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Cloud condensation nuclei (CCN) activity of extracts from selected wind pollinated plants

Sebastian Sonnenberg

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Physik

Betreuer*in

Julia Burkart

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DOI

10.25365/thesis.70321

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-11201.63414.440136-9

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Aerosolpartikel in the Atmosphäre können als sogenannte Kondensationskeime (im Englischen Cloud Condensation Nuclei, kurz CCN) fungieren. Damit haben sie einen enormen Einfluss auf die Entwicklung von Wolken und folglich auf die Strahlungsbilanz unseres Planeten (Seinfeld and Spyros (2006), Lohmann and Feichter (2005)). Die wichtigsten Paremeter, welche die CCN-Fahigkeit eines Partikels festlegen, sind dessen Größe, chemische Zusammenzetzung und die aktuelle Ubersättigung in der Atmosphäre. Große Partikel, welche eine Menge an hydrophilen Substanzen beinhalten, sind die effektivsten CCN. In den letzten Jahrzehnten wurde der Partikelfraktion mit biologischen Ursprung mehr Beachtung geschenkt, insbesondere aufgrund deren Einfluss auf die menschliche Gesundheit und den grossen Unsicherheiten bezüglich deren gemessenen Massen- und Anzahlkonzentration in der Atmosphäre (Despres et al. (2012), Andreae and Rosenfeld (2008)). Während der Blütezeit werden von verschiedenen Pflanzenarten Pollen in großen Mengen ausgesendet um andere Pflanzen zu befruchten und die Produktion von neuen Samen einzuleiten. In Regionen wo der Bestäubungsprozess hauptsächlich anemophilen Charakter hat können Pollenkörner lange Strecken in der Luft zurücklegen und somit ist es ihnen möglich an verschiedensten atmosphärischen Prozessen teilnehmen. Dies erlaubt es ihnen auf das Klimasystem der Erde einzuwirken. Ganze Pollenkörner haben die Fähigkeit Wasser auf ihrer Oberfläche zu kondensieren, was bereits zuvor erwiesen wurde (Pope (2010)). Pollenkörner, deren Größe 10 µm - 100 µm beträgt, deuten allerdings auf eine kurze Verweildauer in der Luft, wodurch sie keinen signifikanten Beitrag zur globalen atmosphärischen CCN Konzentration erbringen. In Zeiten von hoher Luftfeuchtigkeit können ganze Pollenkörner durch einen Prozess, den man Osmotischen Schock nennt zerreissen und zytoplasmatisches Material aus ihrem Inneren herausstoßen (Steiner et al. (2015), Miguel et al. (2006), Taylor et al. (2004), Taylor et al. (2002)). Viele Pollenkörner, hauptsächlich jene, die von anemophilen Pflanzen produziert werden, besitzen unlösliche Stärkekörner in ihren vegetativen Zellen (Baker and Baker (1979)), welche mitsamt löslichem zytoplasmatischen Material während des Zerreissens ausgestoßen werden. Diese Stärkekörner werden im Englischen als sogenannte Subpollen Submicron Particles (SPP) bezeichnet (Steiner et al. (2015)). Kleiner als die ganzen Pollenkörner und beschichtet mit dem löslichen zytoplasmatischem Material, könnten diese Partikel einen wesentlichen Einfluss auf regionale CCN Konzentrationen haben, falls die Anzahl an produzierten Pollenkörner hoch genug ist. Das Ziel dieser Studie ist die Analyse der CCN Aktivität der löslichen zytoplasmatichen Materialfraktion, welche von 6 verschiedenen Pollenarten extrahiert wurde. Die Namen dieser 6 Pollenarten lauten Betula pendula (Birch), Phleum pratense (Timothy grass), Poa pratensis (blue grass), Corylus avellana (Hazel), Artemisia vulgaris (Mugwort) and Ambrosia artemisiifolia (Ragweed). Die veröffentlichte Masterarbeit von Gratzl (2020) beschreibt den detaillierten Prozess wie das zytoplasmatische Material aus einem Pollenkorn