Entwicklung und Anwendung von mobilen Messstrategien und Analysemethoden zur Untersuchung urbanen Aerosols

Seit Anbeginn der Menschheitsgeschichte beeinflussen die Menschen ihre Umwelt. Durch anthropogene Emissionen ändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre, was einen zunehmenden Einfluss unter anderem auf die Atmosphärenchemie, die Gesundheit von Mensch, Flora und Fauna und das Klima hat. Die steigende Anzahl riesiger, wachsender Metropolen geht einher mit einer räumlichen Konzentration der Emission von Luftschadstoffen, was vor allem einen Einfluss auf die Luftqualität der windabwärts gelegenen ruralen Regionen hat. In dieser Doktorarbeit wurde im Rahmen des MEGAPOLI-Projektes die Abluftfahne der Megastadt Paris unter Anwendung des mobilen Aerosolforschungslabors MoLa untersucht. Dieses ist mit modernen, zeitlich hochauflösenden Instrumenten zur Messung der chemischen Zusammensetzung und Größenverteilung der Aerosolpartikel sowie einiger Spurengase ausgestattet. Es wurden mobile Messstrategien entwickelt und angewendet, die besonders geeignet zur Charakterisierung urbaner Emissionen sind. Querschnittsmessfahrten durch die Abluftfahne und atmosphärische Hintergrundluftmassen erlaubten sowohl die Bestimmung der Struktur und Homogenität der Abluftfahne als auch die Berechnung des Beitrags der urbanen Emissionen zur Gesamtbelastung der Atmosphäre. Quasi-Lagrange’sche Radialmessfahrten dienten der Erkundung der räumlichen Erstreckung der Abluftfahne sowie auftretender Transformationsprozesse der advehierten Luftschadstoffe. In Kombination mit Modellierungen konnte die Struktur der Abluftfahne vertieft untersucht werden. Flexible stationäre Messungen ergänzten den Datensatz und ließen zudem Vergleichsmessungen mit anderen Messstationen zu. Die Daten einer ortsfesten Messstation wurden zusätzlich verwendet, um die Alterung des organischen Partikelanteils zu beschreiben. Die Analyse der mobilen Messdaten erforderte die Entwicklung einer neuen Methode zur Bereinigung des Datensatzes von lokalen Störeinflüssen. Des Weiteren wurden die Möglichkeiten, Grenzen und Fehler bei der Anwendung komplexer Analyseprogramme zur Berechnung des O/C-Verhältnisses der Partikel sowie der Klassifizierung der Aerosolorganik untersucht. Eine Validierung verschiedener Methoden zur Bestimmung der Luftmassenherkunft war für die Auswertung ebenfalls notwendig. Die detaillierte Untersuchung der Abluftfahne von Paris ergab, dass diese sich anhand der Erhöhung der Konzentrationen von Indikatoren für unprozessierte Luftverschmutzung im Vergleich zu Hintergrundwerten identifizieren lässt. Ihre eher homogene Struktur kann zumeist durch eine Gauß-Form im Querschnitt mit einem exponentiellen Abfall der unprozessierten Schadstoffkonzentrationen mit zunehmender Distanz zur Stadt beschrieben werden. Hierfür ist hauptsächlich die turbulente Vermischung mit Umgebungsluftmassen verantwortlich. Es konnte nachgewiesen werden, dass in der advehierten Abluftfahne eine deutliche Oxidation der Aerosolorganik im Sommer stattfindet; im Winter hingegen ließ sich dieser Prozess während der durchgeführten Messungen nicht beobachten. In beiden Jahreszeiten setzt sich die Abluftfahne hauptsächlich aus Ruß und organischen Partikelkomponenten im PM1-Größenbereich zusammen, wobei die Quellen Verkehr und Kochen sowie zusätzlich Heizen in der kalten Jahreszeit dominieren. Die PM1-Partikelmasse erhöhte sich durch die urbanen Emissionen im Vergleich zum Hintergrundwert im Sommer in der Abluftfahne im Mittel um 30% und im Winter um 10%. Besonders starke Erhöhungen ließen sich für Polyaromaten beobachten, wo im Sommer eine mittlere Zunahme von 194% und im Winter von 131% vorlag. Jahreszeitliche Unterschiede waren ebenso in der Größenverteilung der Partikel der Abluftfahne zu finden, wo im Winter im Gegensatz zum Sommer keine zusätzlichen nukleierten kleinen Partikel, sondern nur durch Kondensation und Koagulation angewachsene Partikel zwischen etwa 10nm und 200nm auftraten. Die Spurengaskonzentrationen unterschieden sich ebenfalls, da chemische Reaktionen temperatur- und mitunter strahlungsabhängig sind. Weitere Anwendungsmöglichkeiten des MoLa wurden bei einer Überführungsfahrt von Deutschland an die spanische Atlantikküste demonstriert, woraus eine Kartierung der Luftqualität entlang der Fahrtroute resultierte. Es zeigte sich, dass hauptsächlich urbane Ballungszentren von unprozessierten Luftschadstoffen betroffen sind, advehierte gealterte Substanzen jedoch jede Region beeinflussen können. Die Untersuchung der Luftqualität an Standorten mit unterschiedlicher Exposition bezüglich anthropogener Quellen erweiterte diese Aussage um einen Einblick in die Variation der Luftqualität, abhängig unter anderem von der Wetterlage und der Nähe zu Emissionsquellen. Damit konnte gezeigt werden, dass sich die entwickelten Messstrategien und Analysemethoden nicht nur zur Untersuchung der Abluftfahne einer Großstadt, sondern auch auf verschiedene andere wissenschaftliche und umweltmesstechnische Fragestellungen anwenden lassen.Since human beings exist on this planet they have influenced their environment. Anthropogenic emissions change the composition of the atmosphere, which has increasing impact on atmospheric chemistry, health of human beings, flora and fauna, and climate. The rising number of huge expanding metropolises comes along with a spatial concentration of air pollution emission, which has consequences especially on the air quality of downwind rural regions. In this dissertation the urban plume of the megacity Paris has been investigated in the framework of the MEGAPOLI project, utilizing the mobile aerosol research laboratory MoLa. It is equipped with state-of-the-art instrumentation with high temporal resolution for the measurement of chemical composition and size distribution of aerosol particles and trace gases. Mobile measurement strategies have been developed and applied, that are especially suitable for the characterization of urban emissions. Cross section measurements through the urban plume as well as atmospheric background air masses allowed to describe the structure and homogeneity of the emission plume and to calculate the contribution of urban emissions to the total air pollution burden of the atmosphere. Quasi-Lagrangian radial measurements have been used for the exploration of the spatial extent of the plume as well as occurring transformation processes of the advected air pollutants. In combination with modeled data, the structure of the urban plume has been analyzed in detail. Flexible stationary measurements completed the data set and also allowed intercomparison measurements next to fixed measurement sites and other mobile laboratories. Data of one fixed measurement site have additionally been used to describe the aging of advected organic particulate matter. The analysis of the mobile measurement data required the development of a new method for the removal of local contamination from the data set. Furthermore, the potential, limitations and errors of the application of complex analysis tools for the estimation of the O/C-ratio of aerosol particles and the classification of organic matter have been investigated. A validation of several methods for the determination of air mass origin has also been necessary to perform. The detailed analysis of the Paris emission plume revealed that the urban plume can be identified by an enhancement of markers concentrations for fresh pollution compared to background values. Its rather homogeneous structure can be described by a Gaussian shape in the cross sectional profile with an exponential decrease of the fresh pollution concentrations with increasing distance to the city. This is mainly caused by turbulent mixing with surrounding air masses. It has been demonstrated that in the advected urban plume significant oxidation of the organic particulate matter takes place in summer, while in winter this process could not be detected during the performed measurements. In both seasons the plume is mainly composed of black carbon and organic matter in the PM1-size range, whereas traffic and cooking and, additionally, heating in the cold season are dominant sources. The PM1 concentrations have been increased on average by 30% (+1.3 µg m-3) in summer and 10% (+2.2 µg m-3) in winter. Particularly high concentrations have been recognized for polycyclic aromatic hydrocarbons, where in summer a mean increase of 194% (+8.8 ng m-3) and in winter of 131% (+18.1 ng m-3) has been observed. Seasonal differences have also been found for the particle size distribution of the emission plume, where in winter in contrast to summer no additional freshly nucleated small particles could be detected and only grown particles from condensation and coagulation processes with a size between about 10 nm and 200 nm occurred. The trace gas concentrations differed as well, because chemical reactions are depending on temperature and sometimes also radiation. MoLa has additionally been applied for mobile mapping of the air quality along the track from Germany to the Spanish Atlantic coast while driving to the measurement location of a stationary field campaign. The resulting data indicate that especially urban agglomerations are influenced by unprocessed air pollution, while long-range transported aged substances can affect every region. The investigation of the air quality at locations with different exposure to anthropogenic sources of air pollution extends this conclusion by the view on variation of air quality depending on meteorological conditions and distance to anthropogenic sources. Therewith it could be shown that the developed measurement strategies and analysis methods are not only useful for the investigation of a megacity emission plume but can also be applied to further scientific and environmental monitoring questions