The diploma thesis deals with the exposure of nanoparticles in means of transport. The diploma thesis provides an overview of the current state of exposure to nanoparticles in vehicles that people use every day travelling to work. Moreover, the work describes the health risks that can be caused by these particles and have an adverse effect on human health. The work processed data (particle number concentration, particle size and LDSA) which monitored the exposure of nanoparticles in the tram of public transport in the city of Brno and the extent of pollution by nanoparticles at stops.

In this study, we developed and standardized a sanding method to evaluate the emission of airborne particles from products that contain carbon nanotubes (CNTs) under different conditions, including three types of sandpaper and three sanding disc speed. We also characterized the emission of the airborne particles from one neat epoxy test sample, four CNTs-incorporating test samples with different CNTs loading, and two commercial products. The total number concentration, respirable mass concentration, and particle size number/mass distribution of the emitted particles were calculated and compared, followed by an electron microscopy (EM) analysis. These data suggest that the sanding process can produce substantial quantities of airborne particles. Also, the emission of airborne particles was associated with different test conditions. EM analysis of the airborne particle samples showed embedded CNTs protruding from the outer surface, which was different from CNTs-incorporating bulk material. Our study suggests a potential generation of particles during the life cycle event of sanding. Further studies should be carried out to investigate the potential human health hazard in other life cycle events.

Die natürliche Umgebungsluft enthält Aerosolpartikel, deren Größe von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern reicht. Insbesondere anthropogenen ultrafeinen Partikeln, die kleiner als 100 nm sind, werden negative Wirkungen auf die menschliche Gesundheit zugeschrieben. Die gravimetrische Messung der Partikelmassekonzentration erfasst ultrafeine Partikel nur ungenügend, da die Masse dieser Partikel sehr gering ist. Deutlich empfindlicher gelingt die Quantifizierung ultrafeiner Partikel durch die Messung der Partikelanzahlkonzentration. Die Arbeit beschreibt ein Verfahren zur Messung der Anzahlkonzentration von Partikeln in Umweltaerosolen. Es verknüpft die elektrische Aufladung der Partikel mit deren Klassierung im elektrischen Feld und ihre Mengenbestimmung anhand der elektrischen Ladung. Mittels des entwickelten Sensormodells gelingt die Verbindung der gemessenen Rohdaten mit der Anzahlgrößenverteilung der Partikel durch eine Kernfunktion in einer Fredholmschen Integralgleichung erster Art. Zur Dateninversion wird diese Gleichung in diskreter Form als lineares Gleichungssystem genutzt. Dessen Koeffizienten bilden die Kernmatrix, welche mit einer neu entwickelten Methode experimentell bestimmt wird. Vergleichsmessungen zeigen eine gute Übereinstimmung des Verfahrens mit Referenzverfahren der Aerosolmesstechnik und unterstreichen die Eignung des Verfahrens zur Partikelquantifizierung in Umweltmessnetzen.

Particulate matter (PM) emitted from diesel engines encompasses soluble (volatile) and insoluble (non-volatile) matter. The concept of volatility or solubility depends on the method of separation. The volatile matter includes sulphates and nitrates which are bound to water vapour; and myriads of hydrocarbon species. The solid matter is comprised of black carbon and ash. Its mitigation combines the use of internal engine design and operating factors like fuel injection and spray, air and fuel mixing, chamber designs and fuel improvements. Control technologies that act on the exhaust gases are called ‘after-treatments' which include the use of oxidation catalysts, filter trap and reductant of nitrogen oxides along the exhaust system. The central issues of this thesis are measurement schemes that involve stripping the PM of volatile matter in order to determine the actual values of nano-size solid carbon particles that pose significant health risk and their mitigations. In the experimental measurements, exhaust gases were generated at low engine load which are rich in unburnt hydrocarbons that nucleate into particles at low temperatures. Similarly, exhaust gases generated at medium load contain volatile and soot components; these were used to study dilution effects on PM emission. The interplay of mixing and cooling was used to explain the behaviour of saturation characteristics of the volatile fractions in the dilution process which influenced nucleation of volatile species. The parameters of particle number concentration reduction factor (PCRF) and volatile removal efficiency (VRE) were used to give extended interpretation to dilution of PM during conditioning, than mere dilution ratios. On this basis, comparison was made on the effect of carrier gases on dilution process and it was found that air is superior when there is need for volatile reduction while nitrogen is better when it is necessary to freeze further reaction, especially at low dilution ratios. In addition, a two-stage hot dilution technique was used to mimic the Particle Measurement Programme (PMP) prescription, and it gave better PCRF and VRE values. The study of PM mitigation by filter traps focused on burning-off the accumulated matter to allow free flow of exhaust gases, and the energy it takes to initiate and maintain PM combustion. Therefore a fundamental study of soot oxidation relevant to regeneration of diesel particulate filter (DPF) was made. This was extended to investigate if blending of petrodiesel with biodiesel affects PM oxidation. It is deducible that oxidation of PM generated from fuel with biodiesel blends is slightly faster compared to that from pure petrodiesel. A feasible use of microwave power to regenerate catalysed and non-catalysed silicon carbide (SiC) diesel particulate filters (DPFs) using an available multimode microwave cavity was also carried out. Results show that with catalysed DPFs, catalyst light-off temperature reduced by 100oC under the influence of microwave irradiation, while for non-catalysed DPF, regeneration was achieved within 550-600oC at a time estimated to be lower compared to electrical resistance heating approach.

