IAGOS-SimLab
Simulation der IAGOS Flugbedingungen im Labor
Die globale Aerosolbeobachtung ist Teil der europäischen Forschungsinfrastruktur IAGOS (In-service Aircraft for a Global Observing System) (Petzold et al., 2015), die darauf abzielt, alle wesentlichen Klimavariablen der Atmosphäre, einschließlich der Aerosolpartikel (Bojinski et al., 2014), durch regelmäßige und globale Messungen an Bord einer Flotte von Passagierflugzeugen zu erfassen, die mit automatisierten wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet sind. Eine der Möglichkeiten zur Prüfung und Kalibrierung dieser sogenannten Packages, speziell des Luftqualitätspackage P2e, ist das IAGOS-SimLab.
Ein Foto des Laboraufbaus ist in Abb. 1 zu sehen, Abb. 2 zeigt das Flussschema des Versuchsaufbaus.
Wir verwenden einen Zerstäuber zur Feinzerstäubung der partikel-beinhaltenden Lösung, beispielsweise eine Ammoniumsulfat (AS)-Lösung, um eine gleichmäßige und konstante Partikelproduktion hinsichtlich Größenverteilung und Anzahlkonzentration zu erreichen (Zerstäuber mit konstantem Ausstoß; Modell 3076, TSI Inc., Shoreview, MN, USA) (Liu und Pui, 1975; TSI Inc. Modell 3076, Handbuch). Nachdem der Aerosolstrom ein Diffusionstrockenrohr passiert hat, erreicht die relative Luftfeuchtigkeit Werte unter 5 %. Der Probenstrom wird durch eine radioaktive Am-241-Quelle aufgeladen, und die Klassifizierung in ein monodisperses Aerosol erfolgt mit einem Differential-Mobility-Analysator (DMA; Modell M-DMA 55-U, Grimm Aerosol Technik GmbH & Co. KG, Ainring, Deutschland).
Das Aerosol gelangt durch eine kritische Düse in die Unterdruckzone. Das Aerosol wird in der Mischkammer mit aerosolfiltrierter Luft verdünnt. Der Druck wird von einem LabVIEW-Programm über mehrere Massendurchflussregler mit einem PID-Regleransatz (Proportional-Integral-Derivat) gesteuert. Bei 200 hPa betrug die gemessene Standardabweichung weniger als 0,1 hPa bei einer Integrationszeit von 100 s. Darüber hinaus wird die relative Luftfeuchtigkeit aktiv gesteuert, indem ein stabiler befeuchteter Luftstrom durch die Mischkammer in das System geleitet wird, der auf etwa 30 % relative Luftfeuchtigkeit begrenzt ist. In der Mischkammer werden die Temperatur, der Systemdruck und die relative Luftfeuchtigkeit gemessen. Es kann Wasserdampf hinzugefügt werden, um die Auswirkungen der Partikelaktivierung auf das Wachstum bei unterschiedlichen relativen Luftfeuchtigkeiten zu untersuchen. Das Volumen der Mischkammer beträgt 500 ml bei einer Durchflussrate von 10 l min-1. Dies führt zu einer Spülzeit von etwa 3 s und einer e-Faltungszeit von 1,8 s für 63 %.
Nach dem Passieren der Mischkammer wird der Aerosolstrom über einzelne isokinetische, isoaxiale Probenehmer, die sich in der Mitte der Probenleitung befinden, zu den Messgeräten geleitet. Die Diffusionsverluste sind bei allen Geräten ähnlich. Die Länge des flexiblen, leitfähigen Probenahmeschlauchs von der Leitung zu den Messgeräten wird für Geräte mit einem Probenahmestrom von 0,6 l min-1 auf 25 cm eingestellt und proportional an Geräte mit einem anderen Probenahmestrom angepasst. Ein Sky-CPC 5.411 (Grimm) wird als bewährter Butanol-Kondensationspartikelzähler verwendet (Bundke et al., 2015). Ein Aerosolelektrometer wird als rückführbares Referenzgerät für Partikelzählmessungen verwendet (FCE; Modell 5.705, Grimm). Ein Instrument von besonderem Interesse ist das neu entwickelte Moderated Aerosol Growth with Internal Water Cycling CPC (MAGIC 210-LP; Aerosol Dynamics Inc, Berkeley CA, USA). Für die Messungen von frischem Flammenruß können der Vernebler und das Dehydrierungsrohr durch einen invertierten Miniatur-Flammenrußgenerator (Argonaut Scientific Corp., Edmonton, AB, Kanada) ersetzt werden. Frühere Studien dazu liefern weitere Einzelheiten (siehe Bundke et al., 2015; Bischof, 2022).
Der DMA wird schrittweise 30 s lang auf jeder Spannungsstufe betrieben, die verschiedenen Partikelgrößen entspricht, beginnend mit einer Obergrenze von 140 nm bis hinunter zu 2,5 nm. Diese Größengrenze ist darauf zurückzuführen, dass wir ein 8,8 cm langes Rohr und einen Mantelfluss von 6 l min-1 verwenden, um eine hohe Genauigkeit und eine geringe Größenhalbwertsbreite zu erreichen. Um Übergangseffekte zu vermeiden und ein einheitliches Aerosol in allen Messgeräten zu erreichen, werden die ersten 15 s für jede Partikelgrößeneinstellung des DMA aus dem Datensatz ausgeschlossen. Frühere Experimente haben gezeigt, dass diese Zeit ausreicht, um das System zu spülen.
Der invertierte Flammenrußgenerator wird mit einem Verhältnis von Oxidationsluft zu Propan von 7,5 l/min-1 Luft zu 0,0625 l/min-1 Propan betrieben. Diese Durchflusseinstellung gewährleistet eine stabile Rußproduktion mit niedrigem organischem Kohlenstoffgehalt (Bischof et al., 2020; Kazemimanesh et al., 2019).
Weitere Informationen sind den unten angegebenen Publikationen zu entnehmen.
Weitere Informationen
Publikationen
Kontakt
Dr. Ulrich Bundke
Senior Scientist Head of group "Global Monitoring"
- Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK)
- Troposphäre (IEK-8)
Raum 3049b
Patrick Weber
PhD student
- Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK)
- Troposphäre (IEK-8)
Raum 3046