Inhaltszusammenfassung:
Luftverschmutzung spielt in allen Aspekten der modernen Welt eine Rolle. Seit dem letzten Jahrhundert ist es so wichtig wie nie zuvor, die Mechanik und das Verhalten von Aerosolpartikeln in der Atmosphäre besser zu verstehen. Ziel dieser Arbeit war es, kleine Sensorsysteme für zeitlich begrenzte Aerosolmessungen mit einem kleinen unbemannten Flugsystem (UAS) zu entwickeln, das die Möglichkeit bietet, bei hoher Staubkonzentration oder sehr feuchten/bewölkten Bedingungen zu messen, was bisher eine große Herausforderung darstellte. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein leichtes Messsystem konstruiert, das auf einem optischen Sensor mit einem neuartigen Diffusionstrocknungskanal basiert, und das auf zwei verschiedenen UAS untergebracht wurde, einem Multikopter (MASC-MC) und einem Starrflügler (MASC-3). Eine Reihe von Laborexperimenten in einem Nebeltank zeigte, dass der neue Trocknungskanal eine effektive Trocknung für mindestens 30 min ermöglichte (von 95 - 96 % auf 41 % relative Luftfeuchtigkeit). Ein Vergleich des Sensors auf dem MASC-MC mit High-End-Instrumenten einer staatlichen Messeinrichtung für Luftqualität in Mitteldeutschland ergab vielversprechende Ergebnisse bei der Messung von Feinstaub (PM) unter feuchten Bedingungen. Vertikale Profilmessungen durch eine niedrige Stratuswolke zeigten die Zuverlässigkeit des Systems bei der genauen Bestimmung der Wolkenbasis sowie des Wasserdampf- und Flüssigkeitsgehalts innerhalb der Wolke, indem eine Doppelmesstechnik mit identischen Sensoren eingesetzt wurde, die sich nur durch die Nutzung des Diffusionstrockners unterscheiden. Diese Technik der gleichzeitigen PM-Messung mit zwei Sensoren, bei der nur einer der Sensoren mit einem Trockner ausgestattet ist, wurde auch für die Entwicklung einer neuen mathematischen Methode zur Messung der hygroskopischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln und zur Bestimmung des Ursprungs der Luftmasse verwendet, die auf den Unterschieden im Aerosolpartikelgehalt von Umgebungs- und Trockenluftstrom beruht. Ein ähnliches System mit demselben optischen Sensor und Trocknungskanal wurde für Mineralstaubmessungen über Zypern mit dem MASC-3 während eines Saharastaubereignisses im April 2022 eingesetzt. Die wissenschaftliche Nutzlast des MASC-3 ermöglichte die Untersuchung meteorologischer Parameter (Windvektor, turbulente kinetische Energie, potenzielle Temperatur und Mischungsverhältnis), ergänzt durch die Messung der Aerosolpartikelkonzentration und der Elektrischen Ladung des Staubs. Die Messungen erfassten erfolgreich die gesamte Ausdehnung der Saharastaubschicht zwischen 1600 und 2600 m über dem Meeresspiegel (a.s.l.), mit einem Konzentrationsmaximum von 100 cm -3. Entsprechende Messungen der elektrischen Ladung wiesen auf einen Aufladungseffekt durch den Flugzeugkörper hin, der durch die Entwicklung einer Korrektur auf der Grundlage der beobachteten linearen Beziehung zwischen elektrischer Ladung und Staubkonzentration behandelt wurde. Die korrigierten Staubladungsprofile wiesen Spitzen von 3 pC m -3 auf, vor allem an den Rändern der Staubwolke, und stimmen mit den erwarteten Ladungsmengen, basierend auf ein Prozess der Aufnahme von Ionen, überein. Dies zeigt, dass der Staub hauptsächlich durch Aufnahme von Ionen und nicht durch einen triboelektrischen Prozess elektrisch aufgeladen wurde. Dies sind die ersten In-situ Messungen mit einem UAS in Wolken oder Saharastaub, die sowohl Informationen zu Feuchtigkeit und Tröpfchenkonzentration als auch zur elektrischen Ladung von Staub liefern können. Die entwickelten Sensorsysteme können für zukünftige Forschungsprojekte, die In-situ-Beobachtungen mit UAS unter den oben genannten atmosphärischen Bedingungen erfordern, sehr nützlich sein.
Abstract:
Air pollution pervades every aspect of the modern world. Since the last century, the ongoing necessity for deeper comprehension of aerosol particle mechanics and behavior within the atmosphere, has become as crucial as ever. The aim of this work was to develop small-sized sensor systems for short-term aerosol measurements with a small uncrewed aircraft system (UAS), granting the possibility of operation at highly dusty or highly humid / cloudy conditions, which has so far been a burdensome challenge in this scientific field. For achieving such a goal, a lightweight measurement system was constructed, based on an optical sensor with the addition of a novel diffusion drying channel design, and then accommodated on two different UASs, one rotorcraft (known as the MASC-MC) and one fixed-wing aircraft (of type MASC-3). A series of laboratory experiments inside a fog tank showed that the new drying channel provided effective drying (from 95 - 96 % to 41 % relative humidity) for at least 30~min. Comparison of the sensor on the MASC-MC with high-end instrumentation at a governmental air pollution station in central Germany, gave promising results for particulate matter (PM) measurements under humid conditions. Vertical profiling through a low-level stratus cloud showcased the reliability of the system in determining cloud base accurately, as well as water vapour and liquid content inside the cloud, by employing a dual-measurement technique of identical sensors only differing on the addition of the drying channel. This technique of simoultaneous PM measurements with two sensors but a dryer on just one, was also used for the development of a new mathematical method for determining aerosol particle hygroscopic properties and air mass origin, based on the differences between ambient and dry airflow content. A similar system with the same optical sensor and drying channel was adopted for mineral dust measurements above Cyprus with the MASC-3, during a Saharan dust event in April, 2022. The scientific payload of the MASC-3 allowed for probing meteorological parameters (wind vector, turbulent kinetic energy, potential temperature and mixing ratio) with the addition of aerosol particle number concentrations and dust charge. The measurements successfuly captured the whole extent of the Saharan dust layer between 1600 and 2600 m above sea level (a.s.l), with a concentration peak of 100 cm-3. Corresponding charge measurements indicated a charging effect from the aircraft body, which was handled through the development of a correction based on the observed linear relationship between dust charge and concentrations. Corrected dust charge profiles had peaks of 3 pC m-3 mainly at the dust cloud edges, and they matched expected present charge amounts as a result of ion attachment processes. This illustrates that the dust was charged mainly due to ion attachment and not from a tribo-electric process. These are the first in-situ measurements with a UAS inside either clouds or Saharan dust, that can provide information such as moisture and droplet concentrations in the first case, or individual dust charge in the latter case. The developed sensor systems could be highly useful for follow-up research that would require UAS in-situ observations under the aforementioned atmospheric conditions.