In der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (OT/US) beeinflussen Aerosolpartikel im Submikrometerbereich den Strahlungshaushalt der Erde direkt und, was noch wichtiger ist, indirekt, da sie als Kondensationskern für Wolken dienen und somit die Spurengaskonzentrationen durch heterogene chemische Prozesse ändern können. Seit 1997 gibt es regelmäßige in situ Messungen der OT/US Partikel durch das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung in Leipzig, Deutschland. Diese Messungen werden an Bord eines Passagierflugzeugs mit dem weltweit einzigartigen IAGOS-CARIBIC Messcontainer durchgeführt (www.iagos.org/iagos-caribic). In der vorliegenden Arbeit wurden die Partikelanzahlkonzentration und die Partikelgrößenverteilung im Submikrometerbereich der vergangenen Jahre ausgewertet. Dafür wurden die Daten von drei Kondensationspartikelzählern (CPC, Condensation Particle Counter) und einem optischen Partikelgrößenspektrometer (OPSS, Optical Particle Size Spectrometer) verwendet. Zunächst wurde im Labor eine umfangreiche Charakterisierung des IAGOS-CARIBIC OPSS hinsichtlich der Zähleffizienz durchgeführt. Weiterhin wurde eine Kalibrierung mit Polystyrol-Latex im geräterelevanten Bereich von 140 nm bis 1050 nm vorgenommen und daraus mit Hilfe der Mie-Streuung eine Funktion zur Datenauswertung für die OT/US entwickelt. Die statistische Analyse der IAGOS-CARIBIC OPSS und CPC Daten gibt einen guten Überblick über die in der OT/US vorkommenden Partikelanzahlkonzentrationen und stellt sicher, dass ein statistisch fundierter Datensatz für die Analyse zur Verfügung steht. Auf dieser Grundlage wurde zum ersten Mal eine detaillierte Analyse der raumzeitlichen Verteilung der Aitkenmode- und Akkumulationsmode-Partikelanzahlgrößenverteilung in der OT/US vorgenommen. Diese Analyse beinhaltet Weltkarten mit Medianwerten, Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen für spezielle Flugrouten und Partikelgrößenverteilungen entlang der Längengrade. Außerdem wurden die Partikelanzahlkonzentrationen zum ersten Mal mit dem globalen Klimamodell ECHAM-HAM verglichen. Dabei ergab sich, dass die Partikelanzahlkonzentration hauptsächlich von großräumigen Strömungsverhältnissen beeinflusst wird, was im Großen und Ganzen gut vom Modell wiedergegeben wird. Für die einzelnen Jahreszeiten wurden mit Hilfe der potentiellen Temperatur und äquivalenten Breitengrade die vertikalen Profile ausgewertet. Für die Analyse in Bezug auf die Aerosol-Mikrophysik und den Transport durch die Tropopause wurden auch die in IAGOS-CARIBIC gemessenen Spurengase, wie z.B. Ozon und Wasserdampf, hinzugezogen. Die Auswertung zeigt ebenfalls deutlich den Einfluss von Wolken in der oberen Troposphäre und verschiedene Austauschprozesse zwischen der Stratosphäre und Troposphäre. Außerdem wurde der Einfluss verschiedener Austauschprozesse auf die Partikelanzahlkonzentration untersucht: die Brewer-Dobson Zirkulation, warm conveyor belts, Isentropentransport und der Transport durch tropische, hochreichende konvektive Bewölkung. In der Vergangenheit wurde diese Analyse nur für atmosphärische Spurengase durchgeführt, und nun zum ersten Mal auch für Aerosolpartikel. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen eine umfangreiche Charakterisierung der Aitken- und Akkumulationsmode-Partikelanzahlkonzentration in der OT/US und den Einfluss von Austauschprozessen der Stratosphäre und Troposphäre auf die Partikel. Die Auswertungen tragen maßgeblich zum Verständnis und zur Vorhersage der Partikelanzahlkonzentration in Klimamodellen und damit schlussendlich zur Berechnung des Strahlungshaushalts der Erde und dessen zeitlicher Veränderung bei. / Submicrometer aerosol particles in the upper troposphere and lowermost stratosphere (UT/LMS) influence the Earth's radiation budget directly and, more important, indirectly, by acting as cloud condensation nuclei and by changing trace gas concentrations through heterogeneous chemical processes. Since 1997, regular in situ measurements of UT/LMS particles have been conducted by the Leibniz Institute for Tropospheric Research, Leipzig, Germany, using the world-wide unique IAGOS-CARIBIC observatory (www.iagos.org/iagos-caribic) onboard a passenger aircraft. In this thesis, UT/LMS aerosol particle number concentrations and the submicrometer aerosol particle size distribution as measured by three condensation particle counters (CPCs) and one Optical Particle Size Spectrometer (OPSS) are discussed. Before analyzing the measurement data from the UT/LMS region a throughout characterization of the IAGOS-CARIBIC OPSS with respect to the counting efficiency was carried out in the laboratory for the OPSS-relevant particle size range of 140 nm to 1040 nm diameter. After calibration with polystyrene latex (PSL) particles a theoretical response function, representative for the UT/LMS, was calculated with Mie theory to ensure a correct data analysis. The statistical analysis of the IAGOS-CARIBIC OPSS and CPC data gives a good overview of existing particle number concentrations in the UT/LMS and ensures a statistically sound data analysis. On this basis a detailed characterization of the spatio-temporal distribution of Aitken and accumulation mode particle number concentrations in the UT/LMS was carried out for the first time. This analysis includes global maps with median values, probability density functions for specific flight routes, and longitudinal distributions of the particle size distribution. Also a first comparison with the global climate model ECHAM-HAM was conducted. The analysis showed that the aerosol distributions are mainly influenced by large-scale circulation patterns which were, in gererel terms, well reflected by the global climate model. Moreover, seasonal vertical cross-sections for particle number concentrations, the potential temperature, and the equivalent latitude were generated. The results are interpreted with respect to aerosol microphysics and cross-tropopause transport using IAGOS-CARIBIC trace gases like ozone and water vapor. The influence of clouds in the troposphere and the different stratosphere-troposphere exchange processes are clearly visible. Furthermore, the influence of the major transport processes into the UT/LMS region on the aerosol particle number concentrations was investigated: the Brewer-Dobson circulation, warm conveyor belts, isentropic transport, and tropical deep convective cloud outflow. In the past this was done only for atmospheric trace gases, but now for the first time for aerosol particles. The findings presented in this study represent a comprehensive characterization of the Aitken and accumulation mode particle number concentration in the UT/LMS and the influence of stratospheric-tropospheric exchange processes on these particles. These findings may help to evaluate and improve predictions of particle number concentrations by climate models and finally the calculation of the Earth's radiation budget and its change over the years.

