LT 06.10.01 UFS
06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
RH [%]
10 12 14 16 60 80 100
Abbildung 4.9: Atmosph¨arische relative Feuchte (RH) f¨ur die atmosph¨arischen Messungen am 06.10.01 (obere Kurve) sowie die reale RH im Str¨omungsrohr, die sich aus der moderaten Str¨omungsrohrbeheizung ergab (untere Kurve). Ohne diese Beheizung w¨urde die RH im SR deutlich h¨ohere Werte als 30% annehmen. Eine sensitive Messung w¨are damit nach Abb. 4.8 nicht mehr m¨oglich, da die Ionenz¨ahlraten zu klein w¨aren.
Wert von 15%. Ohne die moderate Str¨omungsrohr-Beheizung h¨atte die relative Feuchte im Str¨omungsrohr Werte von weit ¨uber 30% angenommen und eine
”sinnvolle“ Messung w¨are nicht mehr m¨oglich gewesen.
4.6 Bestimmung des Untergrunds
Im Gegensatz zu einer optischen Messmethode wie z.B. DOAS [Pla78, Pla79, Per79] ist bei Messungen, die auf Massenspektrometern basieren, eine genaue Charakterisierung des
” Un-tergrunds“ notwendig. Prinzipiell k¨onnte sich in einer Massenlinie noch eine weitere Substanz mit demselben Verh¨altnis m/z verbergen und damit die Messergebnisse verf¨alschen. Effekte dieser Art k¨onnen durch Fragmentierungsstudien, oder durch diagnostische Untersuchungen minimiert bzw. unter Umst¨anden sogar ausgeschlossen werden.
Daher wurde untersucht, ob es eine Erh¨ohung des Untergrunds im Bereich der Massenlinien gibt, die den Substanzen H2SO4 und OH entsprechen. Im Idealfall f¨uhrt man eine Unter-grundmessung so durch, dass man die zu messende Substanz aus der zu untersuchende Luft entfernt ohne dabei die anderen Luft-Komponenten zu ver¨andern. In Abwesenheit dieser Sub-stanz sollte der Untergrund mit dem instrumentellen Untergrund, der sich u.a aus elektroni-schen Rauelektroni-schen zusammensetzt, vereinbar sein. In der Praxis l¨asst sich dies meist aber nur bedingt bewerkstelligen. Um eine fehlerhafte Untergrundbestimmung auszuschließen, wur-den f¨ur beide Substanzen jeweils mehrere unabh¨angige Methoden benutzt. Die Ergebnisse wie auch die Durchf¨uhrung dieser zentralen Untersuchungen werden im Diagnostik-Kapitel 6.1.1 zusammengefasst.
Kapitel 5
Instrumentelles - ROXMAS
Die Oxidation von vielen gasf¨ormigen Substanzen in der Troposph¨are wird nicht nur durch das OH-Radikal sondern auch durch weitere freie Radikale bestimmt. Zu diesen z¨ahlen das Hydroperoxiradikal (HO2) und organische Peroxiradikale (RO2). Diese 3 Radikale bzw. Ra-dikalgruppen stehen miteinander in einem schnellen Fließgleichgewicht auf einer Zeitskala, die in der Gr¨oßenordnung von 1 Minute liegt. Typische troposph¨arische Konzentrationen von HO2 und RO2 liegen im Bereich, der einem Volumenmischungsverh¨altnis von etwa 1-50 ppt entspricht. Zum Verst¨andnis tropospherischer Photochemie ist die Kenntnis der Konzen-trationen von HO2 und RO2 sowie auch die Unterscheidung zwischen beiden eine wichtige Vorrausetzung.
ROXMAS bietet die M¨oglichkeit HO2 und RO2 mit einer hohen Zeitaufl¨osung zu messen und zwischen beiden Radikalgruppen zu unterscheiden.
In diesem Kapitel wird das Instrument vorgestellt mit dem auf 2 europ¨aischen Bergmesssta-tionen Messungen durchgef¨uhrt werden konnten. Beginnend mit den verwendeten Einlasssy-stemen wird anschließend der experimentelle Aufbau von ROXMAS erl¨autert. Dabei wird auf die in Kap. 3 erl¨auterten Grundlagen des Messprinzips zur¨uckgegriffen. Im weiteren wird die Notwendigkeit und die Realisierung einer Automatisierung des Instruments erl¨autert.
