Das hygroskopische Verhalten biogener sekundärer organischer Aerosolpartikel

In der vorliegenden Arbeit wurde das hygroskopische Wachstum sowie das Aktivierungsverhalten von biogenen sekundären organischen Aerosolpartikeln (SOA) betrachtet. Ziel der Arbeit war es, für verschiedene Arten von SOA eine rechnerische Schließung der hygroskopischen Wachstumsfaktoren, für den Bereich von relativen Feuchten > 90 %, sowie dem Aktivierungspunkt zu Wolkentropfen, mittels der Köhlergleichung zu erreichen. Betrachtet wurden SOA-Partikel, welche über dunkle Ozonolyse (ohne Vorhandensein von Licht) sowie Photolyse von alpha-Pinen in Laborversuchen, unter Variation der Reaktionsbedingungen, gebildet wurden. Mit zwei Messgeräten – dem High Humidity Tandem Differential Mobility Analyzer (HHTDMA) und dem Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (LACIS) – wurde das hygroskopische Wachstum bei relativen Feuchten von 80 % bis 99,4 % untersucht. Die kritische Übersättigung im Aktivierungspunkt der Partikel zu Wolkentropfen wurde mit einem Cloud Condensation Nuclei Counter (CCNC) bestimmt. Weiterhin kam zur chemischen Charakterisierung der verschiedenen SOA-Arten ein Aerosol-Massenspektrometer (AMS) zum Einsatz. Die experimentellen Arbeiten hierzu wurden am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung durchgeführt. Anhand von Schließungsrechnungen konnte für alle in der vorliegenden Arbeit untersuchten SOA-Arten gezeigt werden, dass der Hygroskopizitätsparameter kappa aus der kappa-Köhlertheorie mit zunehmender relativer Feuchte variiert. So nahm mit zunehmender relativer Feuchte zunächst ab und stieg, nach Erreichen eines Minimums bei Werten von etwa 96 – 98 % relativer Feuchte, anschließend steil an. Dabei zeigte sich dieser Kurvenverlauf abhängig von den Reaktionsbedingungen bei der Bildung der SOA-Partikel. Der Hygroskopizitätsparameter konnte dabei mit einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Funktion für alle hier untersuchten SOA-Arten beschrieben werden. In einem letzten Schritt wurde diese Funktion zur Beschreibung von mittels der O/C-Verhältnisse, welche aus den AMS-Messungen ermittelt wurden, parametrisiert. Somit konnten die gemessenen Werte der verschiedenen SOA-Arten besonders für relative Feuchten nahe dem Aktivierungspunkt erfolgreich beschrieben werden

The formation, properties and impact of secondary organic aerosol: current and emerging issues

Secondary organic aerosol (SOA) accounts for a significant fraction of ambient tropospheric aerosol and a detailed knowledge of the formation, properties and transformation of SOA is therefore required to evaluate its impact on atmospheric processes, climate and human health. The chemical and physical processes associated with SOA formation are complex and varied, and, despite considerable progress in recent years, a quantitative and predictive understanding of SOA formation does not exist and therefore represents a major research challenge in atmospheric science. This review begins with an update on the current state of knowledge on the global SOA budget and is followed by an overview of the atmospheric degradation mechanisms for SOA precursors, gas-particle partitioning theory and the analytical techniques used to determine the chemical composition of SOA. A survey of recent laboratory, field and modeling studies is also presented. The following topical and emerging issues are highlighted and discussed in detail: molecular characterization of biogenic SOA constituents, condensed phase reactions and oligomerization, the interaction of atmospheric organic components with sulfuric acid, the chemical and photochemical processing of organics in the atmospheric aqueous phase, aerosol formation from real plant emissions, interaction of atmospheric organic components with water, thermodynamics and mixtures in atmospheric models. Finally, the major challenges ahead in laboratory, field and modeling studies of SOA are discussed and recommendations for future research directions are proposed

Secondary organic aerosol in the pristine Amazonian atmosphere: chemical properties, formation pathways, and interactions with clouds

The Amazon basin serves as one of the largest ecosystems, providing remote and mostly natural conditions. In this context, airborne measurements were conducted in the scope of a field campaign above the Amazon rainforest at altitudes up to 14 km. Quantitative chemical composition measurements of out-of-cloud aerosol particles as well as of cloud particle residuals (CPR) in the size range of 40 - 800nm were analysed in this thesis. The in-situ data were obtained using a compact time-of-flight aerosol mass spectrometer (C-ToF-AMS). Besides the chemical composition of submicron aerosol, the focus is on secondary organic aerosol (SOA) and different formation pathways of SOA occurring in the Amazonian atmosphere. The out-of-cloud aerosol consist at all altitudes predominantly of organics. The highest aerosol mass concentrations were found in the lower troposphere (0.1 - 4.5 km, LT) decreasing at higher altitudes. However, organic and nitrate mass concentrations show enhanced values in the upper troposphere (8 -14 km, UT). The organic aerosol was mainly oxidized in the LT, whereas a lower oxidation state was found for the organics measured in the UT. These findings are explained by SOA formation in the UT and supported by aerosol size distribution measurements. One significant contributor to the organic aerosol composition in the LT (10 %) as well as in the UT (20 %) was identified as isoprene epoxydiol secondary organic aerosol (IEPOX-SOA). A ubiquitous occurrence of IEPOX-SOA was found at all altitudes and can be explained with the abundance of isoprene, the precursor gas of this compound emitted by vegetation. The formation pathway of IEPOX-SOA depends on the aerosol acidity as the condensation of gaseous IEPOX is favoured on acidic surfaces. Indeed, the aerosol particles observed in the UT were acidic. The increased values of nitrate suggest that the acidic conditions can be provided not only by sulfate but also by nitrate resulting in the formation of organic nitrates. Taken together, the formation of SOA is an important process in the Amazonian atmosphere affecting the aerosol properties at low and high altitudes. For the first time, airborne measurements of a C-ToF-AMS coupled with the aircraft inlet system HALO counterflow virtual impactor (HALO-CVI) were conducted during the same field campaign at altitudes up to 14 km allowing the investigation of CPR especially in the UT. The measurements were obtained in liquid and ice clouds. The CPR sampled in liquid clouds consist mainly of organics (70 %), whereas the inorganics are dominated by sulfate. In contrast, organics contribute up to 95 % to the ice cloud residuals. Whereas the CPR of liquid clouds consist of oxidized, most likely secondary organic matter, the ice residuals consist of primarily emitted hydrocarbon-like organic aerosol (HOA). It seems that the HOA-containing CPR in the UT acted as ice nucleating particles (INP), while the CPR consisting of oxidized organic aerosol (OOA), sulfate and nitrate are activated in the LT as cloud condensation nuclei (CCN) and removed by wet deposition. The freezing process in the observed ice clouds appears to be dominated by heterogeneous freezing induced by vertically transported HOA-containing particles and thus affecting aerosol-cloud-interactions. This study offers valuable insights into formation processes of SOA in the pristine Amazonian atmosphere regarding IEPOX-SOA and organic nitrates, as well as provides new findings of the composition of CPR in the tropical upper troposphere.Das Amazonasgebiet stellt eines der auf der Erde nur noch wenig verfügbaren unberührten Naturgegenden dar, die eine Untersuchung der vorindustriellen Atmosphäre ermöglichen. Flugzeuggetragene Messungen wurden in verschiedenen Höhen bis zu 14 km durchgeführt und erlauben unter anderem einen näheren Einblick in die Aerosolzusammensetzung der Atmosphäre über dem Amazonasgebiet. Ziel dieser Arbeit ist die quantitative Analyse der chemischen Zusammensetzung sowohl von Aerosolpartikeln, die außerhalb von Wolken gemessen wurden, als auch von Wolkenresidualpartikeln. Mittels eines Aerosolmassenspektrometers wurden die Messungen in-situ durchgeführt. Neben der chemischen Zusammensetzung liegt der Fokus dieser Arbeit auf sekundär gebildeten organischem Aerosol (SOA) und verschiedenen Entstehungsmechanismen von SOA, die in der Atmosphäre über dem Amazonasgebiet auftreten. Das Aerosol außerhalb von Wolken besteht in allen vermessenen Höhen hauptsächlich aus organischem Material. Die höchsten Massenkonzentrationen wurden in der unteren Troposphäre (0.1 - 4.5 km) gemessen und nehmen mit steigender Höhe ab. Allerdings zeigen sowohl die Organik- als auch die Nitratmassenkonzentrationen eine Zunahme in der oberen Troposphäre (8 – 14 km). Die Oxidationsstufe der organischer Aerosole in der unteren Troposphäre ist deutlich höher als die der organischen Aerosole, die in der oberen Troposphäre gemessen wurden. Diese Ergebnisse können durch eine SOA-Bildung in der oberen Troposphäre erklärt werden. Die Aerosolgrößenverteilung unterstützt diese These ebenfalls. Die Analysen ergaben, dass aus Isopren-Epoxydiol gebildetes SOA (IEPOX-SOA) einen wesentlichen Anteil an der Organik hält. In der unteren Troposphäre liegt der Beitrag bei 10 %, in der oberen Troposphäre trägt IEPOX-SOA bis zu 20 % zur Organik bei. Insgesamt scheint es ein allgegenwärtiges Auftreten von IEPOX-SOA in allen Höhen zu geben. Das lässt sich durch das Vorherrschen von Isopren erklären, das als Vorläufergas dieser Verbindung dient und von der Vegetation emittiert wird. Der Entstehungsmechanismus von IEPOX-SOA wird durch saure Bedingungen begünstigt, da das gasförmige Isopren-Epoxydiol (IEPOX) vornehmlich auf sauren Aerosoloberflächen kondensiert. Insbesondere in der oberen Troposphäre scheinen diese Bedingungen erfüllt zu sein. Die erhöhten Nitratkonzentrationen deuten darauf hin, dass sich unter Beteiligung von IEPOX Organonitrate bilden können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Bildung von SOA ein wichtiger Prozess in der Atmosphäre des Amazonasgebietes ist und die Eigenschaften von Aerosolen sowohl in der unteren als auch in der oberen Troposphäre maßgeblich beeinflusst. Neben den Messungen von Aerosol außerhalb von Wolken war es zum ersten Mal möglich quantitative Messungen der chemischen Zusammensetzung von Wolkenpartikelresiduen (engl. cloud particle residuals, CPR) bis in eine Höhe von 14 km durchzuführen. Dafür wurde das Aerosolmassenspektrometer mit einem speziellen Flugzeugeinlasssystem gekoppelt (HALO-CVI), der es ermöglicht flüssige Wolkentröpfchen und Eiskristalle von Luft und Aerosolpartikeln zu separieren und damit eine Analyse der CPR zulässt. Diese Messungen konnten sowohl in flüssigen als auch in Eiswolken durchgeführt werden. Die CPR, die in flüssigen Wolken gemessen wurden, bestehen zu 70 % aus Organik. Die restlichen 30 % werden durch inorganische Substanzen aufgefüllt, wobei Sulfat hier dominiert. Im Gegensatz dazu bestehen die Eisresiduen fast ausschließlich aus Organik. Die Analyse der organischen Massenspektren ergab, dass die CPR in Flüssigwasserwolken aus oxidierter, wahrscheinlich sekundärer Organik bestehen. Die CPR in Eiswolken weisen hingegen eine Struktur auf, die als primär emittierte Kohlenwasserstoff-Organik (engl. hydrocarbon-like organic aerosol, HOA) bekannt ist. Es scheint, als seien die HOA-beinhaltende CPR als Eiskeim aktiviert worden, während hingegen die CPR, die aus oxidierter Organik, Sulfat und Nitrat bestehen, in der unteren Troposphäre als Wolkenkondensationskeim aktiviert und ausgewaschen wurden. Die Prozesses des Gefrierens in den vermessenen Eiswolken scheinen sich von einem homogenen hin zu einem heterogenen Gefrieren zu verschieben. Dieses heterogene Gefrieren wird durch die HOA-enthaltenen CPR induziert, die vertikal in große Höhen transportiert wurden, und die Wechselwirkungen zwischen Aerosolen und Wolken beeinflusst. Die hier vorliegende Arbeit liefert neue Erkenntnisse hinsichtlich der Bildung sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre des Amazonasgebiets unter Berücksichtigung von IEPOX-SOA und Organonitraten, und berichtet über neue Ergebnisse zur chemischen Zusammensetzung von Wolkenresidualpartikeln in der tropischen oberen Troposphäre

Cold atom gravimetry with a Bose-Einstein Condensate

We present a cold atom gravimeter operating with a sample of Bose-condensed Rubidium-87 atoms. Using a Mach-Zehnder configuration with the two arms separated by a two-photon Bragg transition, we observe interference fringes with a visibility of 83% at T=3 ms. We exploit large momentum transfer (LMT) beam splitting to increase the enclosed space-time area of the interferometer using higher-order Bragg transitions and Bloch oscillations. We also compare fringes from condensed and thermal sources, and observe a reduced visibility of 58% for the thermal source. We suspect the loss in visibility is caused partly by wavefront aberrations, to which the thermal source is more susceptible due to its larger transverse momentum spread. Finally, we discuss briefly the potential advantages of using a coherent atomic source for LMT, and present a simple mean-field model to demonstrate that with currently available experimental parameters, interaction-induced dephasing will not limit the sensitivity of inertial measurements using freely-falling, coherent atomic sources.Comment: 6 pages, 4 figures. Final version, published PR

Relating hygroscopicity and composition of organic aerosol particulate matter

A hygroscopicity tandem differential mobility analyzer (HTDMA) was used to measure the water uptake (hygroscopicity) of secondary organic aerosol (SOA) formed during the chemical and photochemical oxidation of several organic precursors in a smog chamber. Electron ionization mass spectra of the non-refractory submicron aerosol were simultaneously determined with an aerosol mass spectrometer (AMS), and correlations between the two different signals were investigated. SOA hygroscopicity was found to strongly correlate with the relative abundance of the ion signal m/z 44 expressed as a fraction of total organic signal (f44). m/z 44 is due mostly to the ion fragment CO2+ for all types of SOA systems studied, and has been previously shown to strongly correlate with organic O/C for ambient and chamber OA. The analysis was also performed on ambient OA from two field experiments at the remote site Jungfraujoch, and the megacity Mexico City, where similar results were found. A simple empirical linear relation between the hygroscopicity of OA at subsaturated RH, as given by the hygroscopic growth factor (GF) or "ϰorg" parameter, and f44 was determined and is given by ϰorg = 2.2 × f44 − 0.13. This approximation can be further verified and refined as the database for AMS and HTDMA measurements is constantly being expanded around the world. The use of this approximation could introduce an important simplification in the parameterization of hygroscopicity of OA in atmospheric models, since f44 is correlated with the photochemical age of an air mass

Excitability in semiconductor microring lasers: Experimental and theoretical pulse characterization

We characterize the operation of semiconductor microring lasers in an excitable regime. Our experiments reveal a statistical distribution of the characteristics of noise-triggered optical pulses that is not observed in other excitable systems. In particular, an inverse correlation exists between the pulse amplitude and duration. Numerical simulations and an interpretation in an asymptotic phase space confirm and explain these experimentally observed pulse characteristics.Comment: 9 pages, 10 figure

Organic aerosol and global climate modelling: a review

The present paper reviews existing knowledge with regard to Organic Aerosol (OA) of importance for global climate modelling and defines critical gaps needed to reduce the involved uncertainties. All pieces required for the representation of OA in a global climate model are sketched out with special attention to Secondary Organic Aerosol (SOA): The emission estimates of primary carbonaceous particles and SOA precursor gases are summarized. The up-to-date understanding of the chemical formation and transformation of condensable organic material is outlined. Knowledge on the hygroscopicity of OA and measurements of optical properties of the organic aerosol constituents are summarized. The mechanisms of interactions of OA with clouds and dry and wet removal processes parameterisations in global models are outlined. This information is synthesized to provide a continuous analysis of the flow from the emitted material to the atmosphere up to the point of the climate impact of the produced organic aerosol. The sources of uncertainties at each step of this process are highlighted as areas that require further studies

Microservices - Eine State-of-the-Art Bestandsaufnahme und Abgrenzung zu SOA

Microservices haben in den letzten Jahren einen Hype erfahren und gelten momentan als der Stil, der es einem Unternehmen erlaubt, möglichst agil und innovativ in der Entwicklung von Software zu sein. Durch die Entkopplung von fachlich nur wenig zusammenhängenden Teilen zu eigenständigen Microservices, kann eine Unterteilung der Entwicklung in hochgradig autonome Teams erreicht werden. Zusätzlich unterstützen Cloud-Technologien und Automatisierung durch Continuous Delivery und DevOps die Teams bei der schnellen Weiterentwicklung ihres abgegrenzten Bereiches und erlaubt es diesen, selbständig für den Betrieb ihrer Microservices verantwortlich zu sein. Der Begriff Microservices ist noch relativ jung und zeigt sich in unterschiedlichen Formen, weshalb oft unklar ist, was er eigentlich genau bedeutet. Daraus ergeben sich auch Schwierigkeiten in der Abgrenzung zu anderen Ansätzen wie SOA. Der Ansatz, Software durch Services zu modularisieren, ist nicht neu und wird schon bei SOA angewendet, um die Integration verschiedener Systeme zu erleichtern und diese schneller an veränderte Geschäftsprozesse anzupassen. Obwohl Microservices aus SOA heraus entstanden sind, fokussiert der Stil mehr auf die Flexibilität und Geschwindigkeit bei der Entwicklung von modernen Online-Softwaresystemen und setzt Service-Orientierung anders um als es bei SOA der Fall ist. Diese Arbeit erfasst das Themengebiet unterteilt in Stil-Ebene, Architektur-Ebene und Service-Ebene. Sie versucht so, dabei zu helfen, mehr Verständnis über den Begriff Microservices zu erlangen. Dabei werden angrenzende Konzepte sowie Technologien erklärt und anhand von Charakteristiken beschrieben, was den Microservices-Stil ausmacht. Über veröffentlichte Berichte und Konferenzvorträge von Unternehmen, die nach eigenen Angaben Microservices umsetzen, werden typische Gründe und Motivationen für den Microservice-Stil herausgearbeitet. Zuletzt wird SOA kurz definiert und anhand dem aktuellen Verständnis eingeführt. Mit den erlangten Kenntnissen über Microservices und deren Motivation, wird ein Vergleich mit SOA auf den verschiedenen Ebenen unternommen