Projektbeschreibung: Analyse von Spurengasen in einer inneralpinen Region

Auch wenn sie nur in sehr geringen Mengen vorkommen, bestimmen flüchtige organische Verbindungen (VOCs „volatile organic compounds“) die Luftqualität unserer Atmosphäre. Bodennahes Ozon, das in hoher Konzentration unsere Gesundheit beeinträchtigt, entsteht aus VOCs und Stickoxiden (NO_x) unter Einwirkung von Sonnenlicht. Zusätzlich beeinflussen VOCs auch unser Klima indem sie die Bildung des Treibhausgases Ozon (O₃) und die Bildung des organischen Anteils von Partikel in Luft (Aerosole) entscheidend mitbestimmen. Aktuelle Laborexperimente zeigen wie aus einzelnen „gasförmigen“ VOCs durch chemische Umwandlung neue Partikel entstehen. In unserer Atmosphäre kondensiert Wasserdampf ausschließlich auf speziellen Aerosolpartikeln sogenannten Wolkenkondensationskeimen und nur so kann ein Wolkentropfen entstehen. Daher beeinflussen VOCs die Wolkenbedeckung und wirken sich auf unser Klima aus. Obwohl in Laborexperimenten die chemischen und physikalischen Mechanismen dieser Prozesse untersucht werden, können Messungen in der realen Atmosphäre nicht ersetzt werden.

Ziel dieses Projektes ist es, in Zusammenarbeit mit WissenschaftlerInnen mehrerer Forschungseinrichtungen aus Tirol und Salzburg und den SchülerInnen und LehrerInnen des BORG Mittersill und des BG/BRG Zell am See, einen einzigartigen Datensatz der Zusammensetzung und Quellstärke von VOCs in einem ländlichen, inneralpinen Gebiet zu erstellen.

Dazu werden die Schulen zu modernen Luftgütemessstationen, die mit einem Protonen-Tausch-Reaktions Time-of-Flight Massen-Spektrometer (PTR-ToF-MS) für hoch zeitaufgelöste Messungen von VOCs, einer Wetterstation inklusive eines Ultraschallanemometers und Standardmessgeräten für O₃, NO_x und CO ausgestattet sind. Die hohe Zeitauflösung des PTR-ToF-MS und des Ultraschallanemometers ermöglicht die Anwendung der eddy-covariance Methode zur Flussbestimmung von VOCs. Damit lässt sich die Emissionsstärke dieser Verbindungen in der näheren Umgebung der Messstation bestimmen. Diese Messmethode ist in den letzten Jahren vor allem über verschiedenen Ökosystemen (Nadelwald, Laubwald, Wiesen, etc.) eingesetzt worden, um experimentelle Daten zu liefern, die es erlauben die globalen Emissionsmengen der biogenen VOCs abzuschätzen. Global gesehen sind die Beiträge der biogenen VOC Quellen viel größer als die der anthropogenen Quellen. Für Gebiete mit bedeutenden anthropogenen Einflüssen im Gebirge gibt es kaum Messungen.

Die Ergebnisse der eddy-covariance-Messung werden mit gleichartigen Messungen am Institut für Atmosphären- und Kryosphärenwissenschaften der UNI-Innsbruck verglichen. Damit können die Unterschiede in Konzentration, Zusammensetzung und Quellstärke der Spurengase zwischen einem städtischen, inneralpinen Gebiet (Innsbruck: 120.000 Einwohner) entlang einer Hauptverkehrsroute und einem ländlichen, inneralpinen Gebiet (Mittersill: 5.000 Einwohner; Zell am See 10.000 Einwohner) entlang einer Nebenverkehrsroute herausgearbeitet werden.

Im einem zweiten Ansatz werden von bekannten Schadstoffquellen (Kfz-Verkehr, Biomasseverbrennung, Hausbrand,...) „VOC-Fingerabdrücke“ bestimmt, indem direkt an diesen Quellen Luftproben genommen und mit dem PTR-ToF-MS analysiert werden. Die Außenluftmessungen werden danach hinsichtlich dieser Fingerabdrücke untersucht. Somit kann der Anteil der einzelnen Quellen an der gesamten Schadstoffbelastung bestimmt werden.

An den beiden Standorten Mittersill und Zell am See findet je eine Messkampagne im Sommer und eine im Winter statt, um die jahreszeitlich bedingten Unterschiede zu erfassen. Dabei werden die SchülerInnen zu Wissenschaftsassistenten, die tageweise die Messstation überwachen und bei den erforderlichen Wartungsarbeiten assistieren.

Mindestens einmal pro Messperiode wird an einem „Golden Day“ (mit geeigneten meteorologischen Verhältnissen) die räumliche Repräsentativität der Punktmessung für das ganze Tal überprüft. Dazu werden jeweils 2 Schüler zu einer kleinen Forschungsexpedition aufbrechen. Jedes Team wird einen evakuierten Kanister an geeigneten Stellen in ihren Heimatgemeinden mit Außenluft befüllen. Das Befüllen wird dabei von allen 20 Teams zu exakt derselben vorher vereinbarten Zeit durchgeführt. Dadurch erhält man eine Momentaufnahme der Luftzusammensetzung im gesamten Tal und kann die Repräsentativität von Punktmessungen evaluieren.

 

Project description: Analysis of Trace Gases in an inner-Alpine Region

Even though volatile organic compounds (VOCs) occur only in very small quantities in our atmosphere, they determine air quality and air chemistry.

Ground-level ozone, which in high concentrations affects our health, is produced from VOCs and nitrogen oxides (NO_x) whenever exposed to sunlight. In addition, VOCs also affect our climate since ozone (O₃) is a greenhouse gas and also through the formation of the organic fraction of particles in air (aerosols). Recent laboratory experiments show how individual precursor VOC-gases form new particles after being chemical processed in the atmosphere. In our atmosphere, water vapor condenses only on special aerosol particles called cloud condensation nuclei and forms cloud droplets. Therefore, VOCs affect cloud cover and our climate. Although in laboratory experiments, the chemical and physical mechanisms of this process are examined, measurements in the real environment cannot be replaced.

In this project a collaboration of scientists from several research institutions in Tirol and Salzburg and the students and teachers of the BORG Mittersill and the BG / BRG Zell am See, will create an unique data set of the composition and source strength of trace gases in a rural, inner-Alpine region.

The schools become modern air quality monitoring stations, equipped with a proton-transfer-reaction time-of-flight mass spectrometer (PTR-ToF-MS) for highly time-resolved measurements of VOCs, a weather station, including a sonic anemometer and standard instruments for O₃, NO_x and CO measurements. The high time resolution of the PTR-ToF-MS and the sonic anemometer allows the application of the eddy-covariance method for VOC-flux measurements. Using this method the emission source strength of VOCs in the vicinity of the station can be determined.

In recent years this measuring method has been used, especially on different ecosystem levels (coniferous forest, deciduous forest, meadows, etc.) to provide a unique data for estimating global emissions of biogenic VOCs. Globally, the contributions of biogenic VOC sources are much larger than from anthropogenic sources. Rural areas with significant anthropogenic emissions in the mountains have only rarely been investigated so far.

The results of the eddy-covariance measurements in this rural inner-Alpine region (Mittersill: population of 5.000 ; Zell am See population of 10.000) will be compared with similar measurements at the Institute of Atmospheric and Cryospheric Sciences of the LFU Innsbruck (Innsbruck population of 120.000) along a main traffic route.

In a second approach, “VOC-fingerprints” of known pollution sources (traffic related, biomass burning, domestic heating,...) are determined by taking samples directly at the source location. The outdoor air measurements are then examined for VOC-fingerprints. Thus, the contribution of individual sources to the total pollution load can be estimated. At both measurement sites, Mittersill and Zell am See one measurement campaign will take place in summer and one in winter to capture seasonal changes. The students become science assistants who supervise the air monitoring station on a daily basis and assist during necessary maintenance.

At least once per measurement period, the spatial representativeness of the point measurements for the whole valley will be examined on a "Golden Day" (with appropriate meteorological conditions). For this purpose, pairs of students will start for a small research expedition. Each team will fill an evacuated canister at appropriate points in their home communities with outside air. Every team will fill its canister at exactly the same time. This will provide a snapshot picture of the trace gas distribution in the entire valley atmosphere and helps to evaluate the geographic coverage of the point like air monitoring station.