Die Untersuchung der Bildung und der molekularen chemischen Zusammensetzung von SOA ist wegen ihres Einflusses auf das Klima mittels ihrer Wolkenbildungseigenschaften und dem Strahlungsantrieb von SOA von entscheidender Bedeutung. Ein Verständnis der Zusammensetzung von SOA ist für die Verbesserung von Luftqualitätsmodellen notwendig, da SOA ein Hauptbestandteil zum Feinstaub (PM2,5) in der Atmosphäre beiträgt. Darüber hinaus tragen die Veränderungen von VOC-Emissionen, die sich u.a. aus einer Zunahme von Biomasseverbrennung (z.B. ein Anstieg in der Häufigkeit von Waldbränden) und Veränderung bei der Art der Energieerzeugung und der Energienutzung dazu bei, dass auch die Zusammensetzung und die Prozesse der SOA-Bildung maßgeblich verändert werden. Daher ist es wichtig, diese Dynamik zu verstehen, um ihre Auswirkungen auf die Luftqualität, das Klima und die menschliche Gesundheit (u.a. hin Hinblick auf Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen) genau vorhersagen zu können.

In unseren Studien setzen wir eine Reihe von hochmodernen Analysetechniken ein, darunter die hochauflösende Flugzeit-Aerosol-Massenspektrometrie (HR-ToF-AMS) und die Extractive Electrospray Chemische Ionisations-Massenspektrometrie (EESI-LToF-CIMS). HR-ToF-AMS wird eingesetzt, um in Echtzeit hochauflösende Daten über die chemische Zusammensetzung von Aerosolen, einschließlich der Elementverhältnisse und Oxidationsstufen, zu erhalten. EESI-LToF-CIMS bietet eine zusätzliche Dimension in der Analyse von Aerosolen, indem es die empfindliche Detektion oxygenierter organischer Moleküle und schwerflüchtiger Verbindungen direkt online aus der Gas- und Partikelphase ermöglicht, ohne dass eine umfangreiche Probenvorbereitung oder -veränderung erforderlich ist. Dadurch kann ein vollständigeres Bild der komplexen chemischen Zusammensetzung von SOA erfasst werden. Eine weitere von uns verwendete Messmethode ist das Kombinationsinstrument CPC und SMPS.

Diese analytischen Techniken werden in kontrollierten Simulationsumgebungen eingesetzt, darunter die Atmosphärensimulationskammer SAPHIR, die mit SAPHIR gekoppelte Plant Unit for Simulation (SAPHIR-PLUS) und der Stirred Atmospheric Flow Reactor (SAPHIR-STAR). Die SAPHIR-Kammer ermöglicht die Untersuchung photochemischer und atmosphärischer Prozesse unter nahezu realen atmosphärischen Bedingungen, während SAPHIR-PLUS speziell für die Untersuchung realer biogener Emissionen konzipiert ist und eine einzigartige Möglichkeit bietet, zu untersuchen, wie VOCs aus Pflanzenemissionen unter verschiedenen Umweltbedingungen, einschließlich konstitutiver Emissionen und Emissionen aufgrund von Hitze, Trockenheit oder Ozonstress, zur SOA-Bildung beitragen. Die SAPHIR-STAR-Kammer ermöglicht die Untersuchung der SOA-Bildung und der Partitionierung von chemischen Verbindungen zwischen der Gas- und Partikelphase in einer hochgradig kontrollierten Umgebung. Untersuchungen von SOA Bildung im chemischen stationären Gleichgewicht in SAPHIR-STAR, ermöglicht ein genaueres Verständnis der kritischen chemischen Prozesse, die die SOA-Bildung vorantreiben und zu ihr beitragen. Diese Untersuchungen werden in enger Zusammenarbeit mit der Gruppe „Heterogene Reaktionen“ durchgeführt.

Aktuelle Kooperationen

Aerosol-Massenspektrometer und Chemische Ionisations-Massenspektrometer von Aerodyne Research Inc. werden zur Online-Analyse der chemischen Zusammensetzung von Aerosolen an den Simulationskammern (SAPHIR, SAPHIR-PLUS, SAPHIR*) des ICE-3 und im Feldmesskampagnen (Beijing winter fine particulate Study - Oxidation, Nucleation, and light Extinctions (BEST-ONE), JUelich Atmospheric Chemistry study (JULIAC Turm, siehe SAPHIR), aeroHEALTH) eingesetzt. Die Gruppe beteiligt sich an den laufenden Zeppelin Aktivitäten des ICE-3 und an den Vorbereitungen für Langzeitumgebungsmessungen auf dem Meteorologischen Turm des FZJ.

Das deutsch-israelische Helmholtz International Laboratory aeroHEALTH ist bestrebt, die biologischen und gesundheitlichen Auswirkungen atmosphärischer Aerosole mechanistisch zu verstehen und Informationen zu Primäremissionen sowie Sekundär- und Umgebungsaerosolen zu zusammenzuführen. Die atmosphärische Veränderung ("Alterung") unter atmosphärisch relevanten Bedingungen biogener und anthropogener Emissionen wird in Kurz- und Langzeitversuchen simuliert, um Laborbeobachtungen mit den beobachteten gesundheitlichen Auswirkungen von Feldversuchen zu verbinden. Das aeroHEALTH-Konsortium besteht aus führenden Gruppen von zwei Helmholtz-Instituten in Deutschland und dem Weizmann-Institut für Wissenschaft in Israel mit assoziierten internationalen Partnern aus dem akademischen und kommerziellen Geschäftsbereich, die komplementäre Expertise und Spitzentechnologie kombinieren.
Die Arbeit des aeroHEALTH-Konsortiums spiegelt sich in mehreren gemeinsamen umfangreichen Messkampagnen wieder, in denen die komplexen und realen primären und gealterten Emissionen von Verbrennungsprozessen (Simulation von Triebwerksemissionen von Flugzeugen, Schiffsemissionen, Emissionen von Benzinautos und Biomasseverbrennungsemissionen aus Holzöfen) sowie die anschließende Bildung von Gasphasenprodukten und die Bildung sekundärer organischer Aerosole (SOA) in einem Oxidationsdurchflussreaktor (OFR) untersucht werden. Die Gruppe Aerosolchemie des ICE-3 nimmt aktiv an den aeroHEALTH Messkampagnen in enger Zusammenarbeit mit allen Partnern teil und liefert Messungen, Analysen und Erkenntnisse, die zum Verständnis der Bildung von OA und zur chemischen Charakterisierung von SOA aus der atmosphärischen Oxidation der Emissionen typischer Verbrennungsprozessen wesentlich beitragen.

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