Auf dem Jungfraujoch stehen zur Untersuchung des Aerosols vier Hightech-Geräte im Dauerbetrieb. Bei Intensiv-Messkampagnen, an denen sich jeweils auch internationale Forscherteams beteiligen, kommen zahlreiche weitere Instrumente zum Einsatz. Die so gesammelten Daten, die teilweise online abgerufen werden können, bilden die Basis für die wissenschaftliche Arbeit und fliessen in das globale Aerosol-Datennetz von GAW.

 
 
18 November, 2003

Das Aethalometer ...

 


... misst, wie gut Russpartikel die Energie des Lichtes schlucken können.

 

Aethalometer

Messgrösse: Lichtabsorptions-Koeffizient bei sieben Wellenlängen; Mass dafür, wie gut Aerosolpartikel das Licht für eine bestimmt Lichtwellenlänge absorbieren, das heisst, wie gut sie dieses in sich aufnehmen können.

Messprinzip: Aussenluft (s. Luft-Einlasssystem) wird im Labor durch einen Filter gesaugt. Die in der Luft vorhandenen Aerosolpartikel bleiben im Filter "hängen" und verfärben ihn. Russteilchen beispielsweise schwärzen den Filter, Mineralstaub führt zu einer rötlichen oder gelblichen Färbung
. Das Licht, mit dem der Filter durchleuchtet wird, "misst" nun diese Färbung, indem es beim Durchleuchten mehr oder weniger stark abgeschwächt wird. Es werden alle zehn Minuten jeweils sieben Messungen im ganzen Lichtspektrum durchgeführt, vom "nahen Infrarotbereich" bis ins Ultraviolett. Die Filter von rund einem Zentimeter Durchmesser werden nach wenigen Tagen automatisch ausgewechselt.

Bedeutung:
Ein hoher Absorptions-Koeffizient bedeutet, dass viel Licht absorbiert wird respektive dass viel Lichtenergie im Aerosol deponiert wird. Das Aerosolpartikel wirkt wärmend, was klimarelevant ist.

Weil Russpartikel besonders gut Licht absorbieren können, lässt sich aus dem Absorptions-Koeffizienten auch die Russpartikel-Konzentration berechnen. Je nach Menge der schädlichen Russteilchen besteht eine Gefahr für unsere Gesundheit, da diese Partikel sehr gut lungengängig sind (s. "Warum Aerosolforschung").

Online-Messungen:
Lichtabsorptions-Koeffizient
Russpartikelkonzentration

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Chemische Probe

Eine Messprobe.


Chemische Analyse


Messgrösse:
Chemische Analyse der Zusammensetzung des Aerosolpartikels, insbesondere Bestimmung der wichtigsten Ionen (s. Glossar) wie F- (Fluorid), CH3COO- (Acetat; Ion der Essigsäure), HCOO- (Formiat; Ion der Ameisensäure), Cl- (Chlorid), NO3-(Nitrat), SO42- (Sulfat), C2O42- (Oxalat), Na+ (Natrium), NH4+ (Ammonium), K+ (Kalium), Mg2+ (Magnesium), Ca2+ (Kalzium).

Messprinzip: Auf dem Jungfraujoch wird die Aussenluft angesaugt, und die darin enthaltenen Partikel werden auf Filter von 4.7 Zentimeter Durchmesser abgeschieden. Jedes Filterpaket besteht aus einer Teflonmembran und einem Nylonfilter, der seinerseits Stoffe auffängt, die vom Teflonfilter entweichen, oder, wie der Forscher sagt, "abdampfen". Die so gesammelten Aerosolproben werden gekühlt ins Labor am PSI zur Analyse geschickt. Dort werden die auf dem Filter vorhandenen wasserlöslichen Bestandteile des Aerosols auf ihre chemischen (ionischen) Inhaltstoffe untersucht. Dafür wird der Filter in reinstes Wasser gelegt, worauf sich die wasserlöslichen Partikel-Bestandteile lösen. Nun wird das Wasser mittels Ionenchromatografie analysiert.
Dies geht folgendermassen vor sich: Zu einem definierten Zeitpunkt wird die Probe in die Chromatografiesäule des Ionenchromatografen eingespritzt. Die Säule hält nun die Ionen je nach "Sorte" verschieden lang zurück. So fliessen beispielsweise die Fluorid-Ionen am schnellsten und die Oxalat-Ionen am langsamsten. Die verschiedenen Ionen kommen also zu unterschiedlichen Zeitpunkten ins "Ziel". Über diese "Rennrangliste" lassen sich einzelnen vorhandenen Ionentypen genau bestimmen.
Die festen Bestandteile in der Probe werden nicht untersucht. Ihre Analyse erfolgt jeweils im Rahmen von Intensivmesskampagnen, weil sie wesentlich komplexer und aufwändiger ist.

