Sammlung und Charakterisierung von Aerosolpartikeln in der polaren Stratosphäre

• Main Author: Schütze, Katharina
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: German
• Published: 2018
• Subjects: Kiruna
• Online Access: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7336/; https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/7336/1/2018-04-11_Dissertation_KS.pdf

In der polaren Stratosphäre wurden Aerosolpartikel im Submikrometerbereich mit speziell dafür angefertigten Impaktoren gesammelt. Während SOLVE (SAGE III Ozone Loss and Validation Experiment) wurden elf Proben im Zeitraum von Januar bis März 2000 an Bord des ER-2 Forschungsflugzeugs in einem Höhenbereich von 17.3 – 19.9 km gesammelt. Die Partikelsammlung erfolgte sowohl innerhalb als auch außerhalb des Polaren Vortex (PV). Mittels hochauflösender Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie (TEM/SEM), gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenmikroanalyse (EDX), wurden 4202 Partikel (TEM=3872; SEM=330) bezüglich ihrer Größe, chemischen Zusammensetzung, dem Mischungszustand und der Nanostruktur untersucht. Volatile Partikel bestehen aus Hydrogensulfaten und Ammoniumsulfaten. Diese treten dominant in den Proben in Bezug auf das impaktierte Volumen auf. Außerdem wurden refraktäre Kohlenstoffpartikel mit Größen zwischen 20 bis 830 nm detektiert. Die meisten der refraktären Kohlenstoffpartikel sind extern gemischt und enthalten neben C und O weitere Elemente. Der Median des Mischungsverhältnisses der refraktären Kohlenstoffpartikel beträgt 1.1 (mg Luft)-1. Dies ist die erste Studie, die Hochauflösungsaufnahmen refraktärer Kohlenstoffpartikel, die in der polaren Stratosphäre gesammelt wurden, zeigt. Die gefundenen refraktären Kohlenstoffpartikel sind in der Regel vollständig amorph. Einige Partikel zeigen eine unvollständige Ordnung mit Netzebenenabständen von 0.37 ± 0.06 nm (Mittelwert ± Standardabweichung). Im energiedispersiven Röntgenspektrum (EDX) treten hauptsächlich die Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff mit einem atomaren O/C-Verhältnis von 0.11 ± 0.07 auf. Zusätzlich enthält die Mehrheit der refraktären Kohlenstoffpartikel (~84%) Spuren der Elemente Si, S, Fe, Cr und Ni mit atomaren Verhältnissen relativ zu C von Si/C: 0.010 ± 0.011; S/C: 0.0007 ± 0.0015; Fe/C: 0.0052 ± 0.0074; Cr/C: 0.0012 ± 0.0017; Ni/C: 0.0006 ± 0.0011 (alle Mittelwert ± Standardabweichung). Hochauflösende Elementverteilungsbilder zeigen keine heterogenen Einschlüsse dieser Elemente, d.h. die Spurenelemente sind homogen in der kohlenstoffreichen Matrix verteilt. Bezüglich der Größe, Nanostruktur und Elementzusammensetzung lassen sich keine Unterschiede zwischen Partikeln die innerhalb und außerhalb des Polaren Vortex gesammelt wurden, finden. Vergleiche mit den wahrscheinlichsten Quellen für refraktäre Kohlenstoffpartikel zeigen, dass Flugzeugabgase, vulkanische Emissionen und Biomasseverbrennung mit Sicherheit als Quellen für refraktäre Kohlenstoffpartikel ausgeschlossen werden können. Dasselbe gilt für die global wichtigen, aber weniger wahrscheinlichen Quellen Holzverbrennung, Kohleverbrennung, Dieselmotoren und Schiffsemissionen. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Partikel von Raketenabgasen stammen. Als wahrscheinlichste Quellen gelten jedoch kohlenstoffreiches Material von Interplanetaren Staubpartikeln oder Produkte aus meteorischer Ablation- oder Fragmentation. Allerdings ist noch weitere Arbeit nötig, um eine eindeutige Quelle identifizieren zu können. Während BEXUS (Balloon EXperiments for University Students) wurden Partikelproben während eines Stratosphärenflugs im Oktober 2015 gesammelt. Die Kampagne fand im nordschwedischen Kiruna statt. Die Planung, Entwicklung und das Testen aller notwendigen Komponenten für den Aufbau des COSPA (COllection of Stratospheric PArticles) Experimentes wurden im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Zum Zeitpunkt der Sammlung war der polare Vortex noch nicht ausgebildet. Acht Partikelproben wurden nacheinander vom Start bis in eine finale Höhe von 28.2 km gesammelt. Der Ballon driftete während des Fluges in Richtung Osten und überquerte die finnische Grenze kurz vor dem gezielten Ablassen der Gondel. Messungen mittels SEM und TEM, gekoppelt mit EDX, haben ergeben, dass die Partikelzusammensetzung in der Troposphäre von volatilen Partikeln, die hauptsächlich aus Schwefel und Sauerstoff bestehen, dominiert wird. Weiterhin wurden Rußpartikel, die von der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder Biomasse stammen und komplexe Salzpartikel, vermutlich von gealtertem Seesalz, gefunden. In der Stratosphäre ändert sich sowohl die Zusammensetzung der volatilen als auch der refraktären Partikel. Die volatilen Partikel sind sehr kohlenstoffreich und werden in den meisten Proben von Stickstoff dominiert (vermutlich Ammoniumnitrat oder Ammoniumsulfat). In Summe wurden 37 refraktäre Partikel in der Stratosphäre gesammelt: komplexe Salzpartikel (Anzahl n = 8), Siliziumoxid (SixOy) (4), Eisenoxid (FexOy) (1), Eisen– und Magnesiumreiche Silikate (19) und Aluminiumoxidpartikel (5). Die Quelle der stratosphärischen komplexen Salzpartikel ist unbekannt. Die Partikel der letzten vier Gruppen sind intern mit volatilen Partikeln gemischt und stammen vermutlich von extraterrestrischem Material (mit einem Mischungsverhältnis in der stratosphärischen Luft von 2.8 x 10-2 mg-1); entweder von rekondensierten Gasen oder Ablationsprodukten. Allerdings kann eine terrestrische Quelle der Partikel nicht ohne isotopenchemische Messungen ausgeschlossen werden. Das erfolgreich durchgeführte COSPA-Experiment kann als Basis für weitere Leichtgewicht-Ballonflüge für die Sammlung von stratosphärischen Partikeln dienen, um den Einfluss verschiedener terrestrischer und extraterrestrischer Quellen auf die stratosphärische Partikelzusammensetzung zu identifizieren.