Abstract:
Das Verständnis der Quellen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) und organischer Aerosolpartikel (OA) ist entscheidend für die Minderung der Luftverschmutzung und die Verbesserung der öffentlichen Gesundheit, da diese Komponenten die Luftqualität, die Exposition des Menschen gegenüber ultrafeinen Partikeln, das Wetter und das Klima wesentlich beeinflussen.
Daher untersuchte ich die Quellen von VOC und OA in vier Feldmesskampagnen in drei unterschiedlichen Umgebungen – einem Bergstandort im Sommer (Feldberg, Schwarzwald), einem Industriegebiet im Sommer (Rheinhafen Karlsruhe) sowie einer städtischen Straßenschlucht im Sommer und Winter (München). ... mehrDurch die Kombination von Online-Massenspektrometrie von VOC, halbflüchtigen organischen Aerosolpartikeln (SVOA) und organischen Aerosolpartikeln (OA) mit einer detaillierten statistischen Analyse durch positive Matrixfaktorisierung (PMF) habe ich die Beiträge verschiedener Quellen von VOC und OA sowie deren Einfluss auf Luftqualität, ultrafeine Partikel und potenzielle Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in diesen kontrastierenden Umgebungen quantifiziert.
Am Feldberg (1500 m ü. NN), umgeben vom ausgedehnten Schwarzwald, waren die Aerosolkonzentrationen relativ niedrige, was auf saubere Meeresluftmassen aus dem Atlantik während 56 % der Beobachtungszeit zurückzuführen ist. Außerdem befand sich der Berggipfel während 88 % der Zeit in der freien Troposphäre. Dies erklärt auch die Diskrepanz zwischen den relativ hohen biogenen VOC-Emissionen und der begrenzten Aerosolbildung mit biogenen Beiträgen aufgrund der sehr niedrigen NOx-Werte, die die VOC-Oxidation begrenzten. Die OA-Zusammensetzung wurde von gealtertem Biomasseverbrennungsaerosol (BBOA) dominiert (35 ± 24 %) mit erheblichen Beiträgen von halbflüchtigem und schwerflüchtigem oxidiertem organischem Aerosol (SV-OOA: 24±14%; LV-OOA: 23±14%). Die chemische Zusammensetzung des halbflüchtigen organischen Aerosols ergab, dass die photochemische Alterung sein dominierende Entstehungsmechanismus ist (79±18%). Die VOC-Messungen ergaben starke Einflüsse von gealterten anthropogenen Emissionen (35±15%), Biomasseverbrennung (21±12%) und von oxidierten biogenen Verbindungen (25±16%). Dies zeigt, dass Luft auf dem Gipfel des Feldbergs wesentlich durch verschmutzte gealterte Luftmassen aus entfernten Quellen beeinflusst wird. Ein erhebliches Verschmutzungsereignis wurde durch den reginalen Transport gealterter Biomasseverbrennungsaerosole auf den Feldberg verursacht, ein weiteres durch den transkontinentalen Transport kanadischer Waldbrandfahnen. Dies verursachte hohe BBOA-Konzentrationen, welche die Anzahl eiskeimbildender Partikel erhöhten und somit möglicherweise die Wolkeneigenschaften beeinflussten.
Im Karlsruher Industriegebiet am Rheinhafen habe ich drei wesentliche Aerosolquellen identifiziert: (1) industrielle Emissionen aus der Lebensmittelverarbeitung (41±23% der VOC, 20±9% der OA), (2) industrielle Phyto-Emissionen - VOC, die bei der Verarbeitung von Pflanzen freigesetzt werden, wie z.B. in der örtlichen Papierfabrik (44±27% der SVOA, 30±15% höher oxidierte OA), und (3) Biomasse-Verbrennung durch Waldbrände in Frankreich (26±21% der SVOA). Der Einfluss von Waldbrandfahnen war besonders groß und überschnitt sich manchmal mit lokalen Deponieemissionen. Ultrafeine Partikel zeigten an diesem Standort keine Korrelation mit primären Quellen, sondern wurden als sekundäres organisches Aerosol aus mehreren Quellen gebildet.
Die Luftqualität in München weist starke jahreszeitliche Schwankungen auf, wobei die Verbrennung von Biomasse im Winter (gealtert: 34 ± 15 % und frisch: 7 ± 3 %) und im Frühjahr (gealtert: 32 ± 21 % und frisch: 20 ± 6 %) aufgrund von Emissionen durch Heizen und Grillen dominiert. Im Winter ist auch die regionale Hintergrundbelastung hoch (37 ± 12 %), was auf die stagnierenden atmosphärischen Bedingungen zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu ist der Sommer durch biogene Emissionen (24 ± 21 %) und photochemisch erzeugte schwerflüchtige sauerstoffhaltige OA (25 ± 12 %) gekennzeichnet, die durch intensive Sonneneinstrahlung und höhere Pflanzenemissionen verursacht werden, während der Beitrag der Biomasseverbrennung immer noch relativ hoch ist (27 ± 18 %). Die verkehrsbedingten Emissionen schwanken im Laufe der Jahreszeiten zwischen 10 und 15 %, und auch die Emissionen durch kochen (4 bis 10 %) bleiben das ganze Jahr über eine Kleine, aber stetige Quelle. Verkehrs- und Kochemissionen haben einen anhaltenden Einfluss auf die Bildung ultrafeiner Partikel typischerweise in den frühen Nachtstunden des Sommers, wobei biogene flüchtige organische Verbindungen (VOC) zu deren Wachstum beitragen. Minderungsstrategien für ultrafeine Partikel sollten die Verkehrs- und Kochemissionen reduzieren und Pflanzen mit geringeren Terpenemisssionen für die städtischen Grünanlagen auswählen, um das Wachstum sekundärer Aerosole einzudämmen. Eine wesentliche Verbesserung der Luftqualität kann jedoch nur erreicht werden, wenn die Emissionen aus der Biomasseverbrennug (Grillen und Heizen) deutlich reduziert werden.