Bedeutung: Für die Wirkung des Aerosolpartikels ist nebst seiner Grösse auch seine chemische Zusammensetzung entscheidend. So ist zum Beispiel der Lichtbrechungsindex (s. Glossar) davon abhängig, aus welchen chemischen Substanzen das Aerosolpartikel besteht. Wie gut das Aerosolpartikel Licht in den Weltraum rückstrahlen kann, ist für den direkten Aerosoleffekt mitentscheidend (siehe "Warum Aerosolforschung". Im Weiteren ist die Fähigkeit des Aerosols Wasser anzulagern ebenfalls von seiner chemischen Zusammensetzung nebst der Grösse beeinflusst.

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CNC-Messgeraet

Der "CNC" misst, ...

... wieviele Aerosole es in einem Kubikzentimeter Luft hat.

 

 


CNC
(Condensation Nucleus Counter)

Messgrösse: Anzahlkonzentration; Anzahl der Aerosolpartikel in einem Kubikzentimeter Luft.

Messprinzip: Man lässt die Partikel wachsen, indem sie gezwungen werden, "grosse" Mengen Alkohol (Butanol) anzulagern. Ihr Durchmesser nimmt dadurch bis zu einem Faktor 1000 zu. Ein Tennisball, der den gleichen Wachstumsschub erleben würde, wäre nachher mehrere Meter gross. Dadurch, dass die Aerosolpartikel nun grösser sind, sind sie auch für ein Laserlicht sichtbar. Dieses zählt die einzelnen Partikel, indem die Aerosolteilchen durch das Laserlicht fliegen und Streulicht-Blitze verursachen. Diese Blitze werden registriert und gezählt.

Bedeutung: Die Bestimmung der Anzahl Aerosolpartikel ist eine Grundmessgrösse. Die Messungen auf dem Jungfraujoch dienen auch dazu, lokale Luftverunreinigungen festzustellen, und stellen somit eine Qualitätssicherung für sämtliche weiteren Messverfahren dar.

Online-Messungen:
Anzahlkonzentration


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FSSP-Messgeraet
 


FSSP
(Forward Scattering Spectometer Probe)

Messgrösse: Grössenverteilung der Wolkentropfen.

Messprinzip: Ein Laserstrahl durchleuchtet die Wolke. Die Wolkentröpfchen, die vom Laserlicht angestrahlt werden, erzeugen je nach ihrer Grösse ein spezifisches Streulicht. Dieses wird nun seinerseits von einem lichtempfindlichen Sensor gemessen, womit die Grösse bestimmt werden kann.
Dieses Gerät kann nicht in kontinuierlichem Betrieb, sondern nur in Intensiv-Messkampagnen eingesetzt werden, weil es eine regelmässige Betreuung und Wartung braucht.

Bedeutung: Mit den FSSP-Messungen erfahren die Forscher mehr über die mikrophysikalischen Eigenschaften der Wolke. Diese sind wichtig für ein vertieftes Verständnis unter anderem der Vorgänge, wie eine Wolke entsteht, wie sie aufs Klima wirkt oder welche Veränderungen sich durch die vom Menschen verursachten Einflüsse ergeben
(s. "Warum Aerosolforschung").