5.1 Einlasssysteme f¨ ur Mt.Cimone und Zugspitze
F¨ur die Messungen, die im Rahmen des MINATROC-Projekts (Mineral Dust And Tropospheric Chemistry) auf der Bergmessstation Mt.Cimone (siehe Kap. 9.1) durchgef¨uhrt wurden, be-stand die M¨oglichkeit, das ROXMAS-Instrument in der knapp unterhalb des Gipfels (2165 m
¨uber NN) gelegenen WMO-Station unterzubringen, und entweder einen Deckeneinlass oder einen Einlass durch eines der Fenster zu verwenden. Allerdings sind die Mauern des Geb¨audes aufgrund der rauen winterlichen Bedingungen etwa 1 m dick. Selbst unter optimalen Aufbau-bedingungen h¨atte damit die Einlassd¨use des ROXMAS nur etwa 20 cm aus dem Geb¨aude herausgeragt. Bei Wind aus S¨udwesten h¨atten die Luftmassen den Einlass direkt anstr¨omen k¨onnen. M¨ogliche Radikalverluste an der Außenwand des Geb¨audes h¨atten in diesem Fall zu keinem gravierenden Effekt gef¨uhrt. Bei anderen Wichrichtungen, insbesondere n¨ordlichen Richtungen, h¨atten die Luftmassen zumindest teilweise das Geb¨aude ¨uber- bzw. umstr¨omen m¨ussen, bevor sie vom Einlasssystem h¨atten erfasst werden k¨onnen. Erhebliche Radikalver-luste an den W¨anden des Geb¨audes h¨atten in diesem Fall nicht mehr ausgeschlossen werden k¨onnen.
Um diese nur schwer quantifizierbaren Effekte zu minimieren wurde f¨ur die Messinstrumen-te des MPI-K neben der Station ein Messcontainer aufgesMessinstrumen-tellt. F¨ur ROXMAS wurde ein
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Abbildung 5.1: Deckeneinlass des ROXMAS-Instruments zur Messung und Unterscheidung von HO2 und RO2. Im Inneren des Gebl¨aseeinlasses befindet sich der Str¨omungsrohrreaktor, in dem die Konversion und Verst¨arkung der Peroxiradikale zu H2SO4 stattfindet. Um-fasst wird er von einem weiterem Rohr, durch das atmosph¨arische Luft mit einer Ge-schwindigkeit von etwa 10 m/s am Str¨omungsrohrreaktor vorbeisaugt wird. Deutlich zu erkennen ist der Einlasskegel mit der kritischen D¨use, durch die atmosph¨arische Luft in den Str¨omungsrohrreaktor gesaugt wird. Seitlich sind die pneumatisch gesteuerten Ventile zum automatisierten Betrieb des Instruments montiert. Auf den unteren Ring kann ein Schlechtwetterschutz aufgesetzt werden.
Deckeneinlass in genau der Ecke des Containers installiert, die der Hauptwindrichtung am N¨achsten lag. M¨ogliche Wandverluste konnten somit durch diese Plazierung des Einlasses deutlich veringert werden.
Der ¨außere Teil des Deckeneinlasses ist in der Abb. 5.1 zu sehen. Deutlich zu erkennen ist die kritische Einlassd¨use mit einem Duchmesser von 0.394 mm, die auf den Einlasskegel geschraubt ist. Dieser beinhaltet die Verd¨unnung mit Puffergasen und geht in das Str¨omungs-rohr ¨uber, in dem die Konversion und Verst¨arkung der Radikale bei etwa 280 mbar stattfindet.
Etwa 9 cm unterhalb dieser Einlassd¨use ist in der Abbildung das obere Ende eines weiteren Rohrs mit einem Durchmesser von 16 cm zu erkennen, das das Str¨omungsrohr umschließt.
Durch dieses Rohr wurde atmosph¨arische Luft bei Umgebungsdruck mit einer Geschwindig-keit von etwa 10 m/s gesaugt. Damit sollte erreicht werden, dass insbesondere bei kleinen Windgeschwindigkeiten Luftmassen an die Einlassd¨use des ROXMAS gef¨uhrt werden, die sich außerhalb der
”Grenzschicht“des Containers aufhalten. Aus diesem Volumenstrom wur-de ein kleiner Fluss durch die kritische Einlassd¨use entnommen, die sich etwa 63 cm ¨uber dem Containerdach befand. Radikalwandverluste an den Außenseiten des Containers und am Einlasskegel sollten damit vermindert werden. Ebenso sollten Luftmassen, die sich direkt un-terhalb der Einlassd¨use befanden, abgesaugt werden, da nicht auszuschließen war, dass die in dieser Luftmasse enthaltenen Radikale unter Umst¨anden bereits Wandkontakten mit dem Einlasssystem ausgesetzt waren.
