Experimentelle Bestimmung der Depositionsgeschwindigkeit luftgetragener Partikel mit Hilfe der Eddy-Kovarianzmethode über einem Fichtenaltbestand im Solling
Determination of dry deposition of airborne particles to a spruce forest by eddy-correlation
by Matthias Bleyl
Date of Examination:2001-01-30
Date of issue:2002-10-08
Advisor:Prof. Dr. Gerhard Gerold
Referee:Prof. Dr. Gode Gravenhorst
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
The aim of this dissertation was to determine the deposition velocity of atmospheric particles for a spruce stand as a function of the particle size and the atmospheric conditions using the eddy correlation method. For this purpose, measurements with a high time resolution (1 Hz or more) are needed for particle concentration (as a function of particle size) as well as for vertical wind velocity at one point above the forest. An optical particle counter PCS-2000 (Palas) was used for the measurement of particle concentration, and a sonic anemometer USAT3 (Metek) was used for the measurement of vertical wind velocity. The measurements were part of the research program "Atmosphärische Aerosolforschung" of the Federal Ministry of Education and Research, and were carried out at the Solling site in Germany. The PCS-2000 is able to detect atmospheric particles between 0.2 and 10 µm diameter. For this range, a mean particle concentration of about 800 particles per square centimeter was found with the maximum of concentration in the lowest size class. Generally, the diary of particle concentration seems to depend strongly on the relative humidity of the air. In detail, the particle concentration depends on a variety of processes, such as particle transport, particle formation, particle modification and especially particle deposition. The relative contribution of each of these processes to the resulting amount of concentration has to be calculated using sophisticated models. At times with high relative humidity, a significant shift of the concentration maximum from less then 0.2 µm diameter to between 1 and 2 µm diameter was found for the particle spectrum. During this times, the spectrum is mainly determined by fog particles. This implication could be confirmed by control measurements with a digital camera, too. Unfortunately, time series of particle concentration with resolutions of 1 Hz and more registered by the PCS-2000 measurements are extremely noisy. This phenomenon can be completely traced back to the measurement technique of the PCS-2000 which detects each particle separately. As a direct result of the high statistical uncertainties of very fast concentration measurements, the deposition velocities calculated from data measured by the PCS-2000 are characterized by a high statistical error. This error can be keenly predicted using the (measured or expected) standard deviation of vertical wind speed, the mean particle concentration, the volume of air which is analyzed by the device for particles per time, and the measurement frequency. The lower the particle concentration and the lower the volume of air which is analyzed for particles per time, the higher is the statistical error of the calculated particle flux and deposition velocity. Furthermore, particle fluxes determined by the eddy correlation method are unrealistically high and not explainable by material fluxes between atmosphere and vegetation at times with high relative humidity. This phenomenon is caused by very fast and continuous size changes of the particles in the humid air. Altogether, a reasonable analysis of the recorded data set was only possible for a small part of the whole measurement period (in respect to particle concentration, wind speed and humidity) and generally only for the lower part of the particle spectrum detected by the PCS-2000. For the whole measurement period, mean deposition velocities of 1.05 cm/s (0.22 µm diameter particle size), 1.23 cm/s (0.30 µm) and 1.47 (0.42 µm) were found. This means that deposition velocity grows with the particle size in the investigated range from 0,2 to 0,5 µm diameter. The amount of deposition velocity depends mainly on the intensity of mechanically induced turbulence as well as on the thermal stability of the atmosphere. The most important task for future micro-meteorological investigations relating to particle deposition should be the design and the development of reasonable particle analyzer for fast, size-specific concentration measurements.
Keywords: airborne particle; aerosol; fog; flux measurements; particle deposition; dry deposition; deposition velocity; eddy correlation method; eddy covariance method
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Ziel der vorliegenden Arbeit war die Bestimmung der Depositionsgeschwindigkeit luftgetragener Partikel über einem Fichtenaltbestand im Solling. Als Untersuchungsmethode wurde die Eddy - Kovarianzmethode ausgewählt, als Messgerät für die zeitlich hochaufgelöste und größenspezifische Bestimmung der Partikelkonzentration stand ein kommerzieller Partikelzähler PCS-2000 der Firma Palas (hiernach: OPC) zur Verfügung. Für den durch den OPC abgedeckten Größenbereich von 0,2 bis 10 µm Durchmesser wurde für den gewählten Untersuchungsstandort eine mittlere Konzentration von knapp 800 Partikel pro cm³ bestimmt. Der Gang der Partikelkonzentration im Tagesverlauf zeigt eine starke Abhängigkeit vom Gang der relativen Feuchte und ist wahrscheinlich von einer Vielzahl von Prozessen des Partikelantransports, der Partikelbildung, der Partikelumwandlung und insbesondere auch der Partikeldeposition bestimmt, deren konkreten Einzelbeiträge nur im Rahmen einer umfassenden Modellierung bestimmt werden können. Das Partikelspektrum ist bei hohen relativen Luftfeuchten durch eine Verschiebung des Konzentrationsmaximums von Partikeln < 0,2 µm Durchmesser hin zu Partikel von 1 bis 2 µm Durchmesser geprägt. Bei den unter den Bedingungen der hoher Luftfeuchte verstärkt auftretenden Partikeln handelt es sich um Nebeltröpfchen. Nebelbildung und Nebelperioden können mit Hilfe des OPC hervorragend registriert, beobachtet und analysiert werden. Die mit dem OPC aufgenommenen, zeitlich hochaufgelösten Zeitreihen der Partikelkonzentration sind ausgesprochen stark verrauscht. Dieses Phänomen kann vollständig auf das verwendete Messprinzip der Einzelpartikelanalyse zurückgeführt werden. Als direkte Folge der hohen statistischen Unsicherheit schneller Konzentrationsmessungen mit Einzelpartikelanalysatoren sind auch die aus dem Konzentrationssignal berechneten Depositionsgeschwindigkeiten mit einem großen statistischen Fehler behaftet. Dieser Fehler kann aus der tatsächlichen oder erwarteten Standardabweichung der vertikalen Windgeschwindigkeit, der mittleren Partikelkonzentration, der Größe des auf das Vorhandensein von Partikeln untersuchten Luftvolumens und der Messfrequenz vorhergesagt werden. Je niedriger die Partikelkonzentration und das pro Zeiteinheit untersuchte Luftvolumen ist, umso größer ist die statistische Unsicherheit bei der Flussbestimmung. Bei einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit werden mit der Eddy - Kovarianzmethode Partikelflüsse berechnet, die in Hinblick auf den Stoffaustausch zwischen Vegetation und Atmosphäre nicht logisch erklärt werden können. Diese Scheinflüsse sind das Ergebnis einer raschen und stetigen Größenänderung der in der Luft vorhandenen Partikel. Die sinnvolle Auswertung des aufgenommenen Datensatzes setzt eine umfangreiche Selektion und eine leichte Modifikation der Daten voraus. Die über den gesamten Messzeitraum gemittelten Depositionsgeschwindigkeiten betragen 1,05 cm/s (0,22 µm), 1,23 cm/s (0,30 µm) bzw. 1,47 cm/s (0,42 µm Partikeldurchmesser). Der Betrag der Depositionsgeschwindigkeit steigt somit im Größenbereich von 0,2 bis 0,5 µm Partikeldurchmesser mit der Partikelgröße an. Für Partikel mit einem Durchmesser größer 0,5 µm konnte die Depositionsgeschwindigkeit mit Hilfe der Eddy - Kovarianzmethode nicht sinnvoll bestimmt werden. Die Höhe der Depositionsgeschwindigkeit wird maßgeblich von der Stärke der mechanisch induzierten Turbulenz und der Stabilität der Atmosphäre determiniert. Vorrangige Aufgabe zukünftiger mikrometeorologischer Arbeiten zur Partikeldeposition sollte die Entwicklung geeigneter Partikelmesser für schnelle, größenspezifische Konzentrationsmessungen sein.
Schlagwörter: Partikel; Aerosol; Nebel; Partikelfluss; Eddy - Kovarianzmethode; Einzelpartikelanalyse