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Measurements of water uptake by fresh and aged wood-burning soot particles in the subsaturated regime

English title Measurements of water uptake by fresh and aged wood-burning soot particles in the subsaturated regime
Applicant Lohmann Ulrike
Number 152813
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Atmosphäre und Klima ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Start/End 01.12.2014 - 30.11.2017
Approved amount 330'000.00
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Keywords (11)

Soot; Biomass burning; Hygroscopicity; Photochemical aging; Single particle mass; Fractal shape; Restructuring; Coating; Chemical composition; Aerosol mass spectrometry; Cloud condensation nuclei

Lay Summary (German)

Lead
Aufgrund ihrer vielfältigen Einflüsse und Wechselwirkungen mit Atmosphäre und Klima sind Aerosolpartikel (AP) von grossem wissenschaftlichen Interesses. Der Einfluss kann sowohl direkter (Reflektion/Absorption von Strahlung) als auch indirekter Natur (Modifikation von Wolkeneigenschaften) sein. Russpartikel, eine Untergruppe der atmosphärischen AP, sind sowohl gesundheitlich als auch atmosphärisch von besonderem Interesse. Sie wurden von der WHO als krebserregend eingestuft und absorbieren aufgrund ihrer dunklen Farbe sehr effizient Strahlung. Eine Kondensation von Wasser auf Russpartikeln hat einen starken Einfluss auf die optischen Eigenschaften von Russ und stellt zudem ein Medium für mögliche chemische Reaktionen dar. Trotz der Bedeutung von AP für Atmosphäre und Klima, wird auch im aktuellsten IPCC Bericht auf das bis dato lückenhafte Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen und der daraus resultierenden Nichtquantifizierbarkeit ihrer verschiedensten Einflüsse hingewiesen.
Lay summary

Messung der Wasseraufnahme bei frisch emittierten und gealterten Holzverbrennungsrusspartikeln im untersättigten Bereich

Messung der Wasseraufnahme bei frisch emittierten und gealterten Holzverbrennungsrusspartikeln im untersättigten BereichMessung

Measurements of water uptake by fresh and aged wood-burning soot particles in the subsaturated regime

Messung der Wasseraufnahme bei frisch emittierten und gealterten Holzverbrennungsrusspartikeln im untersättigten Bereich

Mesures d'absorption de l'eau par des particules fraiches et vieilli de suie provenant de la combustion de bois en régime sous-

Inhalt und Ziel

Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, die Partikel-Wasserdampf-Wechselwirkung von Russpartikeln aus Holzverbrennung sowohl im Labor als auch direkt in der Atmosphäre zu bestimmen. Dies erlaubt neue Einblicke zur Bestimmung des Russpartikelpotentials zur Wolkenbildung. Mithilfe eines neuentwickelten Messsystems wird der Einfluss a) verschiedener Russsorten, b) organischer und anorganischer Beschichtungen, sowie c) von Alterungsprozessen auf die Wasseraufnahme systematisch untersucht. Dieses neuentwickelte Messsystem wird es ermöglichen, auch bei nichtsphärischen Partikeln die Kondensation kleinster Wassermengen im untersättigten Bereich zu detektieren.

Kontext

Russ aus Verbrennungsprozessen stellt weltweit eine wesentliche Quelle atmosphärischer AP dar. In der Schweiz sind Holzverbrennungsöfen zur Wärmeerzeugung sehr beliebt, was in alpinen Gegenden in der Winterzeit zu sehr hohen Schadstoffbelastungen führen kann. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts tragen massgeblich zum besseren Verständnis der Wechselwirkungen und Einflüsse von Russpartikeln auf die Wolkenbildung und auf die Luftqualität bei. Parametrisierungen, die auf Grundlager der Ergebnisse entwickelt werden, werden zur Verbesserung von Klimamodellen beitragen, die atmosphärische Prozesse simulieren. Zudem ist ein Verständnis der Prozesse notwendig, um umweltpolitische Massnahmen zum Schutze der Bevölkerung zu treffen.

Direct link to Lay Summary Last update: 22.09.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Impact of isolated atmospheric aging processes on the cloud condensation nuclei activation of soot particles
Friebel Franz, Lobo Prem, Neubauer David, Lohmann Ulrike, Drossaart van Dusseldorp Saskia, Mühlhofer Evelyn, Mensah Amewu A. (2019), Impact of isolated atmospheric aging processes on the cloud condensation nuclei activation of soot particles, in Atmospheric Chemistry and Physics, 19(24), 15545-15567.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Benjamin Brem und Lukas Durdina/EMPA Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure
Dr. Prem Lobo/National Research Council Canada (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
International Aerosol Conference Poster Well mixed, ambient conditions and long observation times: Aging experiments in a CSTR 02.09.2018 St. Louis, United States of America Mensah Amewu Antoinette;
International Aerosol Conference Individual talk Temperature matters more than concentration: CCN activation of Soot after exposure to ozone under atmospheric conditions 02.09.2018 St. Louis, United States of America Mensah Amewu Antoinette;
22nd ETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles Poster Temperature vs ozone concentration: new insights to the CCN-activity and LDSA of soot particles after long term exposure to ambient Ozone concentrations 18.06.2018 Zürich, Switzerland Mensah Amewu Antoinette;
European Aerosol Conference Individual talk Long term aerosol aging under atmospherically relevant conditions in a CSTR-like aerosol tank 27.08.2017 Zürich, Switzerland Mensah Amewu Antoinette;
European Aerosol Conference Poster CCN-Activation of soot particles after long term exposure to atmospherically relevant ozone concentrations 27.08.2017 Zürich, Switzerland Mensah Amewu Antoinette;
21st ETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles Poster CCN-Activation of soot particles after long term exposure to atmospherically relevant ozone concentrations 19.06.2017 Zürich, Switzerland Mensah Amewu Antoinette;
638. WE-Heraeus-Seminar Aerosol, Climate and Health Poster CCN-Activation of soot particles after long term exposure to atmospherically relevant ozone concentrations 27.03.2017 Bad Honnef, Germany Mensah Amewu Antoinette;
638. WE-Heraeus seminar on Aerosol, Climate and Health Talk given at a conference Uncertainties in climate projections: The influence of clouds and aerosols on climate 27.03.2017 Bad Honnef, Germany Lohmann Ulrike;
International Conference on Aerosol Cycle – Sources, Aging, Sinks, Impacts Poster Long term aerosol aging under atmospherically relevant conditions in a CSTR-like aerosol tank 21.03.2017 Lille, France Mensah Amewu Antoinette;
International Conference on Aerosol Cycle – Sources, Aging, Sinks, Impacts Talk given at a conference CCN-Activation of soot particles after long term exposure to atmospherically relevant ozone concentrations 21.03.2017 Lille, France Mensah Amewu Antoinette;


Awards

Title Year
SNF Ambizione Fellowship of Dr. Amewu Mensah: "Soot Particle Ageing Cloud Effects –SPACE-" 2017

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
132199 Field and laboratory studies of the chemical composition and mixing state of black carbon particles and their ability to act as cloud condensation and ice nuclei 01.11.2010 Project funding (Div. I-III)
150169 Laboratory studies on the ice nucleation properties of fresh and aged mineral dust aerosols 01.11.2013 Project funding (Div. I-III)
168324 Assessing the impact of extended humidification time on the hygroscopic growth of ambient aerosols: Laboratory evaluation 01.07.2016 International short research visits
132199 Field and laboratory studies of the chemical composition and mixing state of black carbon particles and their ability to act as cloud condensation and ice nuclei 01.11.2010 Project funding (Div. I-III)
127275 Laboratory and Field Studies of Ice Nucleation: Natural and Anthropogenic Effects 01.11.2009 Project funding (Div. I-III)
175824 Exploiting orographic clouds for constraining the sources of ice crystals 01.10.2017 Project funding (Div. I-III)
161343 Soot Particle Ageing Cloud Effects - SPACE 01.06.2016 Ambizione

Abstract

Atmospheric aerosol particles are of major interest in current atmospheric research due to their direct interaction with solar and terrestrial radiation, as well as their indirect effects on cloud properties such as lifetime and reflectivity. Combustion-generated particles, or soot, are the most efficient light-absorbing particles found in the atmosphere, and are second only to CO2 in their global warming potential. The hygroscopic uptake of water by soot particles can enhance light absorption and scattering in the atmosphere, and alter the cloud-activation properties of a particle. Furthermore, soot is considered carcinogenic, and water uptake by soot in the human respiratory tract may influence its deposition in the lungs. The hygroscopicity of soot is therefore a basic particle property of significant relevance to climate and health.For practical reasons, the hygroscopicity of aerosol particles has traditionally been measured by the so-called HTDMA, which compares dry and wet particle diameters in order to estimate the volume change due to water uptake. For soot, this approach is fundamentally flawed. Soot particles are composed of irregular, chain-like aggregates of smaller, insoluble spherules: they have no well-defined diameter. In practice, the error in the measured diameter of soot changes during water condensation, hindering empirical corrections. Moreover, volume is not a conserved property when solution concentrations change. Recent instrumental developments have resulted in instruments capable of measuring particle mass directly. We propose the use of such an instrument to characterize the hygroscopic nature of real-world soot samples. Literature to date indicates that much of the expected hygroscopicity should originate from the products of atmospheric processing, which begins within hours of emission. The planned research therefore focusses on the hygroscopicity of laboratory-processed emissions from a Swiss wood stove. These measurements will be preceded by the laboratory development of the hygroscopicity system, and succeeded by outdoor measurements to explore the generality of the laboratory results. A PhD student will perform the core hygroscopicity measurements. For a chemical understanding of these hygroscopicity data, simultaneous mass spectrometry of the total soot aerosol composition using two aerosol mass spectrometers will be performed. A postdoctoral fellow will perform the mass spectrometric measurements and analysis, as well as being responsible for the development of data inversion algorithms for the new hygroscopicity system.
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