Airborne aerosol particle measurements with a focus on conditions of high humidity and charged mineral dust

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.

Η ατμοσφαιρική ρύπανση επηρεάζει κάθε πτυχή του σύγχρονου κόσμου. Από τον περασμένο αιώνα, η συνεχής ανάγκη για βαθύτερη κατανόηση της μηχανικής και της συμπεριφοράς των σωματιδίων αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα έχει καταστεί πιο επιτακτική από ποτέ. Στόχος αυτής της εργασίας ήταν η ανάπτυξη μικρών συστημάτων αισθητήρων για βραχυπρόθεσμες μετρήσεις αερολυμάτων με ένα μικρό σύστημα μη επανδρωμένου αεροσκάφους (UAS), παρέχοντας τη δυνατότητα λειτουργίας σε συνθήκες υψηλής σκόνης ή υψηλής υγρασίας/νεφελότητας, κάτι που μέχρι στιγμής αποτελεί μια επίπονη πρόκληση σε αυτόν τον επιστημονικό τομέα. Για την επίτευξη ενός τέτοιου στόχου, κατασκευάστηκε ένα ελαφρύ σύστημα μέτρησης, βασισμένο σε έναν οπτικό αισθητήρα με την προσθήκη ενός νέου σχεδίου αφυγραντήρα διάχυσης, το οποίο στη συνέχεια προσαρμόστηκε σε δύο διαφορετικά UAS, ένα ελικοφόρο (γνωστό ως MASC-MC) και ένα αεροσκάφος σταθερών πτερύγων (τύπου MASC-3). Μια σειρά εργαστηριακών πειραμάτων μέσα σε μια δεξαμενή ομίχλης έδειξε ότι το ο αφυγραντήρας παρείχε αποτελεσματική ξήρανση (από 95 - 96% έως 41% σχετική υγρασία) για τουλάχιστον 30 λεπτά. Η σύγκριση του αισθητήρα στο MASC-MC με όργανα υψηλής τεχνολογίας σε έναν κυβερνητικό σταθμό ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην κεντρική Γερμανία, έδωσε πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα για μετρήσεις σωματιδίων (PM) υπό υγρές συνθήκες. Η κατακόρυφη κατατομή ενός χαμηλού επιπέδου στρώματος νέφους κατέδειξε την αξιοπιστία του συστήματος στον ακριβή προσδιορισμό της βάσης των νεφών, καθώς και της περιεκτικότητας σε υδρατμούς και υγρών σωματιδίων μέσα στο νέφος, χρησιμοποιώντας μια τεχνική διπλής μέτρησης πανομοιότυπων αισθητήρων που διέφεραν μόνο στην προσθήκη του καναλιού αφυγραντήρα. Αυτή η τεχνική ταυτόχρονων μετρήσεων PM με δύο αισθητήρες αλλά με αφυγραντήρα μόνο στον έναν, χρησιμοποιήθηκε επίσης για την ανάπτυξη μιας νέας μαθηματικής μεθόδου για τον προσδιορισμό των υγροσκοπικών ιδιοτήτων των σωματιδίων αερολυμάτων και της προέλευσης της αέριας μάζας, με βάση τις διαφορές μεταξύ της περιεκτικότητας σε ατμοσφαιρική και ξηρή ροή αέρα. Ένα παρόμοιο σύστημα με τον ίδιο οπτικό αισθητήρα και κανάλι ξήρανσης υιοθετήθηκε για μετρήσεις ορυκτής σκόνης πάνω από την Κύπρο με το MASC-3, κατά τη διάρκεια ενός νέφους σκόνης στη Σαχάρα τον Απρίλιο του 2022. Το επιστημονικό φορτίο του MASC-3 επέτρεψε την ανίχνευση μετεωρολογικών παραμέτρων (διάνυσμα ανέμου, τυρβώδης κινητική ενέργεια, πιθανή θερμοκρασία και λόγος μείγματος) με την προσθήκη του αριθμού των συγκεντρώσεων σωματιδίων αερολυμάτων και του φορτίου σκόνης. Οι μετρήσεις κατέγραψαν με επιτυχία ολόκληρη την έκταση του στρώματος σκόνης της Σαχάρας μεταξύ 1600 και 2600 μέτρων πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας (a.s.l), με μέγιστη συγκέντρωση 100 cm-3. Οι αντίστοιχες μετρήσεις φορτίου έδειξαν ένα φαινόμενο φόρτισης από το σώμα του αεροσκάφους, το οποίο αντιμετωπίστηκε μέσω της ανάπτυξης μιας διόρθωσης βασισμένης στην παρατηρούμενη γραμμική σχέση μεταξύ φορτίου σκόνης και συγκεντρώσεων. Τα διορθωμένα προφίλ φορτίου σκόνης είχαν κορυφές 3 pC m-3 κυρίως στις άκρες των νεφών σκόνης και αντιστοιχούσαν στις αναμενόμενες παρούσες ποσότητες φορτίου ως αποτέλεσμα διεργασιών προσκόλλησης ιόντων. Αυτό καταδεικνύει ότι η σκόνη φορτίστηκε κυρίως λόγω προσκόλλησης ιόντων και όχι από μια τριβοηλεκτρική διαδικασία. Αυτές είναι οι πρώτες επιτόπιες μετρήσεις με UAS είτε μέσα σε σύννεφα είτε σε σκόνη της Σαχάρας, που μπορούν να παρέχουν πληροφορίες όπως η υγρασία και οι συγκεντρώσεις σταγονιδίων στην πρώτη περίπτωση, ή το μεμονωμένο φορτίο σκόνης στη δεύτερη περίπτωση. Τα ανεπτυγμένα συστήματα αισθητήρων θα μπορούσαν να είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για περαιτέρω έρευνα που θα απαιτούσε επιτόπιες παρατηρήσεις UAS υπό τις προαναφερθείσες ατμοσφαιρικές συνθήκες.

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.