Multi-instrument investigation of mineral dust particle size from fine to giant at a desert emission source

Mineralische Staubpartikel, die von trockenen, unbedeckten Böden emittiert werden, können über weite Entfernungen transportiert werden und dadurch atmosphärische Prozesse wie Strahlung, Wolkenbildung und biogeochemische Kreisläufe beeinflussen, was sich letztlich sowohl auf das regionale als auch auf das globale Klima auswirkt. Diese Auswirkungen sind stark größenabhängig. So erwärmen beispielsweise größere Partikel die Atmosphäre durch Strahlungswechselwirkungen, während kleinere Partikel im Allgemeinen zur Abkühlung beitragen. Um genau zu verstehen, wie sich die Größe von Staubpartikeln während des Transports entwickelt, ist es entscheidend, die Partikelgrößenverteilung (PSD) bei der Emission zu charakterisieren. ... mehrGroße Partikel mit Durchmessern $d_p$ > 10 µm sind trotz ihrer erheblichen Auswirkungen auf die Umwelt besonders wenig erforscht. Die Messung dieser Partikel stellt jedoch aufgrund ihrer erwarteten geringen Anzahlkonzentrationen und der begrenzten Probenahmeeffizienz vieler Instrumenteneinlässe eine Herausforderung dar.

Diese Doktorarbeit charakterisiert die Staub-PSD an einer Emissionsquelle während der J-WADI-Kampagne (Jordan Wind Erosion and Dust Investigation), die im September 2022 in der Nähe von Wadi Rum, Jordanien, durchgeführt wurde und konzentriert sich dabei auf supergrobe (10 < $d_p$ ≤ 62, 5 µm) und riesige ($d_p$ > 62, 5 µm) Partikel. Diese Studie ist die erste, die konsequent den gesamten Durchmesserbereich von $d_p$ = 0, 4 bis 200 µm abdeckt, indem sie mehrere Aerosolspektrometer mit überlappenden Größenbereichen verwendet. Dies ermöglicht einen systematischen Vergleich und eine Validierung der Instrumente für die Kampagne und die kommenden Messungen, wodurch die PSD-Zuverlässigkeit verbessert und die Herausforderungen bei der Erkennung größerer Partikeln, wie z. B. Einlass-Effizienzen oder Einschränkungen des Größenbereichs diskutiert.

Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche PSD-Variabilität im Verlauf der Kampagne. Während der Zeiträume mit Schubspannungsgeschwindigkeiten ($u_∗$ ) über 0,22 ms$^{−1}$ , dem ungefähren Schwellenwert für lokale Staubemissionen durch Saltation, stiegen typischerweise sowohl die Staubkonzentrationen als auch die Beiträge von supergroben und riesigen Partikeln mit zunehmendem $u_∗$ , insbesondere unter neutraler bis instabiler atmosphärischer Schichtung. Diese großen Partikel machten währenddessen etwa 85% der Gesamtmassenkonzentration aus, was die Bedeutung der Einbeziehung supergrober und riesiger Partikel in PSD-Analysen unterstreicht. Ein markanter Peak der Massenkonzentration wurde in der Nähe von $d_p$ = 60 µm geometrischem Durchmesser beobachtet. Während die Partikelkonzentrationen für $d_p$ < 10 µm bei den meisten Instrumenten gut übereinstimmen, treten bei größeren $d_p$ Diskrepanzen auf, die auf die verringerte Empfindlichkeit der Instrumente an den Grenzen des Größenbereichs und die geringe Effizienz der Probenahme zurückzuführen sind. Trotz dieser Probleme bestätigen die mit einem Flachplattensammler gesammelten physikalischen Proben weitgehend die von den Aerosolspektrometern abgeleiteten PSDs.

Diese Ergebnisse verbessern die Charakterisierung der Staub-PSD über einen weiten Partikelgrößenbereich an Emissionsquellen und tragen dazu bei (1) die Emission und den Transport von supergroben und riesigen Staubpartikeln auf Prozessebene besser zu verstehen, (2) einen robusten und übertragbaren Mess- und Auswertungsrahmen für zukünftige Kampagnen zu schaffen und (3) verbesserte Beobachtungsdaten zu schaffen, die die Verfeinerung von Staubparametrisierungen in atmosphärischen Modellen unterstützen können.

Mineral dust particles emitted from dry, uncovered soil can be transported over vast distances, thereby influencing atmospheric processes such as radiation, cloud formation, and biogeochemical cycles, which ultimately affects both regional and global climates. These effects are highly size-dependent. For example, larger particles tend to warm the atmosphere through radiation interactions, while smaller particles generally contribute to cooling. To accurately understand how dust particle sizes evolve during transport, it is crucial to characterize the particle size distribution (PSD) at emission. ... mehrLarge particles with diameters $d_p$ > 10 µm are particularly understudied, despite their significant environmental effects. However, measuring them poses challenges due to their expected low number concentrations and the limited sampling efficiencies of many instrument inlets.

This PhD thesis characterizes the dust PSD at an emission source during the Jordan Wind Erosion and Dust Investigation (J-WADI) campaign, conducted near Wadi Rum, Jordan, in September 2022, focusing on super-coarse (10 < $d_p$ ≤ 62.5 µm) and giant ($d_p$ > 62.5 µm) particles. This study is the first to consistently cover the full range of diameters from $d_p$ = 0.4 to 200 µm by using a suite of aerosol spectrometers with overlapping size ranges. This enables a systematic intercomparison and validation across instruments for the campaign and forthcoming measurements, improving PSD reliability and addressing challenges in detecting larger particles such as inlet efficiencies or size range restrictions.

Results show significant PSD variability over the course of the campaign. During periods with friction velocities ($u_∗$ ) above 0.22 ms$^{−1}$ , the approximate threshold for local dust emission by saltation, both dust concentrations and the contributions of super-coarse and giant particles typically increased with increasing $u_∗$ , especially under neutral to unstable atmospheric stability conditions. These large particles accounted for about 85% of the total mass concentration during dust emission events, emphasizing the importance of including super-coarse and giant particles in PSD analyses. A prominent mass concentration peak was observed near $d_p$ = 60 µm in geometric diameter. While particle concentrations for $d_p$ < 10 µm show good agreement among most instruments, discrepancies appear for larger $d_p$ due to reduced instrument sensitivity at the size range boundaries and sampling inefficiencies. Despite these challenges, physical samples collected using a flat-plate sampler largely confirm the PSDs derived from the aerosol spectrometers.

These results advance the characterization of the dust PSD over a wide particle size range at emission sources and contribute to (1) a better process-level understanding of the emission and transport of super-coarse and giant dust particles, (2) a robust and transferable measurement and evaluation framework for future campaigns, and (3) improved observational constraints that can support the refinement of dust parameterizations in atmospheric models.