Absorptionsbestimmung an natürlichem Mineralstaub

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1 Absorptionsbestimmung an natürlichem Mineralstaub M. Vragel (1), C. Linke (1), M. Schnaiter (1), T. Ajtai (2), Z. Bozóki (2) und Th. Leisner (1) (1) Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-AAF), Forschungszentrum Karlsruhe, Deutschland (2) Department of Optics and Quantum Electronics, Universität Szeged, Ungarn 1. Einleitung Mit 1,5 Gt Masseneintrag pro Jahr stellt Mineralstaub den größten Anteil an natürlichem, atmosphärischem Aerosol dar. Hauptquellgebiete befinden sich in den großen Wüstenregionen der Erde, wie z. B. die Sahara oder die Wüste Gobi in China. Der Eintrag von Wüstenstaub in die Atmosphäre ist abhängig von der Korngrößenverteilung am Boden, der Rauhigkeit des Geländes und der Bodenfeuchte. Diese Parameter beeinflussen die kritische Windgeschwindigkeit, oberhalb derer Mineralstaub vom Boden aufgewirbelt wird. In etwa 5 km Höhe wird der Staub durch globale Windsysteme mehrere Tausend Kilometer weit transportiert. Mineralstaub wirkt u.a. als Dünger für den südamerikanischen Regenwald und Meeresalgen. Die Auswirkungen des Staubes auf das Klima sind noch weitgehend unbekannt (IPCC 2007) und werden am Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK- AAF) des Forschungszentrums Karlsruhe untersucht. Mineralstaub beeinflusst durch Veränderung der Wolkeneigenschaften indirekt den Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre. Eine direkte Beeinflussung des Klimas geschieht durch Streuung und Absorption des kurzwelligen Sonnenlichtes an den Mineralstaubpartikeln. Zur Festlegung des direkten Strahlungsantriebes von Mineralstaub werden in Strahlungstransportmodellen u.a. die optischen Eigenschaften der Partikel benötigt. Wichtige optische Parameter sind dabei der spektrale Extinktionskoeffizient, die Einfachstreualbedo, d.h. das Verhältnis von Streuung zu Extinktion, sowie die winkelabhängige Streufunktion. Mineralstaubpartikel sind asphärische Agglomerate, die u.a. aus Quarz, Tonmineralen und eisenhaltigen Mineralien bestehen. Die optischen Partikeleigenschaften hängen daher von deren Form, Größe und mineralogischer Zusammensetzung ab. Wegen der irregulären Partikelform können die optischen Aerosoleigenschaften mit numerischen Methoden nicht hinreichend genau beschrieben werden. Aus diesem Grund werden am IMK-AAF die für die Strahlungstransportmodellierung notwendigen optischen Parameter experimentell bestimmt. 2. Experimentelle Vorgehensweise Für unsere Experimente verwenden wir Sandproben, die im Rahmen der SAMUM- Feldmesskampagne (SAharan Mineral dust experiment) in Marokko gesammelt wurden, sowie weitere Saharasande. Mineralstaubpartikel der Größenfraktionen < 20 µm oder µm werden in eine 3.7 m³ große Aerosolkammer dispergiert. Ein Zyklon mit einer Abscheidekante von 1.5 µm begrenzt dabei den mittleren Durchmesser der eingeleiteten Mineralstaubpartikel. Die so erzielten anfänglichen Partikelanzahlkonzentrationen von cm -3 nehmen über einen relativ langen Zeitraum von drei bis vier Stunden um etwa eine Größenordnung ab und ermöglichen damit eine genaue Messung der Extinktions-, Streu- und Absorptionseigenschaften.

2 2.1. Extinktionsspektrometer LOPES Das LOng Path Extinction Spectrometer (LOPES) dient der Messung des Aerosol- Extinktionskoeffizienten im Spektralbereich nm mit einer Auflösung von 2.5 nm. [1]. Die Nachweisgrenze des Systems liegt bei circa 4*10-4 m -1. Abbildung 1 zeigt ein Schema des LOPES-Systems. Parabolspiegel Aerosolzelle Umlenkspiegel Länge L Emissionsfaser Empfangsfaser CH 1 CH 2 UV-VIS Lichtquelle UV-VIS Diodenarrayspektrometer 3.5mm Abb. 1: Schema des LOPES-Systems und Querschnitt durch eine optische Faser Über eine wasserstoffdotierte optische Faser und einen Parabolspiegel wird Licht aus einer breitbandigen UV-VIS-Strahlungsquelle in eine bis zu drei Meter lange Aerosolzelle eingestrahlt. Durch die Faltung des Lichtweges mittels eines Umlenkspiegels können optische Weglängen von bis zu sechs Metern realisiert werden. Ein Diodenarrayspektrometer detektiert das vom Aerosol im Extinktionsrohr abgeschwächte Lichtsignal sowie das ungeschwächte Lichtquellensignal. Dadurch können etwaige Drifts der Strahlungsquelle korrigiert werden. Es werden abwechselnd Spektren von partikelhaltiger und partikelfreier Luft aufgezeichnet. Nach dem Beer-Lambertschen Gesetz ergibt sich daraus der Aerosol-Extinktionskoeffizient. Bezieht man diesen auf die Aerosolmasse, erhält man Extinktionsquerschnitte Photoakustisches Spektrometer MuWaPAS Für die direkte Bestimmung des Aerosol-Absorptionskoeffizienten wird bei der photoakustischen Methode die Umwandlung von modulierter Lichtstrahlung in Schall bei Absorption durch die Aerosolpartikel ausgenutzt. Die Absorptionsmessung erfolgt bei den Wellenlängen 266, 355, 532 und 1064 nm in vier photoakustischen Zellen (Abbildung 2). Die Nachweisgrenzen des Systems liegen bei 1*10-6 m -1 im sichtbaren und infraroten Spektralbereich sowie bei 1*10-5 m -1 im nahen und fernen UV.

