Bestimmung der klimarelevanten Absorptions- und

Streueigenschaften von Verbrennungsruaerosolen

Diplomarbeit

im Studiengang Umweltplanung/Umwelttechnik

vorgelegt von Melanie Gimmler

Matr. Nr.: 929.092

angefertigt am Institut fr Meteorologie und Klimaforschung

-Atmosphrische Aerosolforschung-

Forschungszentrum Karlsruhe

unter Anleitung von Herrn Prof. Schurath (Koreferent),

fr die Fachhochschule Trier, Umwelt-Campus Birkenfeld,

unter der Betreuung von Herrn Prof. Dr. Bronder

November 2003

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung............................................................................................................. 11.1 Strukturelle Eigenschaften von Verbrennungsru................................... 3

1.2 Optische Eigenschaften von Ru............................................................ 6

1.3 Problemstellung....................................................................................... 10

2 Experimenteller Aufbau...................................................................................... 12 2.1 Propanbrenner (CAST)............................................................................ 13

2.2 Aerosolbehlter (NAUA).......................................................................... 15

2.3 Physikalisch-chemische Aerosolcharakterisierung.................................. 16

2.3.1 Grenverteilung (SMPS).......................................................... 16

2.3.2 Anzahlkonzentration (CPC)........................................................ 17

2.3.3 Partikelmorphologie (REM, TEM).............................................. 17

2.3.4 Innerer struktureller Aufbau (HRTEM)....................................... 18

2.4 Optische Messverfahren.......................................................................... 19

2.4.1 Extinktionsspektrometer............................................................. 19

2.4.2 Streulichtspektrometer (Nephelometer)..................................... 21

2.4.3 Differenzmethode....................................................................... 25

2.5 Rumassenbestimmung (OC, EC, TC)................................................... 26

3 Durchgefhrte Experimente............................................................................... 30 3.1 Ablauf....................................................................................................... 30

3.1.1 Ruexperimente direkt am Propanbrenner (CAST)................... 32

3.1.2 Experimente mit den Quarzglaskgelchen (Monospheres)....... 32

3.1.3 Ruexperimente am NAUA........................................................ 34

3.2 berblick.................................................................................................. 36

4 Ergebnisse und Diskussion............................................................................... 38 4.1 Charakterisierung des Propanbrenners (CAST)...................................... 38

4.1.1 Ruexperimente direkt am Propanbrenner (CAST)................... 39

4.1.2 Ruexperimente am NAUA........................................................ 46

1

4.2 Streueigenschaften der Verbrennungsaerosole...................................... 51

4.2.1 Streualbedo................................................................................ 51

4.2.2 Rckstreuverhltnis.................................................................... 52

4.2.3 Wellenlngenabhngigkeit (ngstrmexponent)....................... 54

4.3 Spezifische optische Eigenschaften der Verbrennungsaerosole............. 60

4.4 Experimentelle Charakterisierung des systematischen Nephelometer-fehlers mittels Monosphere-Standards.................................................... 71

4.5 Fehlerbetrachtung.................................................................................... 77

4.5.1 Statistische Fehler...................................................................... 77

4.5.2 Systematische Fehler................................................................. 79

5 Zusammenfassung.............................................................................................. 81 6 Anhang................................................................................................................. 85 6.1 Abbildungsverzeichnis............................................................................. 85

6.2 Tabellenverzeichnis................................................................................. 87

7 Literaturverzeichnis............................................................................................ 88

2

Abkrzungen und Symbole

Abkrzungen

AIDA Aerosol Interaktion und Dynamik in der Atmosphre

BC black carbon

CAST combustion aerosol standard

CMD count median diameter

C/O Brennstoff-zu-Luft-Verhltnis

CPC condensation particle counter

DMA differentieller Mobilittsanalysator

EC elemental carbon

HEPA high efficiency particulate-free air

HRTEM high resolution transmission electron microscope

KF Kleinflansch

MFC mass flow controller

NAUA Nachunfallatmosphre

NDIR nichtdispersives Infrarot

NIR nahes infrarot

OC organic carbon

PAK polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

REM Rasterelektronenmikroskop

SLM Standardliter pro Minute

SMPS scanning mobility particle sizer

TC total carbon

TEM Transmissionselektronenmikroskop

UV ultraviolett

VIS visible

3

Symbole

ngstrmexponent

Rckstreuverhltnis

babs Absorptionskoeffizient in m-1

bext Extinktionskoeffizient in m-1

bges Gesamtstreukoeffizient in m-1

brck hemisphrischer Rckstreukoeffizient in m-1

bstreu Streukoeffizient in m-1

Cts total scatter correction factor

d oder Dp Partikeldurchmesser in nm

dN/dlogDp Anzahlgrenverteilung in logarithmischer Darstellung

I Intensitt nach Durchlaufen der Strecke l durch ein partikelbeladenes Medium

I0 Intensitt der eingestrahlten Strahlung (z.B. Lampenintensitt)