Ship-based cloud remote sensing observations made onboard R/V Meteor during the ElUcidating the RolE of Cloud-Circulation Coupling in ClimAte, EUREC4A, campaign are presented and used to calculate cloud droplet number concentrations. The calculation is based on cloud liquid water path LWP and droplet effective radius reff retrieved from spectral measurements of transmitted solar radiance. It is shown that measurement uncertainties and retrieval assumptions impact the accuracy of the results. A case study indicates that the retrieval of LWP and reff is most affected by 3D-radiative effects in case of shallow cumulus and drizzle, which violates the adiabatic theory and plan-parallel geometry on which the radiative transfer simulations of the retrieval are based. Depending on the cloud thickness, the retrieval of reff might suffers from ambiguity. These retrieval uncertainties and their implications on the estimated cloud droplet number concentration are investigated by a sensitivity study. The analysis showed that most of the uncertainty is introduced by reff, whereas LWP contributes significantly to the uncertainty only for thin clouds. Therefore, it is concluded that only selected cloud cases, which do not violate the retrieval assumption, such as stratiform cloud layers, are suited to apply the retrieval approach in further studies. / Fernerkundungsmessungen von Wolken auf dem Forschungsschiff R/V Meteor während der ElUcidating the RolE of Cloud-Circulation Coupling in ClimAte, EUREC4A, Kampagnewerden vorgestellt und zur Berechnung der Tröpfchenanzahlkonzentration verwendet. Die Berechnung basiert auf Messungen des Flüssigwasserpfads LWP und dem effektiven Tröpfchenradius reff, welche aus spektralen Messungen der transmittierten solaren Strahldichte abgeleitet wurden. Es wird gezeigt, dass Messunsicherheiten und Annahmen bei der Ableitung der Wolkeneigenschaften die Genauigkeit der Ergebnisse beeinflussen. Eine Fallstudie zeigt, dass die Ableitung von LWP und reff am stärksten durch 3-dimensionale Strahlungseffekte von flachen Cumuli und Nieselregen beeinflusst wird. Beides wiederspricht den Idealisierungen von adiabatischen Wolken und einer planparallelen Geometrie, auf denen die Strahlungstransfersimulationen des Verfahrens beruhen. Abhängig von der Wolkendicke kann die Ableitung von reff zusätzlich durch Mehrdeutigkeiten beeinflusst sein.