3 Abb. 2 : Instrumenteller Aufbau des PAS-Systems mit vier photoakustischen Zellen 3. Absorptionsbestimmung von Mineralstaub mittels Differenzmethode Die Aerosol-Streukoeffizienten werden mit einem kommerziell erhältlichen integrierenden Nephelometer (Typ 3563, TSI) gemessen. Die Aerosol-Absorption ergibt sich aus der Differenz zwischen Extinktions- und Streukoeffizient. Das Gesichtsfeld des Nephelometers umfasst den Winkelbereich 7-170, damit fehlen die für große Partikel besonders relevanten Streusignale für Winkel unterhalb 7. Aus diesem Grund müssen die mit dem Nephelometer gemessenen Streukoeffizienten abhängig von der Partikelgröße und möglicherweise auch von der Partikelform korrigiert werden. Abb. 3: Experimentell bestimmte Nephelometerkorrektur für monodisperse Latexkügelchen Wir haben systematische Laborversuche mit monodispersen Latexkügelchen der Durchmesser 125, 200, 300, 500 und 800 nm zur Feststellung der Nephelometerkorrekturfaktoren in Abhängigkeit der Partikelgröße und Nephelometerwellenlänge durchgeführt. Für rein streuende Aerosole wie Latexpartikel ergibt sich die Nephelometerkorrektur aus dem Verhältnis Extinktion zu Streuung. Abbildung 3 zeigt, dass mit der Partikelgröße auch der

4 Nephelometerkorrekturfaktor steigt. Dieser systematische Messfehler ist abhängig von der Wellenlänge und ist im blauen Spektralbereich größer als im roten. Weiterhin gibt es Hinweise auf eine Formabhängigkeit der Nephelometerkorrektur. Dies wird von ersten Versuchen mit Quarzsphären und Quarzsplittern ähnlichen aerodynamischen Durchmessers bestätigt, siehe Tabelle 1. Nephelometerkorrektorfaktor D aerodynamisch [nm] δ 450 nm 550 nm 700 nm Quarzsphären Quarzsplitter Tab. 1: Experimentell ermittelte Nephelometerkorrektur für Quarzpartikel verschiedener Form und ähnlicher aerodynamischer Größe Dies deutet darauf hin, dass natürliches Mineralstaubaerosol deutlich höhere Korrekturfaktoren aufweist als dies für kugelförmige Partikel der Fall ist. Solche Messungen können deshalb nur unzureichend mit Streurechnungen auf Basis der Mie-Theorie kugelförmiger Partikel korrigiert werden. Dies ist insbesondere ein Problem bei der Berechnung der Absorption aus der Differenz von Extinktion und Streuung im Falle von Mineralstaubaerosolen mit einem, im Vergleich zum Streuanteil, nur sehr geringem Absorptionsanteil in der Lichtextinktion. Aus diesem Grund ist für eine verlässliche Bestimmung des Absorptionskoeffizienten von Mineralstäuben eine direkte Messmethode der Lichtabsorption unerlässlich. 4. Direkte Messung der Absorption mit einem photoakustischen Spektrometer In ersten Experimenten wurde ein Prototyp des MuWaPAS-Systems (siehe Abschnitt 2.2) zur Bestimmung der Absorptionskoeffizienten von natürlichen Mineralstäuben eingesetzt [2]. Experimente an pseudokubischen Hämatitkristallen (Abb. 4) zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und modulierten Extinktions- und Absorptionsquerschnitten (Abb. 5). Abb. 4: Pseudokubische Hämatitkristalle, Kantenlänge 570 nm

5 massenspezifische Querschnitte [m 2 /g] 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Extinktion, Experiment MIN05a_3 Extinktion, Modell cmd=0.53 nm, sigma 1.1 Absorption, Modell cmd=0.53 nm, sigma 1.1 PAS-Absorption, Experiment MIN05a_3 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1, 0 Wellenlänge [µm] Abb. 5: Massenspezifische Querschnitte für pseudokubischen Hämatit, Dichte 5.3 g/cm 3, optische Konstanten von Query, 1987 [3]. Für die Modellierung der Lichtabsorption und extinktion wurden die Partikel als kugelförmig angenommen. 5. Zusammenfassung und Ausblick Das Nephelometer ist für die Bestimmung der Streukoeffizienten (und damit in Verbindung mit Extinktionsmessungen der Absorptionskoeffizienten) von natürlichem Mineralstaub nicht geeignet, weil Korrekturen nur sehr unzureichend möglich sind. Der Absorptionskoeffizient von Mineralstaub muss deshalb direkt experimentell bestimmt werden. In weiteren Experimenten zu den Absorptionseigenschaften natürlicher Mineralstäube steht die Untersuchung der Auswirkung von Eisenoxidphasen auf die spektrale Absorption im Mittelpunkt. 6. Literatur [1] Schnaiter et al., Measurement of Wavelength-Resolved Light Absorption by Aerosols Utilizing a UV-VIS Extinction Cell, Aerosol Science and Technology, 39, 249, 2005 [2] Linke, C. et al., Optical Properties and Mineralogical Composition of Different Saharan Mineral Dust Samples: A Laboratory Study, Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 6, 3315, 2006 [3] Query, M. R., Optical Constants of Minerals and Other Materials from the Millimeter to the UV, Rep. CRDEC-CR-88009, U.S. Army, Aberdeen, MD, 1987