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