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HTDMA-Messgeraet
 


HTDMA
(Hygroscopicity Tandem Differential Mobility Analyzer)

Messgrösse: hygroskopischer Wachstumsfaktor; Mass dafür, um welchen Faktor "getrocknete" Aerosolpartikel durch Wasseranlagerung wachsen, wenn sie einer bestimmten höheren Luftfeuchtigkeit ausgesetzt werden.

Messprinzip: Das angesaugte Aerosol (also die Luft und die darin vorhandenen Partikel) wird zunächst getrocknet. Im ersten der beiden Mobilitäts-Analysegeräte (DMA) wird mittels eines elektromagnetischen Verfahrens eine bestimmte Grösse von Partikeln "aussortiert" respektive selektiert. Diese Partikel haben nun einen klar bestimmten Durchmesser, zum Beispiel 100 Nanometer. In einem nächsten Schritt werden diese noch trockenen 100-nm-Teilchen einer ganz bestimmten hohen Luftfeuchtigkeit (mehrheitlich 85 Prozent) ausgesetzt, um danach deren neue Grösse mittels eines zweiten DMAs zu messen.
Typischerweise misst nun das ehemals 100 Nanometer grosse Partikel im Mittel 140 Nanometer. Es ist also um 40 Prozent gewachsen.
Der HTDMA kann nicht in kontinuierlichem Betrieb, sondern nur in Intensiv-Messkampagnen eingesetzt werden, weil er eine regelmässige Betreuung und Wartung braucht.

Auf dem Jungfraujoch kam im Winter 2000 weltweit erstmals ein HTDMA zum Einsatz, der diesen Wachstumsfaktor bei Umgebungsluft messen kann – also nicht, wie bisher üblich, mit auf Labortemperatur erwärmter Luft. Dies hat den Vorteil, dass sich das Aerosolpartikel durch die Erwärmung von -10 Grad auf +25 Grad nicht "verändern" kann, beispielsweise indem sich gewisse Stoffe verflüchtigen. Das einzigartige Gerät, das am Labor für Atmosphärenchemie entwickelt wurde, erhielt von der Weltmeteorologischen Organisation WMO den "Professor Dr. Vilho Vaisala Award 2003".

Bedeutung: Wieviel Wasser das Aerosolpartikel anlagern kann, ist sowohl für den direkten als auch für den indirekten Aerosoleffekt auf das Klima von Bedeutung. Ist die Luft klar, also wolkenlos, dann beeinflusst die Fähigkeit Wasser anzulagern, eher den direkten Aerosoleffekt. Dies, weil Aerosole, die "aufquellen" können, auch mehr Licht streuen (s. "Warum Aerosolforschung").

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Nephelometer

Das Nephelometer ...

... misst, wie gut das Aerosol Licht streuen kann.

 

 


Nephelometer


Messgrösse
: Lichtstreu-Koeffizent; Mass dafür, wie gut das Aerosol Licht "streuen" respektive Licht in den Weltraum zurückstrahlen (Rückstreukoeffizient) kann.

Messprinzip: Das Aerosol wird in eine Messkammer gesaugt, wo es mit Licht beleuchtet wird. Die Menge des gesamten gestreuten Lichts ergibt den Lichtstreu-Koeffizienten, der Anteil des in Richtung der Lichtquelle zurückgestreuten Lichts ergibt den Lichtrückstreu-Koeffizienten.

Bedeutung: Das Wissen, wie gut ein Aerosolpartikel Licht streuen kann, ist wichtig für den "direkten Effekt" des Aerosols, das heisst, seine Fähigkeit, Sonnenlicht in den Weltraum zurückzustrahlen. Indem das Licht in den Weltraum zurückgestrahlt wird, wird der Erde Energie entzogen, was tendenziell
abkühlend auf die Erdoberfläche wirkt (s. "Warum Aerosolforschung").

Online-Messungen:

Lichtstreu-Koeffizient


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PVM-100-Messgeraet
 


PVM-100
(Particulate Volume Monitor)

Messgrösse: Flüssigwassergehalt; Mass dafür, aus wieviel Wasser in flüssiger Form eine Wolke besteht.