Die natürliche Umgebungsluft enthält Aerosolpartikel, deren Größe von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern reicht. Insbesondere anthropogenen ultrafeinen Partikeln, die kleiner als 100 nm sind, werden negative Wirkungen auf die menschliche Gesundheit zugeschrieben. Die gravimetrische Messung der Partikelmassekonzentration erfasst ultrafeine Partikel nur ungenügend, da die Masse dieser Partikel sehr gering ist. Deutlich empfindlicher gelingt die Quantifizierung ultrafeiner Partikel durch die Messung der Partikelanzahlkonzentration. Die Arbeit beschreibt ein Verfahren zur Messung der Anzahlkonzentration von Partikeln in Umweltaerosolen. Es verknüpft die elektrische Aufladung der Partikel mit deren Klassierung im elektrischen Feld und ihre Mengenbestimmung anhand der elektrischen Ladung. Mittels des entwickelten Sensormodells gelingt die Verbindung der gemessenen Rohdaten mit der Anzahlgrößenverteilung der Partikel durch eine Kernfunktion in einer Fredholmschen Integralgleichung erster Art. Zur Dateninversion wird diese Gleichung in diskreter Form als lineares Gleichungssystem genutzt. Dessen Koeffizienten bilden die Kernmatrix, welche mit einer neu entwickelten Methode experimentell bestimmt wird. Vergleichsmessungen zeigen eine gute Übereinstimmung des Verfahrens mit Referenzverfahren der Aerosolmesstechnik und unterstreichen die Eignung des Verfahrens zur Partikelquantifizierung in Umweltmessnetzen.

This work focuses on the research and comparison of several types of air purifiers. It clarifies the principles of filtration and describes the basic types of air purifiers. Part of this work is designed methodology of measurement for comparison of filtration efficiency and filtration rate. The experimental part of this work contains the measurement and comparison made for two types of air purifiers. Selected purifiers were De’Longhi AC230 with mechanical filters and ionic air purifier Ionic-CARE Triton X6. Within the framework of this work an experimental set-up was constructed in the home environment for the simulation of real conditions for the function of the air purifiers. The measurement results provide information about aerosol number concentration process during the measurements and evaluation of filtration efficiency of air purifiers.

In this work spectral airborne measurements of upward irradiance and a novel remote sensing technique for the cloud droplet number concentration are used to evaluate the representation of clouds in current operational weather prediction models.

Important aspects of the adjustments to aerosol-cloud interactions can be examined using the relationship between cloud droplet number concentration (Nd) and liquid water path (LWP). Specifically, this relation can constrain the role of aerosols in leading to thicker or thinner clouds in response to adjustment mechanisms. This study investigates the satellite retrieved relationship between Nd and LWP for a selected case of mid-latitude continental clouds using high-resolution Large-eddy simulations (LES) over a large domain in weather prediction mode. Since the satellite retrieval uses the adiabatic assumption to derive the Nd, we have also considered adiabatic Nd (NAd) from the LES model for comparison. The joint histogram analysis shows that the NAd-LWP relationship in the LES model and the satellite is in approximate agreement. In both cases, the peak conditional probability (CP) is confined to lower NAd and LWP; the corresponding mean LWP (LWP) shows a weak relation with NAd. The CP shows a larger spread at higher NAd (>50 cm–3), and the LWP increases non-monotonically with increasing NAd in both cases. Nevertheless, both lack the negative NAd-LWP relationship at higher NAd, the entrainment effect on cloud droplets. In contrast, the model simulated Nd-LWP clearly illustrates a much more nonlinear (an increase in LWP with increasing Nd and a decrease in LWP at higher Nd) relationship, which clearly depicts the cloud lifetime and the entrainment effect. Additionally, our analysis demonstrates a regime dependency (marine and continental) in the NAd-LWP relation from the satellite retrievals. Comparing local vs large-scale statistics from satellite data shows that continental clouds exhibit only a weak nonlinear NAd-LWP relationship. Hence a regime-based Nd-LWP analysis is even more relevant when it comes to warm continental clouds and their comparison to satellite retrievals.