English Title: Chemical ionisation mass spectrometry for the detection of HNO3 in a simulation chamber for stratospheric aerosols

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Abstract

An der AIDA-Aerosolkammer am Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Forschungszentrum Karlsruhe wurde die Aufnahme von HNO3 in Schwefelsäure-Aerosolpartikel unter annähernd stratosphärischen Bedingungen untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Chemiionisations-Massenspektrometer (CIMS) zur quantitativen Bestimmung der HNO3-Gesamtmenge im Aerosol (Summe aus Gas- und Partikelanteil) aufgebaut. Für den Nachweis wird eine Probe durch beheizte Teflonleitungen aus der Kammer entnommen. Vor Erreichen der Detektionszone, einem Strömungsrohr, verdampft HNO3 vollständig von den Partikeln. Dort angelangt wird die Probe mit gasförmigen SF6--Ionen vermischt. Durch Ionen-Molekül-Reaktionen zwischen SF6- und HNO3 entstehen dabei sekundäre Ionen wie z.B. NO3-HF die mit einem Ionenfallenmassenspektrometer nachgewiesen werden. Das System wurde mit einer unabhängig quantifizierten HNO3-Quelle kalibriert und erlaubt den quantitativen Nachweis von HNO3-Mischungsverhältnissen zwischen 1 und 300 ppbv bei einem Arbeitsdruck von 140 hPa. Die Experimente mit HNO3/H2O und HNO3/H2SO4/H2O-Teilchen wurden in einem Temperaturbereich von 183 bis 233 K durchgeführt. Die Messergebnisse wurden mit einem Modell zur Beschreibung der thermodynamischen Gleichgewichtszusammensetzung verglichen und konnten dieses verifizieren. In Abkühlphasen, ausgelöst durch schnelle Druckabsenkungen in der Kammer, wurden Sättigungsverhältnisse bezüglich Eis von 1,4 ± 0,1 erreicht. Ferner wurden in diesen Perioden die Einflüsse von Nicht-Gleichgewichtsprozessen und Partikelgrößenverteilungen auf die Partikelzusammensetzung.

Translation of abstract (English)

The uptake of HNO3 into sulphuric acid particles at near stratospheric conditions was studied in the AIDA aerosol chamber at the Institut für Meteorologie und Klimaforschung at Forschungszentrum Karlsruhe. A Chemical Ionisation Mass Spectrometer (CIMS) was constructed for the detection of total HNO3 concentrations (i.e. sum of particle and gas phase concentrations). Within the sampling line all particulate HNO3 is evaporated. In a flow tube the sample is mixed with externally produced SF6- ions. Secondary ions are produced by ion-molecule-reactions and detected by ion trap mass spectrometry. The system is calibrated by addition of known amounts of HNO3 from a permeation source. HNO3 mixing ratios from 1 to 300 ppbv (at 140 hPa and 200 K) can quantitatively be measured. The experiments were performed at temperatures between 183 and 233 K. The results verified a thermodynamic equillibrium model at temperatures down to 188 K. By adiabatic pressure decreases ice saturation ratios of 1.4 ± 0.1 were reached which did not induce crystallization of HNO3/H2SO4/H2O particles. During these periods, the influence of non-equillibrium processes and particle size distribtutions on particle compositions were studied.