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The influence of wind speed and sea surface temperature on sea spray aerosol concentration during the AEROMMA campaign
Sophie Katharina Scharinger
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Bernadett Weinzierl
Mitbetreuer*in
Agnieszka Straus
DOI
10.25365/thesis.79048
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25472.47279.631340-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Sea Spray Aerosol (SSA), Aerosol jeglicher Zusammensetzung das als Tröpfchen an der Meeresoberfläche emittiert wird, bildet der Masse nach das meist-emittierte Aerosol in unserer Atmosphäre. SSA ist verantwortlich für den Großteil der Strahlungsstreuung in der marinen Atmosphäre und trägt maßgeblich zur Population von Wolkenkondensationskernen über abgelegenen Meeresgebieten bei. Folglich ist das Verständnis der Menge und Eigenschaften von SSA von entscheidender Bedeutung, um die Auswirkungen von Aerosolen auf unser Klima zu quantifizieren. Die wichtigsten bekannten Parameter von SSA Produktion sind Windgeschwindigkeit und die Temperatur der Meeresoberfläche. Allerdings sind die Auswirkungen von Windgeschwindigkeit und Meeresoberflächentemperatur auf SSA Konzentration, Größenverteilung und Eigenschaften noch nicht vollständig erforscht. Die Flugzeuggestützte ‚Atmospheric Emissions and Reactions Observed from Megacities to Marine Areas‘ (AEROMMA) Kampagne wurde zwischen Mai und August 2023 an Bord des NASA DC-8 Flugzeugs durchgeführt. Vier Forschungsflüge dieser Kampagne, die zwischen 16. und 23. Juni geflogen wurden, dienten der Erforschung der marinen Grenzschicht über dem Pazifik vor der kalifornischen Küste. Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit Aerosolmessungen in der marinen Grenzschicht während dieser marinen Flüge, wobei der Schwerpunkt auf SSA und seiner Abhängigkeit von Windgeschwindigkeiten bis zu 31 m/s und Meeresoberflächentemperaturen zwischen 283 und 295 K liegt. Die primäre Datenquelle für diese Arbeit ist das ‚Cloud, Aerosol, and Precipitation Spectrometer‘ der Universität Wien (UNIVIE-CAPS), welches unter der Flügelspitze des NASA DC-8 Flugzeugs installiert war und Aerosolpartikel mit Durchmessern zwischen 0.5 und 930 µm gemessen hat. Die Meeresoberflächentemperature wurde vom ‚Scanning High-resolution Interferometer Sounder‘ (S-HIS) gemessen und bereitgestellt. Weiters wurden Daten zur chemischen Zusammensetzung von Aerosolpartikeln mit Durchmessern zwischen 0.5 und 4 µm analysiert, die vom ‚Particle Analysis by Laser Mass Spectrometry‘ (PALMS) Instrument aufgezeichnet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass Aerosolpartikel mit Durchmessern zwischen 1.5 und 4 µm in der marinen Grenzschicht überwiegend aus Seesalz, der Hauptkomponente von SSA, bestehen. Die Zusammensetzung von Aerosolpartikel im Größenbereich von 0.5–1.5 µm hingegen wurde signifikant beeinflusst von Partikeln aus Biomasseverbrennung und organischen sowie Sulfat- und Nitratpartikeln. Basierend auf vorangegangenen Studien wurde ein Anstieg an SSA Anzahlkonzentration mit steigender Windgeschwindigkeit und Meeresoberflächentemperatur erwartet. Die gemessene Anzahlkonzentration von SSA fällt in die Bandbreite, welche die Fachliteratur angibt. Bei Windgeschwindigkeiten > 10 m/s ist die SSA Anzahlkonzentration höher als bei Windgeschwindigkeiten < 10 m/s, allerdings zeigt sie keine konsistente positive Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit. Die erhöhten Anzahlkonzentrationen bei Windgeschwindigkeiten > 10 m/s sind auch in den Größenverteilungen erkennbar. Weiters wurde kein Effekt von Meeresoberflächentemperatur auf die SSA Anzahlkonzentration festgestellt, was möglicherweise zum Teil der geringen Variation von Meeresoberflächentemperatur während der Messungen zuzuschreiben ist, die zwischen 283 und 295 K schwankte. Bei einem der Forschungsflüge wurde eine unerwartete Reduktion von SSA Anzahlkonzentration mit steigender Windgeschwindigkeit beobachtet. Mit dem HYSPLIT-Modell berechnete Trajektorien indizieren, dass die betreffenden Daten an einer Grenzschicht zwischen zwei unterschiedlichen Luftmassen gemessen wurde.