Die Ergebnisse verdeutlichen das komplexe Zusammenspiel verschiedener Quellen lokalen, regionalen und globalen Ursprungs, wobei die Verbrennung von Biomasse an allen drei Standorten in Süddeutschland die dominierende Quelle darstellt.
Abstract (englisch):
Understanding the sources of volatile organic compounds (VOC) and organic aerosols (OA) is crucial for mitigating air pollution and improving public health, as these components significantly influence air quality, human exposure to ultrafine particles, weather, and climate.
Therefore, I studied VOC and OA sources in four field campaigns across three distinct environments—a mountain in summer (Feldberg, Black Forest), an industrial area in summer (Karlsruhe harbor), and an urban street canyon in summer and winter (Munich). By combining online mass spectrometry of VOC, semi-volatile organic aerosol particles (SVOA), and organic aerosol particles (OA) with detailed statistical analysis by positive matrix factorization (PMF). ... mehrI quantified source contributions, their impacts on air quality, ultrafine particles, and potential aerosol-cloud interaction in these contrasting settings.
The Feldberg site at 1500 m a.s.l. surrounded by the large Black Forest showed relatively low aerosol concentrations due to clean marine air masses from the Atlantic Ocean for 56% of the observation time. Furthermore, the mountain top was in the free troposphere for 88% of the time. This explains also the disconnect between abundant biogenic VOC emissions and limited aerosol formation, with relatively low biogenic contributions to OA due to very low NOx levels that limited VOC oxidation. The OA composition was dominated by aged biomass burning organic aerosol (BBOA) (35±24%), and with substantial contributions from semi-volatile and low volatile oxygenated organic aerosol (SV-OOA: 24±14%; LV-OOA: 23±14%). Chemical composition of semi-volatile organic aerosol revealed photochemical processing as the dominant formation mechanism (79±18%). VOC measurements showed strong influences from aged anthropogenic (35±15%) and biomass burning emissions (21±12%), alongside with oxidized biogenic compounds (25±16%), demonstrating that this mountain top in the Black Forest receives processed polluted air masses from distant sources via transport in the free troposphere. One substantial pollution event was caused by reginal transport of aged BBOA to the Feldberg and another by transcontinental transport of Canadian wildfire plumes causing high BBOA concentrations enhancing ice-nucleating particle numbers, thus potentially influencing cloud properties.
In Karlsruhe's industrial area at the Rhein harbor, I identified three primary aerosol sources: (1) industrial food processing emissions (41±23% of VOC, 20±9% of OA), (2) industrial phyto-emissions—VOC released from plant processing like in the local paper factory (44±27% of SVOA, 30±15% more oxygenated OA), and (3) biomass burning from wildfires in France (26±21% of SVOA). The influence of wildfire plumes was particularly significant, sometimes overlapping with local landfill emissions. Ultrafine particles at this location showed no correlation with primary sources but were formed as secondary organic aerosol for multiple sources.
Munich's air quality exhibited strong seasonal variations, with biomass burning dominating in winter (Aged: 34 ± 15% and Fresh: 7 ± 3%) and spring (Aged: 32 ± 21% and Fresh: 20 ± 6%), due to emissions from heating and barbecue. Winter also sees high regional background pollution (37 ± 12%), related to stagnant atmospheric conditions. In contrast, summer is characterized by biogenic emissions (24 ± 21%) and photochemically generated low volatile oxygenated OA (25 ± 12%), driven by intensive sunlight and higher plant emissions, while biomass burning contributions are still relatively high (27 ± 18%). Traffic emissions range from 10-15 % throughout the seasons and also cooking emissions (4-10%) remain a small but steady source year-round. Traffic and cooking emissions persistently impact ultrafine particle formation, while biogenic VOCs contribute to their growth typically in early night times of summer. Key mitigation strategies for ultrafine particles should reduce traffic and cooking emissions and select low-terpene vegetation to curb secondary aerosol growths. However, only with addressing the biomass burning sources (barbecue & heating) substantial improvement in air quality can be achieved.
The findings highlight the complex interplay of different sources from local, regional and global origin with biomass burning being the dominant source at all three different locations in southern Germany.
