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Neues Design von Langpfad-DOAS-Instrumenten basierend auf Faseroptiken und Anwendung der Untersuchung der urbanen Atmosphäre

Merten, André

English Title: New Design of Longpath-DOAS instruments based on fibre optics and applications in the study of the urban atmosphere

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Abstract

Mit Hilfe von Differentieller Optischer Absorptionsspektroskopie (DOAS) in Verbindung mit sehr langen Lichtwegen, lassen sich viele Spurengase in der Atmosphäre nachweisen. Damit ist die DOAS-Methode ein wichtiges Verfahren zu Quantifizierung gasförmiger Schadstoffemissionen und der Erforschung des photochemischen Smogs. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass durch die Verwendung von Faseroptiken die spektrale Charakterisierung der verwendeten Lichtquelle deutlich verbessert und damit die Nachweisgrenzen gesenkt werden können. Dies wurde sowohl an einem Vielfachreflektionssystem (White-Zelle) als auch an einem Langpfad-DOAS-Teleskop (LP-DOAS) nachgewiesen. Für das LP-DOAS-Instrument ergab sich ein vollständig neues Konstruktionsprinzip. Durch die Kombination von Sende- und Empfangsfasern in einem Bündel, vereinfacht sich der Aufbau gegenüber den der herkömmlichen Langpfad-Teleskopen in Koaxialausführung erheblich und führt zu einer höheren Signalintensität aufgrund besserer Transmissionseigenschaften. Dies konnte auch durch Modellierungen gezeigt werden. Damit werden kleinere und robustere DOAS-Messinstrumente mit erweitertem Einsatzgebiet möglich. Mit LP-DOAS wurden während der MCMA-2006-Kampagne in Mexiko-Stadt neben NO2, O3, SO2, HCHO, HONO und Glyoxal eine Vielzahl von flüchtigen aromatischen Kohlenwasserstoffen als Vorläufer für sekundäre organische Aerosole (SOA) gemessen. Dabei wurden auch die polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe Naphthalin und erstmalig Methylnaphthalin nachgewiesen. Bei Messungen in Heidelberg konnte Naphthalin auch außerhalb von Ballungszentren mit LP-DOAS gemessen werden. In dieser Arbeit wird ein neues Software-Paket „LabDOAS“ zur effizienten Ausführung von DOAS-Messungen, Analysen von Spektren und automatischer Auswertung vorgestellt.

Translation of abstract (English)

With Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) in combination with very long light paths, many important trace gases in the atmosphere can be detected. Therefore this technique is important for the quantification of gaseous emissions of pollution and the study of the photochemical smog. This thesis deals with the improvement of the spectral characterization of the light source and thus the reduction of the detection limit, by the use of optical fibres. This was proved at a White-multi-reflection cell and a Longpath-DOAS instrument (LP-DOAS). The combination of emitting and receiving fibres in one bundle, offers a new set-up for a LP-DOAS instrument, which is simplier and easier to handle than the commonly used coaxial-style set-up. This new fibre set-up resulted also in higher signal intensity, due to the better transmission characteristic, which was also studied by modelling the theoretical transmission of the old and the new set-up. Therefore smaller and more robust instruments with an enhanced field of applications are possible. During the MCMA 2006 campaign in Mexico City, species like NO2, O3, SO2, HCHO, HONO, Glyoxal and aromatic volatile organic compounds as precursors for secondary organic aerosol (SOA) formation, were measured with LP-DOAS. Also the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) Naphthalene and for the first time Methylnaphthalene were measured. Naphthalene was also detected by LP-DOAS in Heidelberg. Additional a new software package “LabDOAS” for efficient DOAS-measurements, analysation of spectra and an automatic evaluation is presented in this thesis.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Platt, Prof. Dr. Ulrich,
Date of thesis defense: 23 January 2008
Date Deposited: 27 Jun 2008 11:30
Date: 2008
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: DOAS ,UV-VIS-Spektroskopie, Troposphäre, Atmosphärische Grenzschicht, Photochemischer Smog, Faseroptik, Spurenstoff ,NMHC, Polycyclische Aromate
Uncontrolled Keywords: Langpfad-Spektroskopie , DOAS-Teleskop , White-Zelle , Spurengas-Monitorlongpath-spectroscopy , DOAS-telescope , White-cell , monitor for trace gases
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