Seitlich dieses ¨außeren Rohres sind diverse automatische und manuell zu bet¨atigende Ven-tile montiert, mit denen es m¨oglich ist, sowohl Messungen im automatisierten Betrieb als auch manuelle diagnostische Untersuchungen durchzuf¨uhren. Unterhalb dieser Ventile befin-det sich der Flansch, auf den der in der Abb. 5.2 gezeigte Schlechtwetterschutz aufgesetzt
5.1. EINLASSSYSTEME F ¨UR MT.CIMONE UND ZUGSPITZE 53
Abbildung 5.2: Aufgesetzter Schlechtwetterschutz f¨ur den Einlass des ROXMAS-Instruments. Im Hin-tergrund ist der Gipfelbereich zu erkennen. Der Abstand zwischen Containerdach und der Einlassd¨use betrug etwa 63 cm.
werden konnte. Desweiteren ist in der Abb. 5.1eine von 2 Profilschienen erkennbar, auf die die in Kap. 7.2.1 beschriebene externe Kalibrationsquelle senkrecht montiert werden konnte.
Neben den Messungen auf dem Mt.Cimone wurden auch auf dem Schneefernerhaus (Zug-spitze) (siehe Kap. 8.1) Messungen von Peroxiradikalen durchgef¨uhrt. Aufgrund der dort herrschenden rauen Wetterbedingungen, die selbst im Sommer ¨ofters zu Schneef¨allen f¨uhren, war es f¨ur diese Messungen nicht m¨oglich, das Instrument außerhalb der Station zu mon-tieren. Daher wurde ein Experimentierraum im 5.OG der Station zur Installation des In-struments verwendet. Der Einlass wurde durch ein Fenster gelegt, das in s¨udlicher Richtung stark exponiert liegt (siehe Abb. 8.1 auf Seite 122). Insbesondere w¨ahrend S¨ udf¨ohnereignis-sen, die im Rahmen des Projektes SCAVEX (Schneefernerhaus Aerosol and Reactive Nitrogen Experiment) untersucht wurden, war damit weitgehend sichergestellt, dass die zu untersu-chenden Luftmassen m¨oglichst wenigen Wandkontakten mit dem Geb¨aude ausgesetzt waren, bevor sie den Einlass erreichten. Bei anderen Windrichtungen war dies leider nur sehr begrenzt der Fall. Trotz der Wahl dieses Fensters war es daher, im Gegensatz zu dem beschriebenen Aufbau auf dem Mt.Cimone, eher unwahrscheinlich zu allen Zeiten mit dem Einlasssystem Luftmassen außerhalb der Grenzschicht des Geb¨audes erfassen zu k¨onnen.
Das f¨ur diese Messungen verwendete Einlasssystem ist in der Abb. 5.3 gezeigt. Im unteren Teil der Abbildung ist im Hintergrund die Verblendung zu erkennen, die das Fenster ersetzt.
Direkt dahinter befindet sich das Massenspektrometer. In beiden Abbildungen gut zu sehen ist die kritische Einlassd¨use (◦/ =0.428 mm), die auf einen anderen als bei der Mt.Cimone Kampagne verwendeten Kegel montiert ist. An diesen angeschlossen beginnt das Str¨omungs-rohr des Instruments, das durch die Verblendung ohne B¨ogen direkt ins Innere des Geb¨audes f¨uhrt, wie auf der unteren Abbildung zu sehen ist. ¨Ahnlich wie bei dem oben beschriebenen Aufbau wurde auch hier ein Gebl¨aseeinlass verwendet, der das Str¨omungsrohr umschließt und atmosph¨arische Luft ansaugt, die oberhalb des Massenspektrometers in das Geb¨aude geleitet wurde. In diesem Fall wurde dieses ¨außere Rohr fast bis zum Beginn der kritischen D¨use verl¨angert, um weiter entfernte Luftmassen anzusaugen, und damit quasi weiter aus dem Geb¨aude
”herausreichen“ zu k¨onnen.
Die zum Betrieb des ROXMAS notwendigen automatisierten und manuellen Ventile wurden seitlich unterhalb des Gebl¨aseeinlasses montiert.
Abbildung 5.3: Einlasssystem, das auf dem Schneefernerhaus (Zugspitze) zur Messung von Peroxira-dikalen verwendet wurde. Das Str¨omungsrohr mit der kritischen D¨use ragt etwa 61 cm aus dem Geb¨aude heraus, und wird von einem Gebl¨aseeinlass umschlossen. Dieser saugt atmosph¨arische Luftmassen an, leitet sie oberhalb des auf dem Bild gezeigten Ausschnitt in das Geb¨aude und r¨uckseitig wieder heraus.