l optischer Weg in m

Wellenlnge in nm

m komplexer Brechungsindex

gemittelte Streualbedo

0 (Einfach-) Streualbedo

abs spezifischer Wirkungsquerschnitt der Absorption in m2g-1

ext spezifischer Wirkungsquerschnitt der Extinktion in m2g-1

g geometrische Standardabweichung (Verteilungsbreite)

optische Dicke

x Grenparameter

4

1 Einleitung

Atmosphrische Aerosole spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Son-

neneinstrahlung, die teilweise durch die Erdatmosphre absorbiert wird. Durch das

Vorhandensein von Aerosolen wird einerseits die Solarstrahlung zurck in den Welt-

raum gestreut und andererseits durch Absorption und Streuung in der Atmosphre

gehalten. Je nach Materialbeschaffenheit streuen bzw. absorbieren die Aerosole. Die

Regulierung der Sonneneinstrahlung durch Aerosolabsorption und -streuung wird als

direkter Aerosoleffekt bezeichnet. Einige Aerosole dienen als Wolkenkondensations-

kerne, so dass sie die Wolkenbildung beeinflussen und deren optischen Eigenschaf-

ten und Niederschlagsbildung verndern. Dieser Klimaeinfluss wird als indirekter Ae-

rosoleffekt bezeichnet [1].

Speziell kohlenstoffhaltige Aerosole, die durch Verbrennungsprozesse (fossile

Brennstoffe, Biomasse oder natrliche Waldbrnde) in die Atmosphre emittiert wer-

den, beeinflussen das Klima durch Vernderung des Strahlungsgleichgewichtes der

Atmosphre. Da sie vornehmlich in koagulierter Form mit Partikeldurchmessern von

0.1 < d < 1 m vorkommen, knnen sie ber weite Distanzen transportiert werden.

Sie bestehen aus zwei Fraktionen: einer organischen, die als organischer Kohlenstoff

bzw. organic carbon (OC) bezeichnet wird, und einer stark polymerisierten, dunklen

Fraktion, die bestndig gegen Oxidation bei Temperaturen unter 400 C ist. Wenn

beide Fraktionen hinsichtlich ihrer thermischen Stabilitt klassifiziert werden, wird die

dunkle Fraktion als elementarer Kohlenstoff bzw. elemental carbon (EC) definiert,

da sie aufgrund ihrer thermischen Charakteristika mit reinem, elementarem Kohlen-

stoff vergleichbar ist. Der elementare Kohlenstoff wird hufig auch als schwarzer

Kohlenstoff bzw. black carbon (BC) bezeichnet [2].

1

Ein Teil des organischen Kohlenstoffs ist toxisch, mutagen und spielt sowohl in der

Atmosphrenchemie als auch fr die menschliche Gesundheit aufgrund seines Ge-

fhrdungspotentials eine wichtige Rolle. Hingegen besitzt der sichtbare, elementare

Kohlenstoff eine groe Adsorptionsoberflche und katalytische Eigenschaften [3].

Als Nebenprodukt einer unvollstndigen Verbrennung werden Rupartikel in einer

Flammenregion gebildet, wo nicht gengend Sauerstoff zur Verfgung steht, um das

Brenngas vollstndig in Kohlendioxid und Wasser umzuwandeln. Bei idealen Bedin-

gungen wrde das Brenngas vollstndig oxidiert werden [4]:

CmHn + (m + 0.25 n)O2 m CO2 + 0.5 n H2O. )

In einem frhen Stadium der Rubildung entstehen Partikel mit einer Gre vo

10 nm aufgrund der Reaktivkoagulation von Moleklen aus polyzyklischen a

schen Kohlenwasserstoffen (PAK). Im allgemeinen werden diese PAK in mes

Mengen in Verbrennungssystemen produziert und stehen im Zusammenha

unerwnschten neurotoxischen, kanzerogenen und m