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Fluorescent Tracers for air-sided Concentration Profile Measurements at the Air-Water Interface

Winter, René

German Title: Fluoreszierende Tracer zur Messung luftseitiger Konzentrationsprofile an der Luft-Wasser-Grenzfläche

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Abstract

Diese Arbeit behandelt die Visualisierung der luftseitigen Stofftransportgrenzschicht zur Untersuchung des Gasaustauschs an einer windbewegten Wasseroberfläche. Hierzu wurde erstmalig eine planare, laserinduzierte Fluoreszenztechnik (PLIF) eingesetzt, womit zeitlich hochaufgelöste vertikale Konzentrationsprofile gewonnen werden können. Dies erlaubt die Untersuchung des Stofftransports von Substanzen die teilweise oder vollständig luftseitig kontrolliert sind, z.B. hinsichtlich des Einflusses der Löslichkeit. Der PLIF Aufbau basiert auf einem gepulsten UV-Laser mit 266 nm Wellenlänge und 20 Pulsen pro Sekunde mit einer Pulsdauer von 6 ns zur Fluoreszenzanregung. Die Aufnahme der Konzentrationsprofile erfolgt mittels einer bildgebenden UV-Optik. Für die Visualisierungsmesstechnik wurde zudem ein optimierter Wind-Wellen-Kanal aufgebaut. Basierend auf einer Literaturrecherche wurde ein Satz von Tracern mit verschiedenen Löslichkeiten ausgewählt. Das PLIF-Signal wurde gemessen und die Tracer hinsichtlich ihrer Signalstärke verglichen. Für eine bestimmte Wind-Wellen-Bedingung wurden die Transfergeschwindigkeit berechnet und der Einfluss der Löslichkeit auf den Gasaustausch ausgewertet. Die Signalstärke von Aceton, Fluorobenzol, Anisol, 4-Fluoranisol, 2,4-Difluoranisol, 2-Fluorphenol und 2-Methoxyphenol erlaubt Aufnahmen von Profilen mit einer Auflösung von 227 um, gemittelt über 2,5 Sekunden. 1,4-Difluorobenzol verfügt über ein Signal stark genug für Einzelpulsmessungen. Das Fluoreszenzsignal von Ethanal und 4-Methylanisol war nicht ausreichend. Die luftseitigen Transfergeschwindigkeiten und der Einfluss der Löslichkeit auf den Transfer konnten jedoch aufgrund von Unsicherheiten durch zu hohe Fluoreszenzdynamik an der Grenzfläche und Mehrfachreflexionen innerhalb der ersten 10 mm nicht abschließend bewertet werden.

Translation of abstract (English)

This study focuses on the first visualization of the air-sided mass boundary layer at the wind-driven air-water interface using a planar laser induced fluorescence technique (PLIF). The PLIF technique gives vertical concentration profiles with high temporal resolution. This allows to investigate the transport for tracers that are partially or fully controlled by the air-sided boundary layer, i.e. to study the influence of substance solubility on gas exchange. The PLIF setup was constructed utilizing a 266 nm pulsed laser operating at 20 Hz with a pulse duration of 6 ns for the fluorescence excitation and UV-optics for acquisition of profile images. A wind-wave tank was built that is optimized for visualization measurements. Based on literature review, a set of tracers with differing solubilities were selected. The PLIF signal of this set was measured and compared in terms of signal strength. For a fixed wind-wave condition the transfer velocity and its solubility dependence is evaluated. Acetone, fluorobenzene, anisole, 4-fluoroanisole, 2,4-difluoroanisole, 2-fluorophenol and 2-methoxyphenol provide sufficient signal strength to acquire vertical air-sided concentration profiles averaged over 2.5 s with a resolution of 227 um. 1,4-Difluorobenzene provides a signal strong enough for single pulse measurements. The signal provided by ethanal and 4-methylanisole was to low for the current setup. The air-sided transfer velocities and the effect of the solubility on gas exchange could not be assessed from the concentration profiles due to multiple reflections (within the first 10 mm) and too high fluorescence dynamics in the water at the interface.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Date of thesis defense: 25 May 2011
Date Deposited: 16 Jun 2011 12:16
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Wind-Wellen-Kanal, VOC <Ökologische Chemie>, UV-Spektrometer, Ultraviolettspektroskopie, Ultraviolettlaser, Laserinduzierte Fluoreszenz, G
Uncontrolled Keywords: Laser Induced Fluorescence, Air-Sea Gas Exchange, Wind-Wave-Tank, VOC
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