Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 13. Aerosolpartikel PD Dr. Otto Klemm Universität Bayreuth BITÖK Klimatologie, 95440 Bayreuth Tel.: 0921-55-5674; FAX: 0921-55-5799 email: klemm@bitoek.uni-bayreuth.de http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/~Otto.Klemm Stand: 08/2000

Ø = 200 nm Ø = 20 nm Ø = 2 nm Ø = 2000 nm = 2 µm

Partikel in der Atmosphäre die Atmosphäre ist ein Aerosol, d.h. eine Gasphase mit darin dispergierten Partikeln, den sogenannten Aerosolpartikeln Partikel sind von großer Bedeutung in der Atmosphäre weil: sie als Kondensationskerne für Wolkentropfen dienen (bzw. Wolkentropfen sind) sie am Strahlungstransfer in der Atmosphäre sehr wesentlich beteiligt sind sie an Stoffflüssen erheblich beteiligt sind sie toxisch wirken können

man unterscheidet „große“ und „kleine“ Partikel kleine Partikel  < 2 µm große Partikel  > 2 µm Quelle Nukleation, Verbrennungsvorgänge (Kohle, Öl, KFZ, Biomasse) NH3, SO2, NOx, Reaktionen biogener VOCs mit O3 Erosion von Festland und Ozeanen, Flugasche Zusammen-setzung Sulfat, Nitrat, Ammonium, H+ Kohlenstoff (EC + OC), organische Komponenten Wasser Metalle Gesteinsmaterial Seesalz Pollen, Sporen Reifenabrieb Flugasche, Lebenszeit in der Atmosphäre Tage bis Wochen Minuten bis Tage Transport- distanzen bis Tausende von km bis 10er von km

Größen-verteilung Winderosion (von Land und Ozean) homogene Nukleation Emissionen (Vulkane, Pflanzenmaterial) homogene Nukleation  thermodynamisch stabile Cluster (TSC) heterogene Nukleation Koagulation Kondensation cloud processing Größen-verteilung dN / d log D [ µm -1] Sedimentation rainout washout Ø kleine Partikel große Partikel ultrafeine Partikel accumulation range Aitken range „Feinstaub“, „PM10“

Größenverteilung Anzahlverteilung N Oberflächenverteilung S = 4  r2   Volumenverteilung V = 4/3  r3  

Prozesse der Partikeldynamik Neubildung durch homogene Nukleation Wachstum durch heterogene Nukleation Koagulation Impaktion Sedimentation

Verweilzeit in der Atmosphäre Sehr kleine Partikel haben die Tendenz, zu wachsen, sehr große Partikel sedimentieren. Daraus ergibt sich für Partikel mittlerer Größe (0.1 µm < D < 10 µm) die maximale durchschnittliche atmosphärische Verweilzeit. Quelle: Colbeck, 1988

gealtertes Aerosol Standort Waldstein, Fichtelgebirge

Nebel Beispiel: in einem Nebelsammler werden Wolkentropfen mit Dp > 3 µm effektiv gesammelt Quelle: Wrzesinsky, 1997

Nebel Tropfengrößenverteilung des Flüssigwassergehalts

Aufnahme in die Lunge Beispiel: in der Lunge werden Partikel größensortiert aufgenommen: je kleiner, desto tiefer dringen sie ein Hauptbronchien Trachea Segmentbronchien Hofmann et al.: The Lung as a Filter for Inhaled Aerosol Particles - Partivle Deposition Pathways in Human Bifurcation; In Advances in aerosol filtration, 1998 http://userpage.fu-berlin.de/~zombie/5Sem/Physiologie/ATMUNG.html Lappenbronchien daher die wichtigen Definitionen: PM10, PM2,5, PM1 = Partikelmaterial mit Durchmesser unter 10 µm bzw. 2,5 µm und 1 µm