Einführung in die Klimatologie

Prof. Dr. Otto Klemm

13. Aerosolpartikel

Ø = 2 nm

Ø = 2000 nm = 2 µm

Ø = 20 nm Ø = 200 nm

die Atmosphäre ist ein Aerosol, d.h. eine Gasphase mit darin

dispergierten Partikeln, den sogenannten Aerosolpartikeln

Partikel in der Atmosphäre

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 KomponentenWasser Metalle

GesteinsmaterialSeesalz Pollen, SporenReifenabrieb Flugasche,

Lebenszeit in der Atmosphäre

Tage bis Wochen Minuten bis Tage

Transport-distanzen

bis Tausende von km bis 10er von km

0.01 0.1 1 10 100

Größen-verteilung

homogene Nukleation thermodynamisch stabile Cluster (TSC)

Winderosion (von Land und Ozean) Emissionen (Vulkane, Pflanzenmaterial)

große Partikelkleine Partikel

Sedimentationrainout

washout

heterogeneNukleationKoagulation Kondensation

cloud processing

Ø

dN /

d lo

g D

[ µ

m -

1 ]

accumulation range

Aitken rangeultrafeine Partikel

„Feinstaub“, „PM10“

Größenverteilung

AnzahlverteilungN

Volumenverteilung

V = 4/3 r3

Oberflächenverteilung

S = 4 r2

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

:Colb

eck

, 1

98

8

gealtertes Aerosol

Standort Waldstein, Fichtelgebirge

Beispiel:

in einem Nebelsammler werden Wolkentropfen mit

Dp > 3 µm

effektiv gesammelt

Nebel

Quelle

:Wrz

esi

nsk

y,

19

97

0 10 20 30 40 500

1

2

3

4

5

6

average LWC size distribution

dLW

C /

dD [m

g m

-3 µ

m-1]

droplet diameter / µm

Nebel

Tropfengrößenverteilung des Flüssigwassergehalts

Beispiel:

in der Lunge werden Partikel größensortiert aufgenommen: je kleiner, desto tiefer dringen sie ein

Aufnahme in die Lunge

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rati

on,

19

98

Segmentbronchien

HauptbronchienTrachea

Lappenbronchien

daher die wichtigen Definitionen: PM10, PM2,5, PM1= Partikelmaterial mit Durchmesser unter 10 µm bzw. 2,5 µm und 1 µm