Chemical composition and transformation of submicron aerosol particles in the outflow of major population centres

Abstract

Urbane Ballungsräume tragen signifikant zur anthropogenen Luftverschmutzung bei. Aufgrund der stetig wachsenden Weltbevölkerung und des zunehmenden Urbanisierungsgrades ist zu erwarten, dass die Regulierung anthropogener Großstadtemissionen zukünftig wichtiger wird. Diese Arbeit fokussiert sich auf urbane Emissionen in Europa und Ostasien sowie auf die Prozesse in der Nähe von Ballungszentren, die die chemische Zusammensetzung von Aerosolpartikeln, deren Azidität und deren Oxidation bestimmen. Dafür wurden flugzeugbasierte in situ Messungen durchgeführt, um Aerosolpartikel im Größenbereich von 40 bis 800 nm mithilfe eines Aerosolmassenspektrometers zu messen. Die Analyse wird durch Spurengasmessungen und Daten aus verschiedenen Modellen zur Luftmassenherkunft ergänzt. Als Ergebnis zeigten sich charakteristische Unterschiede in der regionalen und vertikalen Verteilung der Aerosolpartikelzusammensetzung. Die maximalen Aerosolmassenkonzentrationen wurden in den unteren 4 – 5 km gemessen, wobei höhere Werte von bis zu 34 μg/m³ in Ostasien vorkamen, während in Europa maximal 18 μg/m³ gemessen wurden. In Europa dominieren organische Verbindungen die Aerosolzusammensetzung, während in Ostasien Sulfat dominiert. Der Anteil an Nitrat im Aerosol steigt mit zunehmender Luftverschmutzung. Außerdem konnten Schwefelemissionsquellen von Kupferhochöfen, Schiffen und Vulkanen mithilfe der Aerosolazidität identifiziert werden. Die Analysen der Luftmassenherkunft zeigten, dass anthropogene Emissionen über weite Distanzen transportiert werden. Während des Transports werden organische Aerosolkomponenten oxidiert, was häufig mit den Zeitskalen der Prozessierung flüchtiger organischer Komponenten und anderer Spurengase korreliert. Dieser Zusammenhang liefert Informationen über das Alter der Luftmassen und wurde mit den mittleren Altern aus Dispersionsrechnungen kombiniert. Es wurden jedoch auch Unterschiede bei der Alterung von Aerosolpartikeln und Spurengasen festgestellt, da viele Faktoren beteiligt sind, die die Komplexität der Daten erhöhen. Zusammenfassend wurden im Rahmen dieser Arbeit charakteristische Aerosolzusammensetzungen in den Regionen Europa und Ostasien sowie für ausgewählte urbane Ballungszentren festgestellt. Darüber hinaus wurde die Aerosolazidität untersucht und Einblick in die Oxidationsprozesse organischer Aerosolkomponenten in den Abluftregionen von Ballungsräumen gegeben. Diese Ergebnisse verbessern das Verständnis von Aerosolpartikeln in anthropogen beeinflussten Luftmassen.

Major population centres (MPCs) are significant contributors to anthropogenic air pollution. Since the worldwide population and degree of urbanization are steadily increasing, the control of anthropogenic (mega-)city emissions is expected to become more important in the future. This study focuses on urban emissions in Europe and East Asia as well as processes controlling the aerosol particle chemical composition, acidity, and oxidation in the vicinity of MPCs. Therefore, airborne in situ measurements of aerosol particles in the size range of 40 – 800 nm were conducted using a compact time-of-flight aerosol mass spectrometer (C-ToF-AMS). The analysis is complemented by trace gas measurements and data from different air mass history models. This study presents differences and characteristic signatures in the regional and vertical distribution of the aerosol particle composition. Maximum aerosol mass concentrations are observed in the lowest 4 – 5 km with larger values in East Asia of up to 34 μg/m³ compared with around 18 μg/m³ in Europe. Organic aerosol is the main aerosol component in Europe while sulfate aerosol dominates in East Asia. However, the fraction of nitrate aerosol increases with an increasing pollution level. Moreover, the aerosol acidity allowed the identification of sulfur emissions from copper smelters, ships, and volcanoes. Air mass history analysis shows that anthropogenic emissions are transported over long distances. During transport, organic aerosol compounds become oxidised which often correlates with processing scales of volatile organic compounds and other trace gases. This correlation gives insights on the age of air masses and is further combined with mean ages derived from dispersion modelling. However, differences in aerosol particle and trace gas ageing were found as many factors are involved increasing the complexity of the data. In conclusion, this thesis reveals characteristic aerosol compositions for Europe and East Asia in general as well as for selected MPCs. In addition, an analysis of aerosol acidity is provided and valuable insights into oxidation processes of organic aerosol in the outflow of MPCs are offered. Together, these findings improve our knowledge of aerosol particles in anthropogenically influenced air masses.