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Characterization of the airborne aerosol inlets used during the A-LIFE field experiment
Manuel Schöberl
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Bernadett Weinzierl
DOI
10.25365/thesis.56809
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17276.12874.416570-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Eine der Hauptmotivationen des A-LIFE Projekts ist, Unsicherheiten in Abschätzungen des Strahlungsantriebs von absorbierenden Aerosolen zu minimieren. Dafür wurden mit einem Messflugzeug in Zypern im April 2017 Daten gesammelt. Um über dem Mittelmeer verschiedenste Eigenschaften des Aerosols zu messen, wurden viele In-situ Messinstrumente in das DLR-Forschungsflugzeug Falcon eingebaut.
Um das Aerosol zu den Instrumenten zu transportieren, wurden der isokinetische und der seitwärtige Einlass des Forschungsflugzeugs Falcon verwendet. Die Einlässe verursachen einen größenabhängigen Verlust an Aerosolpartikeln. Dieser Verlust kann eventuell zu Abweichungen zwischen den gemessenen Eigenschaften und den „wirklichen“ Eigenschaften des Aerosols führen. Für eine korrekte Interpretation der gesammelten Daten ist eine Charakterisierung dieser Einlässe und ihrer Partikelverluste wichtig. Neben den zuvor erwähnten Einlässen wurde außerdem der Einlass eines Messinstruments, das sich in der Kabine des Flugzeugs befindet, charakterisiert. Der Cloud Condensation Nuclei Counter, kurz CCNC, detektiert Wolkenkondensationskerne in der Atmosphäre. Damit die Messung erfolgen kann, wird ein konstanter Druck im Messinstrument benötigt. Um diesen zu gewährleisten, wurden zwei verschiedene kritische Düsen in den Aerosolfluss eingebaut.
Für die Charakterisierung des isokinetischen und des seitwärtigen Einlasses wurden der Cutoff-Durchmesser D50 und die dazugehörige Stokeszahl Stk50 bei verschiedenen Flughöhen berechnet. Der Cutoff-Durchmesser D50 ist ein wichtiger Parameter in der Wissenschaft der Aerosolphysik und bezeichnet den Partikeldurchmesser, bei dem die Zähleffizienz 50% beträgt, das heißt 50% der Partikel mit dieser Größe werden mit dem Aerosoleinlass erfasst. Die Cutoff-Durchmesser wurden als Funktion der Flughöhe bis 9,5 km berechnet. Auf einer Höhe von 500 m beträgt der Cutoff-Durchmesser des isokinetischen Einlasses um die 2,4 µm und sinkt auf 1,6 µm bei 9,5 km Flughöhe. Der Cutoff-Durchmesser des Seitwärtseinlass beträgt auf 500 m Flughöhe 450 nm und nimmt auf 9,5 km auf bis zu 200 nm ab. Die Berechnungen für den isokinetischen Einlass wurden mit Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Die Charakterisierung des seitlichen Einlasses wurde erstmals systematisch durchgeführt.
Für den Einlass des CCNC gibt diese Arbeit die größenabhängige Transmissionseffizienz der beiden kritischen Düsen. Die Transmissionseffizienz ist für einen Größenbereich von 300 nm bis 1 µm dargestellt. Diese Resultate können zur Korrektur der gemessenen Konzentrationen des CCNC verwendet werden.
Letztendlich quantifiziert diese Arbeit Unsicherheiten im Zusammenhang mit dem Aerosolmesssystem des Forschungsflugzeugs während des A-LIFE Projekts. Die Resultate der Charakterisierungen tragen maßgeblich dazu bei, dass eine höhere Genauigkeit in der finalen Phase der Datenanalyse des Projekts erzielt werden kann. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Partikelverluste der verschiedenen Einlässe zu einer verzerrten Aerosolmessung führen und eine Korrektur dieser notwendig ist.
Abstract
(Englisch)
Understanding mixtures of absorbing aerosol and reducing uncertainties in estimates of radiative forcing of absorbing aerosols is one of the main motivations behind the A-LIFE project. The aircraft measuring campaign to collect data for this project took place in Cyprus in April 2017. An extensive payload of aerosol in-situ instruments was integrated in the DLR research aircraft Falcon to measure different properties of aerosol particles throughout the tropospheric column in the Eastern Mediterranean.
To transport the aerosol particles to the instruments, the isokinetic and sideward aerosol inlets of the Falcon were used. The inlets cause a size-dependent loss of the aerosol particles, potentially leading to significant discrepancies between the observations and the “real” aerosol properties. Therefore, proper interpretation of the data requires careful characterization of the losses at the inlets. Beside the previous mentioned inlets, a characterization of the inlet of an in-cabin instrument detecting cloud condensation nuclei (CCNC), the Cloud Condensation Nuclei Counter (CCNC), is important. This inlet provides a constant pressure for the CCNC measurements. For this purpose, a Constant Pressure System (CPS) was implemented and two different orifices were used to achieve constant pressure in the CCNC.
For the characterization of the isokinetic and the sideward inlet, the cutoff-diameters D50 and the corresponding Stokes number Stk50 were calculated for different altitudes. The cutoff-diameter D50 is an important parameter in aerosol science and designates the particle diameter with 50% sampling efficiency, i.e. 50% of the particles pass the inlet. In this thesis work, the cutoff-diameters were calculated as a function of altitude up to 9.5 km. At an altitude of 500 m the cutoff-diameter of the isokinetic inlet is about 2.4 µm, decreasing to about 1.6 µm at an altitude of 9.5 km. The cutoff-diameter of the sideward inlet at an altitude of 500 m is around 450 nm. At an altitude of 9.5 km, the cutoff-diameter decreases to 200 nm. The calculations for the isokinetic inlet were compared against results from the literature. The characterization of the sideward inlet has been done systematically for the first time.
For the CCNC inlet, a transmission efficiency was derived for both orifices. The transmission efficiency is shown for a particle size range from 300 nm to 1 µm. These results can be used for a correction of the CCN number concentration measured by the CCNC.
Ultimately, this study quantifies uncertainties associated with the aerosol sampling system used during the A-LIFE field experiment. The results of this thesis work will add another level of precision and accuracy to the final data analysis of the project. It is clearly shown in this thesis that particle losses due to the different inlets lead to a distortion of the measurements and appropriate corrections are imperative.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
aerosol airborne aerosol inlets characterization
Schlagwörter
(Deutsch)
Aerosol Einlässe Charakterisierung
Autor*innen
Manuel Schöberl
Haupttitel (Englisch)
Characterization of the airborne aerosol inlets used during the A-LIFE field experiment
Paralleltitel (Deutsch)
Charakterisierung der verwendeten Aerosoleinlässe des Forschungsflugzeugs während dem A-LIFE Projekt
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
viii, 66 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karte
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Bernadett Weinzierl
Klassifikation
33 Physik > 33.99 Physik: Sonstiges
AC Nummer
AC15537883
Utheses ID
50181
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |