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

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.

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Last update: 22.09.2014

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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.