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How clusters grow to particles
particle size distribution and growth rate measurements with a DMA-train
Dominik Stolzenburg
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Betreuer*in
Paul Winkler
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11570.61506.758768-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Neupartikelbildung durch Phasenübergange von Spurengasen zu flüssigen oder festen Partikeln
in der Atmosphäre ist ein globales Phänomen und der größte Beitrag zur Anzahlkonzentration
von Wolkenkondensationskeimen. Dieser Effekt beeinflusst folglich das globale Klima,
da die Lebensdauer und Albedo von Wolken durch die zur Verfügung stehende Menge von
Kondensationskeimen bestimmt werden. Die neu entstandenen molekularen Cluster müssen
schnell genug anwachsen, um nicht an vorhandene größere Aerosolpartikel verloren zu gehen.
Aktuelle Studien zeigen, dass nicht nur Schwefelsäure sondern auch organische Substanzen
mit biogenem oder anthropogenem Ursprung zu diesem frühen Wachstum beitragen. Es ist
jedoch nicht geklärt, wie die verschiedenen kondensierenden Moleküle miteinander interagieren
und wie externe Größen, wie Temperatur, diese Prozesse beeinflussen. Darüber hinaus ist
es noch für kein organisches System gelungen, das beobachteten Wachstum quantitativ mit
den gemessenen Konzentrationen von Gasphase-Molekülen in Übereinstimmung zu bringen.
In dieser Doktorarbeit wird die Entwicklung eines neuen Messinstruments zur Bestimmung
von Partikel Größenverteilungen im Bereich von weniger als 10nm vorgestellt. Dabei wird
bereits existierende Technologie in einem neuen parallelen Ansatz angewandt und damit eine
erhöhte Sensitivität für geringe Partikelkonzentrationen erreicht. Dieser sogenannte DMAtrain
liefert neue Einblicke in die Aerosoldynamik von ultrafeinen Partikeln und führt zur Entwicklung
einer neuen Analysemethode, die größen- und zeitaufgelöste Aerosolwachstumsraten
simultan bestimmen kann. Damit wird bei der Ozonolyse von zwei biogenen volatilen organischen
Substanzen gezeigt, dass insbesondere das Aerosolwachstum unterhalb von 10nm Größenabhängigkeiten
aufweist. In zwei weiteren Studien, beide durchgeführt am CERN CLOUD
Experiment, wird ein eindeutiger Effekt durch die gekrümmte Oberfläche der Partikel bestätigt:
Es wird gezeigt, dass hochoxidierte Moleküle aus der Ozonolyse des Monoterpens alpha-Pinen
bereits zum Kondensationswachstum molekularer Cluster beitragen. Jedoch nur mit zunehmender
Größe und abnehmender Kelvin-Barriere können auch weniger oxidierte Produkte
aufkondensieren, was die Wachstumsrate erhöht. Dieser Effekt wird in der Gegenwart von
Isopren noch zusätzlich verstärkt: Die Oxidations-Chemie von alpha-Pinen verändert sich und es
entstehen weniger Moleküle mit extrem niedrigem Sättigungsdampfdruck, die für das erste
Wachstum entscheidend sind. Darüber hinaus wird gezeigt, dass organisches Aerosolwachstum
über den weiten Temperaturbereich der Troposphäre von entscheidender Bedeutung sein
kann. In diesem Zusammenhang kann auch erstmals eine ausgeglichene Massenbilanz zwischen
Wachstumsmessungen und beobachteten Gasphasen-Konzentrationen gezogen werden.
Zusammenfassend demonstriert diese Arbeit, dass der DMA-train einige entscheidende Fragen
beantworten kann: Es wird gezeigt, warum in der Atmosphäre meist geringere Wachstumsraten
für kleinere Partikel beobachtet werden, warum es kaum Neupartikelbildung in Regionen
mit hohen Isopren Emission gibt und dass organische Moleküle auch bei sehr kalten Temperaturen
der oberen Troposphäre eine wichtige Rolle spielen.
Abstract
(Englisch)
New particle formation by gas-to-particle conversion is observed all over the globe. It is a
major contributor to cloud condensation nuclei concentrations and therefore impacts global
climate, as the lifetime and albedo of clouds are affected by the availability of cloud droplet
seeds. For a newly formed cluster containing only a few molecules, it is crucial that the
initial growth by further vapor addition is fast enough to prevent losses to larger background
aerosol. Recent studies have shown that not only sulfuric acid, but also organic molecules of
biogenic and anthropogenic origin can contribute to initial particle growth. However, it is still
under debate, how the different condensing vapors interact with each other and how external
conditions like temperature influence the role of organics. Moreover, complete mass balance
between observed gas-phase compounds and particle phase growth has yet to be demonstrated
for any organic system.
In this thesis, a new instrument, the DMA-train, for particle size distribution measurements in
the cluster-particle transition regime below 10nm is presented. It uses existing particle sizing
technology in a new parallel approach to overcome the problem of low measurable concentrations
of ultrafine particles and it therefore can investigate the dynamics of initial growth.
Moreover, this allows for the development of a new analysis method, providing size- and
time-resolved insights into the aerosol dynamics. The analysis method is applied to a chamber
experiment, where new particle formation from the ozonolysis products of two biogenic
volatile organic compounds is compared, revealing that particle growth rates below 10nm
show strong variations. A clear curvature effect is identified in two additional studies, using
the CLOUD experiment at CERN. It is shown that some highly oxygenated molecules from
the ozonolysis of the monoterpene alpha-pinene are already able to condense onto the smallest
molecular clusters. However, only with increasing particle size and a reduced Kelvin-barrier,
more and more less oxygenated products can contribute, increasing the particle growth rate.
This is further enhanced in the presence of isoprene, where the oxidation chemistry of alpha-
pinene is altered leading to less products with extremely low volatility, suppressing initial
but not later growth. On the other hand, it is found that organics do play a decisive role
over a wide range of temperatures. The volatility of all oxidation products is strongly reduced
at cold temperatures counterbalancing the slower chemical reaction rates. Moreover,
mass balance between sensitive gas-phase measurements and precision particle growth rates
is demonstrated in an aerosol growth model.
In summary, this thesis shows that the DMA-train can help resolving some long debated
topics: It indicates why particle growth rates in the atmosphere accelerate with increasing
size, why new particle formation is rarely observed in isoprene-rich environments like the
Amazon and that organics are still important for new particle formation at high altitudes,
e.g. in the outflow regions of deep convective clouds.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
aerosols new particle formation differential mobility analyzer organic aerosol
Schlagwörter
(Deutsch)
Aerosole Neupartikelbildung Differnetieller Mobilitäts Anlysator organisches Aerosol
Autor*innen
Dominik Stolzenburg
Haupttitel (Englisch)
How clusters grow to particles
Hauptuntertitel (Englisch)
particle size distribution and growth rate measurements with a DMA-train
Paralleltitel (Deutsch)
Partikelgrößenverteilungs- und Wachstumsraten : Messungen mit einem DMA-train
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
157 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Paul Winkler
AC Nummer
AC15110361
Utheses ID
47216
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |