Untersuchungen zur chemischen Zusammensetzung der organischen Komponente des troposphaerischen Aerosols AFS-Abschlussbericht

Abstract

Although the knowledge about the significance of airborne particulate matter for the radiation balance of the atmosphere has increased during the last few years, several important aerosol formation mechanisms are still poorly understood. This is especially true for aerosols which are formed from volatile organic precursors from natural or anthropogenic sources (secondary organic aerosols). Therefore, the research project aimed on the development of a mass spectrometric real-time technique for the qualitative and quantitative investigations of the chemical composition of secondary organic aerosols, especially from the ozonolysis of monoterpenes (e.g. #alpha#-pinene, #beta#-pinene, sabinene, #DELTA#"3-carene, limonene). Using a modified atmospheric pressure chemical ionisation source (APCI), the formation of gas and particle phase products could be observed with a time resolution of about 1 second. The detection limit of the developed technique is about 100 ppt(v/v) in the positive ion mode. Based on the development of standard addition techniques, selected products were quantified in the gas and particle phase. Using isotopically labelled water also certain underlying reaction mechanisms were investigated. Another part of the project focused on the identification of low volatile reaction products by MS/MS-studies. These studies showed that the particle phase is mainly composed of several multifunctional carboxylic acids (dicarboxylic acids, oxo-carboxylic acids, hydroxy-carboxylic acids etc.). Finally, the APCI-studies gave robust evidences on the presence of strong intermolecular interactions between the different products. Since the experiments also showed a correlation between the intensity of product interactions (adduct formation) by hydrogen-bonding and new particle formation potential, the results of the project can be considered to provide an important contribution for an better understanding of nucleation events above forested areas. (orig.)Obwohl das Wissen um die Bedeutung von luftgetragenen Partikeln fuer die Strahlungsbilanz der Atmosphaere in den letzten Jahren zugenommen hat, sind eine Reihe von wichtigen Aerosolbildungsmechanismen bisher nur unzureichend untersucht worden. Dies gilt insbesondere fuer Aerosole, die aus fluechtigen organischen Vorlaeufern natuerlichen wie auch antrophogenen Ursprungs im Verlauf von troposphaerischen Oxidationsprozessen gebildet werden. Das Vorhaben umfasste daher die Entwicklung massenspektrometrischer Methoden fuer qualitative wie auch fuer quantitative Studien zur chemischen Zusammensetzung von sekundaeren organischen Aerosolen (SOA), insbesondere gebildet aus der Ozonolyse von Monoterpenen (z.B. #alpha#-Pinen, #beta#-Pinen, Sabinen, #DELTA#"3-Caren, Limonen). Mit Hilfe eines entwickelten On-line APCI-ITMS-Systems (atmospheric pressure chemical ionisation, APCI) konnte die Bildung von Gas- und Partikelphasenprodukten in Echtzeit (Zeitaufloesung #propor to#1 s) als Folge der Monoterpen-Ozonolyse beobachtet werden. Die Nachweisgrenze der Methode liegt bei ca. 100 ppt(v/v) im positiven Ionenmodus. Basierend auf der Entwicklung geeigneter Standardadditionsmethoden erfolgte auch die unmittelbare Quantifizierung ausgewaehlter Oxidationsprodukte in der Gas- und Partikelphase. Mittels isotopenmarkiertem Wasser (H_2"1"8O) wurden darueber hinaus einige zugrundeliegende Reaktionsmechanismen aufgedeckt. Ein weiterer Teil des Projektes konzentrierte sich auf die Charakterisierung insbesondere der schwerfluechtigen Aerosolkomponenten der Monoterpen-Ozonolyse mittels MS/MS-Studien. Diese Studien ergaben, dass eine Reihe von multifunktionellen Carbonsaeureprodukte signifikante Aerosolbestandteile repraesentieren (Dicarbonsaeuren, Oxocarbonsaeuren, Hydroxycarbonsaeuren etc.). Schliesslich ergaben die massenspektrometrischen Untersuchungen deutliche Hinweise auf starke intermolekulare Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Produkten (Assoziatbildung). Da ausserdem ein Zusammenhang zwischen der Bildung dieser Assoziate und dem Potential der Vorlaeuferverbindungen zur Partikelneubildung gezeigt werden konnte, leisten die vorgestellten Projektresultate einen wichtigen Beitrag zur Erklaerung von Partikelneubildungsereignissen ueber bewaldeten Waldregionen. (orig.)SIGLEAvailable from TIB Hannover: F02B972+a / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekBundesministerium fuer Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie, Bonn (Germany)DEGerman