrogen oxide precursors. Moreover, a comparison unveiled that contrails can grow on the same particles as cirrus, suggesting the formation of both via the liquid phase as confirmed by the ice water content analysis. The composition of contrails was rather driven by the UTLS aerosol background than by particles of aircraft fuel combustion. However, the lower detection limit of ERICA inhibits the sampling of exhaust-related particles below 174 nm, not allowing for the analysis of an impact on the aerosol population and contribution to contrail formation.

Aerosolpartikel beeinflussen den globalen Strahlungshaushalt durch Wechselwir- kung mit Sonnen- und terrestrischer Strahlung. Sie können zudem als Wolken- kondensations- oder Eiskeim fungieren in Abhängigkeit ihrer physikalischen Eigenschaften und chemischen Zusammensetzung. Abgesehen von Aerosolen natürlichen Ursprungs liefert die kommerzielle Luftfahrt einen signifikanten anthropogenen Beitrag zu Aerosolpartikeln in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS). Allerdings ist das Wissen um Aerosolpartikel in der UTLS und der Beitrag von Flugzeugemissionen zur Bildung von Cirren und Kondensstreifen nach wie vor gering, obwohl diese Wolkengattungen einen er- heblichen Einfluss auf den Strahlungsantrieb haben. Diese Arbeit betrachtet das Auftreten verschiedener Partikeltypen in der Umgebungsluft der UTLS Region sowie Cirren und vergleicht sie mit dem Vorkommen in Flugzeug-Abluftfahnen und Kondensstreifen. Das hybride Massenspektrometer ERICA wurde für flug- zeuggetragene Messungen im Aerosol-Größenbereich von 174 nm bis 3.2 μm eingesetzt. Mithilfe eines Standard-Aerosol- und eines Wolkenresidueneinlasses wurden interstitielle Partikel (56058) und Wolkenresiduen (3408) in der UTLS über Norddeutschland im Winter gemessen. Die Partikel wurden analysiert mit- hilfe des Sortier-Algorithmus fuzzy c-means sowie Messungen von Spurengasen und zu Wolkeneigenschaften. Außerdem wurden synoptische Beobachtungen und Simulationen zur Luftmassenhistorie herangezogen. Diese Arbeit konnte zeigen, dass Partikel aus Biomasse-Verbrennung (BV) und kohlenstoffhaltige Partikel die Messungen dominiert haben. Unter den Wolkenre- siduen waren zumeist Meersalz, Mineralstaub, und BV-Partikel. Das Auftreten dieser Partikel wurde durch die Westwinde begünstigt, die zu einer Advektion von Meersalz aus dem Atlantik und BV-Partikeln aus nordamerikanischen Waldbränden führte. Meteoritenstaub wurde in der Tropopausenregion und darüber beobachtet. Zudem lieferten Labormessungen mit Ammoniumsulphat eine potentielle Quelle für Sulphur-Signale, die im Kationenspektrum mancher Partikel gemessen wurden. Der während der ND-MAX-Kampagne detektierte nitratreiche Partikeltyp war nicht auf eine Rekombination aus Vorläufersub- stanzen von Stickoxiden zurückzuführen. Außerdem offenbarte der Vergleich von Cirren und Kondensstreifen, dass beide Wolkentypen aus denselben Parti- keltypen hervorgingen. Eine Analyse des Eiswassergehalts legte die Entstehung über die Flüssigphase nahe. Insgesamt setzten sich die Kondensstreifen aus den Partikeltypen zusammen, die auch in der Umgebungsluft enthalten waren. Abgasbezogene Typen unterhalb von 174 nm Partikelgröße spielten keine Rolle, konnten aufgrund des Detektionslimits von ERICA aber auch kaum detektiert werden. Der Einfluss der abgasbezogenen Typen auf die Aerosolpopulation und Kondensstreifenbildung war daher nicht analysierbar.