extrahiert wird und die anschließende Trennung zwischen den unlöslichen Stärkekörner und dem löslichen zytoplasmatischen Material. Beide wurden dann anschließend als Probelösungen für weitere Messungen vorbereitet. Meine Arbeit legt den Fokus auf die Bestimmung der CCN Fähigkeit der löslichen zytoplasmatischen Substanz und untersucht ob die durch einen Zerstäuber generierten Teilchen dieses Materials unter atmosphärischen Bedingungen als Kondensationskeime fungieren können und ob sie einen Einfluss auf die Bildung von Wolken haben könnten. Bei der Durchfürung des experimentellen Teils diese Arbeit wurde ein sogenannten Cloud 4 Condensation Nuclei Counter (CCNC) von Droplet Measurement Technologies verwendet. Dieser misst die Anzahl der ankommenden Partikel welche bei einer bestimmten eingestellten Ubersättigung zu Wolkentröpfchen anwachsen können (Rose et al. (2008), Roberts and Nenes (2005)). Der erste Teil des Experiments beinhaltet die Kalibrierung des CCNC mit (NH4)2SO4 Partikeln. Dadurch kann die Beziehung zwischen dem Temperaturgradienten, welche für die Generierung der eingestellten Ubersättigung im CCNC verantwortlich ist und der sogenannten effektiven Ubersättigung SSeff gefunden werden. SSeff ist die wirksame Ubersättigung in der CCNC Kammer, welche zu deren jeweiligen Temperaturgradienten korrespondiert. Sie ist definiert als jene Ubersättigung bei der 50% der ankommenden Probepartikel aktivieren können falls deren trockene Größe mindestens einen kritischen Wert Ds,crit erreicht haben. Im zweiten Teil des Experimentes werden Aktivierungskurven von den 6 Zytoplasma Probelösungen gemessen. Dies findet jeweils mit der D-Scan und S-Scan Methode statt. Durch Verwendung der klassischen Köhlertheorie koennen wir aus jeder D-Scan Aktivierungskurve einen kritischen Trockendurchmesser Ds,crit berechnen. Mit Hilfe des к - Köhler Modells können wir die Kondensationsfähigkeit dieser Proben durch einen einzelnen Hygroskopizit¨tsparameter κ festlegen (Petters and Kreidenweis (2007)). Die κ Ergebnisse fuer (NH4)2SO4 liegen auf einem konstanten Wert von 0.73 während die Ergebnisse für die Zytoplasma Proben im Intervall 0.1 - 0.2 liegen. Auf der niedrigsten gemessenen effektiven Uebersättigung SSeff weist die Poa Probe mit einem κ Wert von 0.2 die höchste Affinität zu Wasser auf während Artemisia mit einem Wert von 0.13 den niedrigsten hydrophilen Charakter aufweist. к Werte im Intervall 0.1 - 0.4 korrespondieren zu einer moderaten Hygroskopizität. Dies ist aufgrund dem Vorhandensein von organischen Komponenten zurückzuführen (Petters and Kreidenweis (2007)). Die kleine Größenregion (<200nm) von den Probepartikel und deren Fähigkeit zur CCN Aktivierung bei Uebersättigungen typisch für atmosphärische Wolken (<1%) zeigen, dass das zytoplasmatische Material in Teilchenform die Entwicklung und Eigenschaften von Wolken beinflussen kann. Jedoch kommt die Stärke dieses Einflusses auf deren Anzahlkonzentration an. Wenn man die κ Ergebnisse der Proben mit den κ Werten von ganzen Pollenkörnern, welche im Bereich 0.05 - 0.1 (Pope (2010)) liegen vergleicht, dann sieht man die stärkere Wasseraffinität des löslichen zytoplasmatischen Materials. Die wichtisten Komponenten des zytoplasmatischen Materials von Pollen sind Proteine und Polysaccharide, letztere werden hauptsächlich durch Stärke vertreten. Die geringe Größe von Subpollen Submicron Particles und die moderate Hygroskopizität des zytoplasmatischen Materials machen deren Kombination eine potentielle zusätzliche Quelle an organischem CCN in Regionen wo der Bestäubungsprozess hauptsächlich durch Wind verursacht wird (Steiner et al. (2015), Despres et al. (2012)).