Abstract
(Englisch)
Sea spray aerosol (SSA), aerosol of any composition emitted as droplets at the ocean surface, accounts for about 70% to the total aerosol mass emitted into the atmosphere every year. SSA is responsible for the majority of scattering in the marine atmosphere and contributes significantly to the cloud condensation nuclei population over the remote ocean. Consequently, understanding the abundance and properties of SSA is critical in order to quantify the effect that aerosols have on our climate. The main known parameters for SSA production are wind speed and sea surface temperature (SST). However, the effect of wind speed and SST on SSA concentration, size distribution and properties are not yet well constrained. The aircraft-based Atmospheric Emissions and Reactions Observed from Megacities to Marine Areas (AEROMMA) campaign was conducted onboard the NASA DC-8 aircraft between May and August 2023 out of Palmdale, California and Dayton, Ohio. Four research flights of this campaign, which took place between June 16th and June 23rd, sampled the marine boundary layer above the Pacific Ocean off the coast of California. This thesis analyzes aerosol measurements acquired during the marine flights of the AEROMMA campaign, focusing on SSA and its dependence on wind speeds up to 31 m/s and sea surface temperatures between 283 and 295 K. The primary data source for this thesis is the University of Vienna’s Cloud, Aerosol, and Precipitation Spectrometer (UNIVIE-CAPS), which was installed under the wingtip of the NASA DC-8 research aircraft and measured aerosol particles between 0.5 and 930 µm. Data on sea surface temperature was provided by the Scanning High-resolution Interferometer Sounder (S-HIS). Furthermore, size-resolved particle composition data in an ambient diameter range of 0.5–4 µm from the Particle Analysis by Laser Mass Spectrometry (PALMS) instrument was used in the analysis. Results show that the aerosol particles with ambient diameters between 1.5 and 4 µm measured in the marine boundary layer were mostly sea salt, which is the primary component of SSA. In contrast, the aerosol composition in the size range of 0.5–1.5 µm was influenced significantly by biomass burning and sulfate, organic and nitrate particles. Based on previous studies, an increase in SSA concentration with increasing wind speed and increasing SST is expected. While the amount of SSA particles measured falls into the broad range reported in literature and is higher at wind speeds > 10 m/s than at windspeeds < 10 m/s, it shows no consistent positive dependence on wind speeds. The increased SSA number concentrations at wind speeds above 10 m/s are also reflected in the total particle number size distribution. No effect of SST on SSA concentrations could be identified in this study, which may partly be due to a narrow range of SST which only varied between 283 and 295 K. During one flight, an unexpected decrease in SSA number concentration with wind speed was observed. Back trajectories calculated with the HYSPLIT model indicate that the measurements during that period were sampled at the boundary between two distinct airmasses.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Aerosolphysik Seesalzaerosol
Schlagwörter
(Englisch)
Sea Spray Aerosol Atmospheric Aerosol Physics
Autor*innen
Sophie Katharina Scharinger
Haupttitel (Englisch)
The influence of wind speed and sea surface temperature on sea spray aerosol concentration during the AEROMMA campaign
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
X, 67 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Bernadett Weinzierl
Klassifikation
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
AC Nummer
AC17617110
Utheses ID
77061
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |