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Distribution and Mixing State of Saharan Dust in the Vertical Column - Airborne observations over the Atlantic Ocean in the Cape Verde region

Lieke, Kirsten Inga :
Distribution and Mixing State of Saharan Dust in the Vertical Column - Airborne observations over the Atlantic Ocean in the Cape Verde region.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Distribution and Mixing State of Saharan Dust in the Vertical Column - Airborne observations over the Atlantic Ocean in the Cape Verde region
Language: English
Abstract:

During the Saharan Mineral Dust Experiment (SAMUM) 2008 field campaign, particles with geometric diameters between approximately 0.1 to 25 µm were collected on board of the Falcon sampling aircraft of the Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR, German Aerospace Centre). To investigate the spatial and vertical distribution of aerosol in the Cape Verde region, sampling was performed along the West African coastline and in the Cape Verde region. The chemical composition of these samples was determined by means of electron microscope single particle analysis. The major task of the conducted flights was to observe mixing of Saharan desert dust and biomass burning aerosol from the south Sahel belt. On all days investigated a distinct layer structure of biomass burning aerosol and desert dust layers was observed. The aerosol composition of the small particles (geometric diameter < 0.5 µm) was highly variable and in case of biomass burning strongly dominated by soot with up to 90 % relative number abundance. Internal mixtures of soot particles with mineral dust were not detected. Soot was only observed to mix with secondary sulphate. Biomass burning aerosol particles were enriched in potassium and chlorine originating from the vegetation matrix, and sulphur. After long travel times (aging), particles appeared to be depleted in chlorine and enriched in sulphur. The coarse particles (d > 0.5 µm) were dominated by silicates, which appeared to be mixtures of different minerals. In the Cape Verde region mineral dust is well mixed. For the aerosol arriving from central West Africa a determination of source regions by elemental or mineralogical composition was generally not possible. However, when the air mass followed another transport path, with longer travel time as observed for some high altitude trajectories, the dust origin appeared to be more in the south east of central West Africa, probably in the Bodélé. Refractive indices were calculated for each flight level, revealing a large variance in light absorption, resulting from the high number abundance of soot particles in the biomass burning layers. For a detailed modeling of radiation forcing and resulting effects on climate, the observed layer structure displaying different chemical and physical properties at the respective levels should be taken into account and might lead to some modification of the heretofore known results.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Während der Feldmesskampagne des Saharan Mineral Dust Experiment (SAMUM) 2008 wurden Partikel mit einem Durchmesser von d < 0,1 µm bis d ~ 25 µm an Bord des Messflugzeuges Falcon vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gesammelt. Die räumliche und vertikale Verteilung von in der Kap Verde Region und entlang der West Afrikanischen Küste gesammeltem Aerosol wurde durch elektronenmikroskopische Einzelpartikelanalyse bestimmt. Das Hauptziel der durchgeführten Messflüge war, die Mischung von Wüstenstaub aus der Sahara und Biomasse-Verbrennungs-Aerosol aus der südlichen Sahelzone zu untersuchen. An allen Messtagen trat eine ausgeprägte Schichtung der verschiedenen Aerosoltypen auf. Die Zusammensetzung der kleinen Partikel (geometrischer Durchmesser < 0.5 µm) variierte stark und war im Fall von Biomasse-Verbrennungs-Aerosol deutlich von Rußpartikeln dominiert, wobei der Ruß einen Anteil von bis zu 90 % der Probe ausmachen kann. Es wurden keine internen Mischungen von Ruß mit Mineralstaubpartikeln (Silikaten) gefunden. Ruß trat lediglich in internen Mischungen mit Sulfaten auf, wenn sekundäres Aerosol in hoher Anzahlhäufigkeit vorhanden war. Partikel in Biomasse-Verbrennungs-Aerosol enthielten höhere Anteile an Kalium und Chlor, Elemente die in der Pflanzenmatrix vorkommen, sowie Schwefel. Nach längerer Transportzeit (Alterung) sind diese Partikel reich an Kalium und Schwefel, wobei der Anteil an Chlor stark abnimmt. Die Zusammensetzung der großen Partikel (d > 0.5 µm) wurde deutlich von der Klasse der Silikate dominiert. Diese zeigten sich als Mischungen verschiedener Silikatminerale. Der in der Region Kap Verde ankommende Mineralstaub ist gut gemischt. Eine Zuweisung des gesammelten Aerosols zu möglichen Quellgebieten war generell nicht möglich, wenn die Luftmasse aus dem zentralen West-Afrika kam. Dahingegen zeigte sich ein Unterschied in der Zusammensetzung der Proben in den höheren Schichten, wenn ihre Trajektorien einen anderen, längeren Weg nahmen und möglicherweise einer südöstlicheren Quellregion, nicht nachgewiesen der Bodélé, entstammen. Brechungsindices wurden für jede Flughöhe berechnet. Einhergehend mit der Häufigkeit von Ruß in Biomasse-Verbrennungs-Aerosolschichten zeigte sich eine starke Variabilität der Lichtabsorbtion zwischen den Schichten. Eine derartige Schichtstruktur mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften auf den unterschiedlichen Höhenniveaus sollten durch entsprechend detaillierte Modelle für Strahlungsbilanz und Klima einbezogen werden, was vermutlich zu entsprechenden Modifikationen bisheriger Ergebnisse führen dürfte.German
Uncontrolled Keywords: Sahara Mineral Dust Biomass Burning Atmosphere Complex Refractive Index
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Sahara Mineral Dust Biomass Burning Atmosphere Complex Refractive IndexEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Geowissenschaften
Date Deposited: 20 Apr 2011 13:18
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-25540
Additional Information:

Electronic supplement available

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

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Referees: Weinbruch, Prof. Dr. Stephan and Schüth, Prof. Dr. Christoph
Refereed: 8 April 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2554
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