New insights into microbial surface-atmosphere exchange and their simulation

Primäre biologische Aerosole (PBAs oder PBAPs) sind natürlich emittierte Aerosole, die verschiedene Arten von biologischen Partikeln enthalten, die von Viren, Bakterien und Pilzen bis hin zu Pollen und Pflanzen- und Tierresten reichen. PBAPs haben eine offensichtliche Bedeutung für die Tier-, Mensch- und Pflanzengesundheit, da ihre Zusammensetzung pathogene Mikroorganismen sowie allergene Pollen einschließen kann. Darüber hinaus gibt es Hinweise darauf, dass einige der aerosolisierten mikrobiellen Arten einen breiteren biogeochemischen Einfluss haben können, der in der Lage ist die Wolkenkondensation und die Eiskeimbildung unter Bedingungen zu erleichtern, bei denen ihre anorganischen Gegenstücke nicht aktiv sind. Dies würde ein wichtiges und noch ungelöstes Feedback für den gesamten Wasserkreislauf darstellen, das einen interdisziplinären Zugang erfordert um enträtselt zu werden. Das Verhalten und die Fülle von Mikroorganismen in der Atmosphäre muss genau simuliert werden, ebenso wie das Ergebnis ihrer Wechselwirkungen mit Wolken. Eine der Hauptbeschränkungen dieser Art von Forschungsaktivitäten ist der Mangel an Informationen über die Emissionsraten von PBAs. Die meisten Modellierungsstudien verwenden Konzentrationsmessungen aus der Literatur, die die zeitliche Variation von PBAPs nicht beleuchten, noch auf ihr tatsächliches atmosphärisches Schicksal eingehen. Die in dieser Dissertation präsentierte Arbeit zielt darauf ab, diese Wissenslücke auf verschiedene Weisen zu schließen. Nach einer allgemeinen Einführung in das Thema (Kapitel 1) präsentiert Kapitel 2 die Anwendung einer rigorosen mikrometeorologischen Methode zur Messung von Biosphären-Atmosphäre-Flüssen von Mikroorganismen. Dieser Ansatz, der auf der Monin-Obukhov-Ähnlichkeitstheorie basiert, fehlte in den wenigen früheren Versuchen, die in diesem Feld Ende des 20. Jahrhunderts gemacht wurden. Diese Messungen, die sich über vier Jahre über verschiedene Kampagnen erstrecken, werden dann zur Kalibrierung und Validierung der ersten Entwicklung eines deterministischen Modells verwendet, das die zeitliche Variation der mikrobiellen Emissionen simuliert. Dieses Modell gibt keine Informationen über das atmosphärische Schicksal der emittierten PBAs, aber es hat das Potenzial in größerem Maßstab in Dispersions- und chemische Transportmodelle aufgenommen werden. Die Präzision letzterer bei der Simulation der Dispersion beruht jedoch nicht nur auf der Präzision der Emissionsschätzung, sondern auch auf den meteorologischen Steuergrößen, die das Transportfeld innerhalb des Dispersionsmodells selbst bestimmen. Kapitel 3 stellt eine Analyse dieses Themas durch die Fallstudie einer gut charakterisierten Punktquelle dar. Im letzteren Kapitel wird nicht nur die volle Modellierungskette von der meteorologischen Steuergröße zur Dispersion gezeigt, sondern auch die Wirkung der meteorologischen Steuergrößen auf die Genauigkeit der Dispersion selbst. Kapitel 4 schließt diese Dissertation ab, indem es das in den beiden vorangegangenen Kapiteln gesammelten Wissen zusammenführt: Das Emissionsmodell wir in eine Dispersionsmodellierungskette integriert und mit Daten aus Kapitel 2 verglichen. Das letzte Kapitel beschreibt alle Fallstricke und Vorbehalte, die aus einer solchen Aufgabe stammen und umreißt einen Fahrplan für die zukünftige Entwicklung von integrierten PBAPs Dispersionsmodellen, die zu einer bessere Darstellung von PBAs Häufigkeiten und Verhalten in der Atmosphäre führen.Primary biological aerosols (PBAs or PBAPs) are naturally emitted aerosols containing different kinds of biological particles ranging from viruses, to bacteria and fungi, up to pollen and plant and animal debris. PBAPs have an obvious relevance for both animal, human and plant health, since their composition may include pathogenic microorganisms, as well as allergenic pollens. In addition, there is mounting evidence that some of the aerosolized microbial species may have a wider biogeochemical impact, being able to facilitate cloud condensation and ice nucleation under conditions at which their inorganic counterparts are not active. This would represent an important and still unresolved feedback on the whole water cycle, requiring an inter-disciplinary approach to be unravelled. The behaviour and abundance of microbial species in the atmosphere needs to be accurately simulated, as well as the outcome of their interactions with clouds. One of the major constraints these kind of research activities is the lack of information about PBAs emission rates. Most modelling studies use concentration measurements from the literature, which do not shed light on the temporal variation of PBAPs, nor on their actual atmospheric fate. The work presented in this dissertation aims to fill this knowledge gap in various ways. After a general introduction into the topic (Chapter 1), Chapter 2 presents the application of a rigorous micrometeorological method for measuring biosphere-atmosphere fluxes of microorganisms. This approach, based on Monin-Obukhov similarity theory, was lacking in the few previous attempts made in the field at the end of the 20th century. These measurements, spanning various campaigns across four years, are then used to calibrate and validate the first development of a deterministic model simulating the temporal variation in microbial emissions. The latter model does not give information about the atmospheric fate of the emitted PBAs, but it has the potential to be included in bigger scale dispersion and chemical transport models. The precision of the latter in simulating dispersion, though, does not rely only on the precision of the emission estimation, but also on the meteorological forcings governing the transport field within the dispersion model itself. Chapter 3 represents an analysis of this issue through the case study of a well-characterized point source. In the latter chapter not only the full modelling chain going from meteorological forcings to dispersion is demonstrated, but also the effect of the meteorological forcings on the accuracy of the dispersion itself. Chapter 4 concludes this dissertation by joining the knowledge gathered in the previous two chapters: the emission model is nested in a dispersion modelling chain and compared with data from Chapter 2. The final chapter details all the pitfalls and caveats originating from such a task and outlines a roadmap for the future development of integrated PBAPs dispersion model yielding a better representation of PBAs abundance and behaviour in the atmosphere.by Federico CarotenutoAbweichender Titel laut Übersetzung des VerfassersKumulative Dissertation aus zwei ArtikelnUniversity of Innsbruck, Dissertation, 2017OeBB(VLID)196765