Abstract

(Englisch)

Atmospheric aerosol particles serving as Cloud Condensation Nuclei (CCN) have a significant influence on the formation of clouds and thus on the radiative balance of the planet (Seinfeld and Spyros (2006), Lohmann and Feichter (2005)). The crucial parameters that determine a particle’s CCN activation and droplet growth are it’s size, it’s chemical composition and the current supersaturation level in the atmosphere. Particles with large sizes and chemical com pounds that favour the uptake of water are the most effective CCN. In the recent decades the biological fraction of the atmospheric aerosol population has received more attention in environmental studies due to their impact on human health and the large un certainties regarding their atmospheric number and mass concentrations (Despres et al. (2012), Andreae and Rosenfeld (2008)).During the blooming season of flowers pollen grains are emitted in large quantities by various species for the purpose of fertilizing other plants to induce the growth of new seeds. In regions where the majority of pollination processes are anemophilous, pollen can travel long distances through the air and thus take part in atmospheric processes which influence the earth’s climate system. Whole pollen grains have already showcased the ability act as CCN and enable the condensation of water (Pope (2010)) but their large size (10µm - 100µm) indicates a short residence time in the air, making them unable to bring any significant contribution to the atmospheric CCN concentration. During conditions of high moisture pollen grains can rupture due to a process defined as os motic shock and emit cytoplasm content from it’s vegetative cell (Steiner et al. (2015), Miguel et al. (2006), Taylor et al. (2004), Taylor et al. (2002)). Many pollen grains, mainly those emitted by anemophilous plants contain unsoluble starch granules inside their cell (Baker and Baker (1979)) which are released alongside more soluble cytoplasm compounds during this pro cess. These starch granules are commonly reffered to as Subpollen Submicron Particles (SPP) (Steiner et al. (2015)). Smaller in size and coated in soluble cytoplasm material these particles could make a significant contribution to regional atmospheric CCN concentrations if the num ber of emitted pollen grains are sufficiently high. The goal of this study is to analyze the CCN activity of of the soluble organic cytoplasm material extracted from 5 different wind-pollinated plant species. The method developed in the published master thesis of Gratzl (2020) describes the detailed process of extracting the cytoplasm content from a pollen grain and seperate the soluble cytoplasm compounds from the unsoluble starch granules before preparing both as sam ple solutions for further measurements. This work focuses on determining the CCN ability of the soluble cytoplasm fraction and to determine if atomized cytoplasm fragments can activate under atmospheric conditions and wheter they can have an impact on the formation of clouds. The experimental setup for this work constitutes the Cloud Condensation Nuclei Counter (CCNC) with a continuous flow from Droplet Measurement Technologies which measures the number of incoming particles that activate and grow into cloud droplets (Rose et al. (2008), Roberts and Nenes (2005)). The first part of the experiment involves calibrating the CCNC with an aquaous dilute solution of (NH4)SO2. This determines the relationship between the temperature gradient established in the CCNC and the effective supersaturation SSef f , the true supersaturation that corresponds to said temperature gradient where 50% of incoming sample particles activate into cloud droplets if they reach a certain critical dry size Ds,crit. The second part involves recording activation spectra of the 5 cytoplasm sample solutions using both the D-Scan and S-Scan method of measuring an activation curve. By using the classical Koehler model, from each activation curve a critical dry diameter can be 6 derived, indicating the size where 50% of all particles entering the CCN can activate and grow into cloud droplet. Using the κ - Koehler model the condensation activity of these samples can be determined through the hygroscopicity parameter κ (Petters and Kreidenweis (2007)). κ values for (NH4)SO2 measurements stay at a constant value of 0.73 while values for the cyto plasm samples vary all lie within the range of 0.1 - 0.2. At the lowest effective supersaturation the Poa samples show the highest hygroscopicity with a κ value of 0.2 while Artemisia show cases the lowest with a value of 0.13.. Values in the range of 0.1 - 0.4 for κ indicate moderate condensation activity due to the presence of organic constituents (Petters and Kreidenweis (2007)). Given their low size (<200nm) and their ability to activate at supersaturations typical for clouds (<1%) these cytoplasm fragments can impact cloud formation processes, depending on their number concentrations which can vary greatly regionally. When compared with the κ results of whole pollen grains which lie in the range 0.05 - 0.1 (Pope (2010)) the cytoplasm samples showcase a stronger water affinity. The main components of pollen cytoplasm are proteins and polysaccharides, the latter mainly being represented by unsoluble starch. The smaller size of Subpollen Particles, which increases their time in the atmosphere and the moderate water affinity of pollen cytoplasm makes their combination a potential source of additional organic CCN in regions where pollination is predominantly occuring through wind updrafts (Steiner et al. (2015), Despres et al. (2012)).

Autor*innen

Sebastian Sonnenberg

Haupttitel (Englisch)

Cloud condensation nuclei (CCN) activity of extracts from selected wind pollinated plants

Paralleltitel (Deutsch)

Kondensationsaktivität von Pollen-Material, welches durch anemophile Pflanzenarten ausgestoßen wird

Publikationsjahr

2021

Umfangsangabe

70 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Julia Burkart

Klassifikation

33 Physik > 33.99 Physik: Sonstiges

AC Nummer

AC16470218

Utheses ID

60423

Studienkennzahl

UA | 066 | 876 | |

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