Einsatz eines PTR-MS zur flugzeuggestützten Messung flüchtiger organischer Verbindungen und Analyse von Quellsignaturen während der Megastadt-Kampagne EMeRGe

Flüchtige organische Verbindungen (VOCs) haben sowohl Auswirkungen auf die Luftqualität als auch auf das Klima, obwohl sie nur in sehr geringen Konzentrationen in der Atmosphäre vorkommen. Die Quantifizierung und das Monitoring von VOCs ist daher von Bedeutung, um z. B. die Reduktion gesundheitsschädlicher, anthropogener Emissionen zu überwachen und die globale Klimaentwicklung besser abschätzen zu können. Angesichts des fortschreitenden Wachstums von urbanen Ballungsgebieten untersuchte die Megastadt-Kampagne EMeRGe mit dem deutschen Forschungsflugzeug HALO den lokalen, regionalen und mesoskaligen Transport von anthropogenen Emissionen großer Ballungsgebiete in Europa und Asien.
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Die vorliegende Arbeit befasst sich in diesem Zusammenhang mit der flugzeuggestützten Messung sowie Analyse von VOCs während EMeRGe. Die Messungen wurden mit einem Protonen-Transfer-Reaktions-Massenspektrometer (PTR-MS) durchgeführt, das am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt und für den Betrieb auf HALO gebaut wurde. Es ist mit 55 kg das weltweit leichteste und kompakteste Instrument für flugzeuggestützte VOC-Messungen und besitzt eine individuell angepasste und adaptierbare Kontrolleinheit. Auf Grundlage der mehrjährigen Betriebsphase, einschließlich einer Flugzeug- und einer VOC-Vergleichskampagne, erfolgte während dieser Arbeit eine ausführliche Langzeitcharakterisierung des Instruments. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten die Standardisierung von Kalibrierungen, Rohdaten-Prozessierung und Datenauswertung. Sie ist die Voraussetzung für qualitätsgesicherte Messdaten. Hervorzuheben ist, dass insbesondere die Qualität der Formaldehyd-Messung deutlich verbessert werden konnte. Das HALO PTR-MS besitzt niedrige instrumentelle Hintergrundsignale, ausreichend hohe Sensitivitäten und niedrige Nachweisgrenzen, um eine Vielzahl von VOCs in der komplexen Außenluftmatrix verlässlich detektieren und quantifizieren zu können.

Aufgrund ihrer diversen Quellen und höchst variablen chemischen Lebenszeiten eignen sich VOCs hervorragend zur Bestimmung von verschiedenen Quellsignaturen. Weiterhin können mit der Kombination aus FLEXTRA-Rückwärtstrajektorien und dem EDGAR-Emissionsinventar anthropogene Quellregionen identifiziert werden. Die Kombination beider Ansätze ermöglicht eine einfache Luftmassen-Charakterisierung im Hinblick auf ihre Herkunft. Während EMeRGe trugen demnach Emissionen von anthropogenen und biogenen Quellen sowie von Biomasseverbrennung aus Zielgebieten und umliegenden Regionen zu den detektierten Spurengaserhöhungen bei. Der in dieser Arbeit präsentierte Ansatz verdeutlicht zudem, dass der EMeRGe-Datensatz einzigartige Spurengasmessungen im Nah- und Fernfeld von Ballungsgebieten und anderen Quellregionen mit unterschiedlicher chemischer Prozessierung enthält, die beispielsweise zur Validierung von atmosphärischen Modellen von großem Wert sind.

Insgesamt hat die vorliegende Arbeit durch die umfangreiche Charakterisierung des HALO PTR-MS und die darauf aufbauende Standardisierung der In-situ-VOC-Messungen zu einer deutlich verbesserten Datenqualität beigetragen sowie einen bedeutenden Beitrag zur Identifizierung und Charakterisierung der vermessenen Luftmassen während der Megastadt-Kampagne EMeRGe geleistet.

Volatile organic compounds (VOCs) have an impact on both air quality and climate, even though they are found only at very low concentrations in the atmosphere. Quantifying and monitoring VOCs is important, for example, to monitor the reduction of anthropogenic emissions that are harmful to human health and to better assess global climate change. In the light of steadily growing urban agglomerations, the megacity campaign EMeRGe investigated the local, regional and mesoscale transport of anthropogenic emissions from large conurbations in Europe and Asia with the German research aircraft HALO.
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In this context, this work presents airborne measurements of VOCs and their analysis during EMeRGe. The measurements were carried out with a proton-transfer-reaction mass spectrometer (PTR-MS), which was developed at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) and built for operation on HALO. With a total weight of 55 kg it is the world's lightest and most compact instrument for airborne VOC measurements, and is equipped with a customised, adaptable control unit. Based on a multi-year operational phase, including an aircraft and a VOC intercomparison campaign, a detailed long-term characterisation of the instrument was carried out within the scope of this work. The knowledge gained enabled the standardisation of calibrations, raw data processing and data evaluation, which is required for quality-assured measurement data. It should be emphasised that the quality of the formaldehyde measurement in particular has been significantly improved. The HALO PTR-MS has low instrumental background signals, sufficiently high sensitivities and low detection limits to reliably detect and quantify a large number of VOCs in the complex matrix of ambient air.

Due to their various sources and highly variable chemical lifetimes, VOCs are ideally suited for the determination of different source signatures. Additionally, FLEXTRA back trajectories and the EDGAR emission inventory can jointly be used to identify source regions of anthropogenic emissions. The combination of both approaches enabled a simple air mass characterisation of the EMeRGe measurements, showing that emissions from anthropogenic and biogenic sources as well as from biomass burning of target areas and surrounding regions contributed to the measured trace gas enhancements. Furthermore, the approach presented in this work underlines that the EMeRGe dataset contains unique trace gas measurements in the near and far field of urban agglomerations and other source regions with different chemical processing, which are of great value e.g. for the validation of atmospheric models.

Overall, the present work has significantly improved the data quality of the in situ VOC measurements through the extensive characterisation and standardisation of the HALO PTR-MS, and made an important contribution to the identification and characterisation of measured air masses during the megacity campaign EMeRGe.