MARGA

Zur kontinuierlichen Charakterisierung von Aerosolen in der Luft ist am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung das Messinstrument MARGA (Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air) von der Firma Applikon (Niederlande) im Einsatz. In einem gemeinsamen Forschungsvorhaben (35101070/2009) mit dem Umweltbundesamt (Dessau-Roßlau) wird das Instrument seit Oktober 2009 an der Forschungsstation Melpitz auf seine Tauglichkeit für Langzeitmessungen getestet. Die MARGA ermöglicht durch die Kombination aus einem rotierenden Ringspaltdenuder (Wet Rotating Denuder, WRD) und einem Steam-Jet-Aerosol-Collector (SJAC) die wasserlöslichen anorganischen Ionen in Partikeln (Cl-, NO3-, SO42-, NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+) und korrespondierenden Spurengasen (HCl, SO2, NH3, HNO3, HNO2) in einer Zeitauflösung von einer Stunde zu quantifizieren. Die Luft wird mit einer Pumpe (ca. 17 l/min) durch das Messinstrument gesaugt. Nachdem die zu analysierende Außenluft ein teflonisiertes PM10-Einlasssystem passiert hat, gelangt sie in den WRD. In dem Denuder werden die wasserlöslichen Gase in einer Absorptionsflüssigkeit (deionisiertes Wasser) gelöst und in ein Probenreservoir überführt. Nach dem WRD wird die von den Spurengasen befreite Luft im SJAC mit Wasserdampf vermischt. Durch die Übersättigung wachsen die enthaltenen Partikel schnell zu Wassertropfen an. Diese Tropfen, die nun nur die wasserlöslichen Ionen der Partikel enthalten, werden gesammelt und ebenfalls in zweites Probenreservoir überführt. Dieser Prozess wiederholt sich nach einer Stunde. Die Quantifizierung der wasserlöslichen Ionen aus den Reservoiren für wasserlösliche Gase und wasserlösliche Ionen aus Partikeln erfolgt online mit Ionenchromatographen und Leitfähigkeitsdetektoren. Die Nachweisgrenze der Ionenchromatographen liegt unter 0,1 μg m-³. Das Detektionssystem wird kontinuierlich durch Verwendung eines internen Standards (LiBr) kontrolliert.

MARGA

Aerosol Massenspektrometrie

Zwei unterschiedliche Aerosolmassenspektrometer werden für die Charakterisierung und Quantifizierung der chemischen Zusammensetzung (Organika, Nitrat, Sulfat, Ammomium und nicht dem Seesalz entstammendes Chlorid) von atmosphärischen Partikeln verwendet. Das hochauflösende Flugzeit-Aerosolmassenspektrometer (HR-ToF-AMS, Aerodyne Inc, USA) wird hauptsächlich für spezifische Intensivmesskampagnen eingesetzt. Dagegen kann das Monitoringsystem mit Quadropole (ACSM, Aerodyne Inc, USA) für Langzeitmessungen genutzt werden. Ein solches Gerät registriert seit Juni 2012 in Melpitz die chemische Aerosolzusammensetzung.

HR-ToF-AMS

Nach dem Durchgang durch eine aerodynamische Linse, werden die Partikel in einem Partikelstrahl vereinigt und ins Hochvakuum eingebracht. Die Geschwindigkeit der Partikel ist dann umgekehrt proportional zu ihrem aerodynamischen Durchmesser. Die Partikel werden nach Auftreffen auf einen Verdampfer (Oberflächentemperatur 600°C) extrem schnell verdampft. Der resultierende Dampf wird durch Elektronen ionisiert (EI, 70eV) und mit Hilfe eines hochauflösenden Flugzeit-Aerosolmassenspektrometer (HR-ToF) detektiert. Vor Erreichen des Massenspektrometers wird der Partikelstrahl mit Hilfe eines Choppers (ca. 150 Hz) mit zwei Schlitzen verifiziert. Es ergeben sich zwei alternative Betriebszustände (mit und ohne Chopper) durch Unterbrechung des Partikelstromes und Zulassen des Partikelstromes. Beim Zulassen des Stromes registriert das AMS die chemische Zusammensetzung der gesamten Probe (MS-mode), wird jedoch der Chopper zur Kontrolle des Partikelstromes verwendet registriert das AMS die Partikel größenaufgelöst (PTOF-mode). Da Ruß, Krustenmaterial und Seesalz nicht erfasst werden und die Durchlässigkeit der aerodynamischen Linsen begrenzt ist, registriert dieses Gerät die Aerosol-Zusammensetzung von verdampfbaren PM1. Die übliche Zeitauflösung beträgt 5 Minuten.

ACSM

Im Prinzip funktioniert dieses Gerät ähnlich wie das HR-ToF-AMS. Der wichtigste Unterschied ist das Fehlen von Informationen zur Größenauflösung und die Verwendung eines Quadrupol MS. Es wird kein Chopper verwendet. Die chemische Zusammensetzung des Aerosols wird gemessen in Umgebungsluft und alternierend zum Vergleich in partikelfreier Luft. Zur Sicherung einer stabilen Langzeitmessung wird Naphthalin als innerer Standard verwendet. Das ACSM registriert die chemische Zusammensetzung des atmosphärischen Aerosols PM1 mit einer Zeitauflösung von 30 Minuten.