Messprinzip: Ein Laserstrahl durchleuchtet die Wolke. Die Menge des abgelenkten Lichts wird gemessen und in ein Mass für den Flüssigwassergehalt der Wolke umgerechnet. Ein geringer Flüssigwassergehalt heisst, dass die
Wolke "dünn" ist, ein hoher dementsprechend, dass es sich um eine "dicke" Wolke handelt, in der es mehr und möglicherweise grössere Wassertröpfchen hat. Dieses Gerät kann nicht in kontinuierlichem Betrieb, sondern nur in Intensiv-Messkampagnen eingesetzt werden, weil es eine regelmässige Betreuung und Wartung braucht.

Bedeutung: Im Rahmen von Feldmesskampagnen, in denen es darum geht, mehr über die Wirkung von Aerosolpartikeln auf die Wolkenbildung zu erfahren, liefert das PVM-100-Messgerät wichtige Grundinformationen – namentlich, wann es während der Messperiode überhaupt Wolken hat und wie dick diese sind.


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Warmer Inlet, ...


... kalter Inlet ...


... und beide zusammen, Seite an Seite.


 


Inlet – Lufteinlass-System


Während auf dem Jungfraujoch einzelne Messgeräte direkt im Freien in Betrieb sind, befindet sich die Mehrheit der eingesetzten Forschungsinstrumente im Innern des Labors, das sich oberhalb der Besucherplattform "Sphinx" befindet (s. "Wie misst man Aerosole/GAW"). Für reproduzierbare und möglichst unverfälschte Messungen ist es wichtig, dass das Ansaugsystem keine Verunreinigungen verursacht und auch für kontinuierliche Bedingungen sorgt.

Technisches Prinzip: Konkret kommen zwei Einlass-Systeme, so genannte Inlets, zum Einsatz. Der eine ist in kontinuierlichem Betrieb
, während der andere nur in Intensiv-Messkampagnen verwendet wird.

Der "einfachere" der beiden ist der geheizte Inlet. Die Heizung hat den Zweck, dass am Lufteinlasssystem keine Vereisungen entstehen können, die in der Folge die Messungen blockieren würden. Eine weitere Eigenschaft des warmen Inlets ist, dass er das Wasser der Wolkentröpfchen verdunstet und die so genannt aktivierten Aerosolpartikel in der Folge wieder frei gegeben werden. Aktivierte Partikel sind jene Aerosolteilchen, die als Keime bei der Wolkenbildung gedient haben und an dem das Wolkentröpfchen gewachsen ist (siehe "Warum Aerosolforschung"). Der Vorgang des Verdunstens einer Wolke ist der Natur "abgeschaut": Rund 90 Prozent aller Wolken verdunsten ohne auszuregnen!

Beim zweiten Inlet handelt es sich um einen so genannten Impaktor, der kalt betrieben wird. Dieser hat die Eigenschaft, dass er die Wolkentröpfchen abscheidet. Befindet sich im konkreten Fall eine Wolke am Jungfraujoch, so wird mit diesem Inlet nur das interstitielle, also das zwischen den aktivierten Wolkentröpfchen liegende Aerosol angesaugt (s. Bild unten). Der Betrieb des Impaktors ist aufwändig, deshalb kommt er nur während Feldmesskampagnen zum Einsatz.


Warum zwei Lufteinlass-Systeme, könnte man sich fragen. Der Grund liegt darin, dass wenn zwei Geräte dieselbe Eigenschaft des Aerosols messen, man aus den unterschiedlichen Eigenschaften der Inlets Rückschlüsse über die Aktivierung der Aerosole zu Wolkentröpfchen (aktiviertes Aerosol) bekommen kann. Es handelt sich dabei im Grunde um eine "einfache" Rechnung:
Resultate "Warmer Inlet" – Resultate "Kalter Inlet" = Eigenschaften derjenigen Partikel, die ein Wolkentröpfchen bilden konnten.


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