Lichtstreuung in inhomogenen Nano- und Mikrotröpfchen

Lichtstreuung und Strahlungstransfer in trüben Medien wie z.B. Aerosolen, basiert auf der Wechselwirkung zwischen der elektromagnetischen Strahlung und den Aerosolpartikel, welche im wesentlichen durch die mikrophysikalischen Eigenschaften des suspendierten Materials sowie der Wellenlänge der Strahlung bestimmt ist. Aufgrund von theoretischen und Rechenkapazitätsmäßigen Einschränkungen war bis vor wenigen Jahren die Voraussetzung der Homogenität der Partikel weithin akzeptiert, obwohl bekannt war, dass die meisten atmosphärischen, biologischen oder industriellen Aerosole aus inhomogenen Teilchen bestehen, wie z.B. Tröpfchen mit Einschlüssen. Aus diesem Grund hat sich dahingehend seit kurzem ein grundsätzliches Interesse auf dem Gebiet der Lichtstreuung von solchen Objekten herauskristallisiert, da diese sowohl als repräsentativ für atmosphärische Aerosole gelten, als auch für Aerosole, welche man in diversen Innen- und Außenbereichen findet, wo unter anderem Bioorganismen in Flüssigkeitsfilmen für lange Zeiten überleben können. Eine Echtzeitdetektion und - messung solcher Aerosole ist somit von großen Interesse. In diesem Forschungsprojekt werden wir zum Einem den Einfluss von Inhomogenitäten der Aerosolpartikel auf optische Eigenschaften von einzelnen Partikeln untersuchen. Zum Anderen betrachten wir den Einfluss von Einschlüssen innerhalb von Mikrotröpfchen auf die Streuung und den Strahlungstransfer in trüben Medien, welche aus einem Ensemble solcher Partikel bestehen. Derzeit liegt eine beschränkte Anzahl experimenteller Daten vor. Wir planen experimentelle sowie theoretische Untersuchungen der optischen Eigenschaften von einzelnen Tröpfchen sowie Aerosolen im Größenbereich von ca. 0.1 - 5 Mikrometer mit wohldefinierten Einschlüssen beginnend mit Nanometerpartikel und etwa zwei Dekaden überspannend. Die Untersuchungen werden auf optischer Einzelteilchenspektrometrie mit einem innovativen Spektrometer, sowie auf nephelometrischer Methode basieren, i.e. Messungen auf einem Partikelensemble unter Verwendung von Expansionskammer Methode. Die Resultate dieses Projekts werden zu einem besseren Verständnis der Streucharakteristiken und Lichtausbreitung in trüben Medien, bestehend aus inhomogenen Aerosolpartikeln, führen. Darüber hinaus werden wir grundlegende experimentelle Daten zur Beurteilung von verschiedenen theoretischen Modellen in diesem Forschungsbereich liefern. Die Resultate werden außerdem zu einer weiteren Entwicklung von Instrumenten zur Identifikation und Analyse von atmosphärischen, biotechnologischen oder industriellen Aerosolen beitragen.

Aerosole in der Atmosphäre - feste und flüssige Partikel - beeinflussen das Klima und das Strahlungsbudget der Erde durch ihre Fähigkeit Licht zu streuen und zu absorbieren. Diese Effekte basieren auf der Wechselwirkung zwischen Licht und den Aerosolpartikel, welche im wesentlichen durch die mikrophysikalische Eigenschaft wie Brechungsindex und Partikelgröße des suspendierten Materials sowie der Wellenlänge der Strahlung bestimmt ist. Aus diesem Grund hat sich dahingehend seit kurzem ein grundsätzliches Interesse auf dem Gebiet der Lichtstreuung von solchen Objekten herauskristallisiert, da diese sowohl als repräsentativ für atmosphärische Aerosole gelten, als auch für Aerosole, welche man in diversen Innen- und Außenbereichen findet, wo unter anderem Bioorganismen in Flüssigkeitsfilmen für lange Zeiten überleben können. Eine Echtzeitdetektion und - messung solcher Aerosole ist somit von großen Interesse. In diesem Forschungsprojekt haben wir zum Einem den Einfluss von Inhomogenitäten der Aerosolpartikel auf optische Eigenschaften von einzelnen Partikeln untersucht. Zum Anderen forschten wir über den Einfluss von Einschlüssen innerhalb von Mikrotröpfchenensemble auf die Lichtstreuung um möglichst getreu die Lichtausbreitung in der Atmosphäre zu untersuchen. Weiters haben wir unseren Messzwecken ein neuartiges Partikelspektrometer entwickelt. Seine Besonderheit liegt darin dass zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen die zu untersuchenden Partikeln beleuchten. Durch die spezifiche Auswertung der Streulichtsignale sind wir jetzt imstande simultan die Partikelgröße und Partikelbrechungsindex sogar im Submikrometer Bereich zu messen, was von großen Bedeutung auch für die Ermittlung des Strahlungsdurchgangs durch die Atmosphäre ist. Dieses Gerät eignet sich auch zu Echtzeitmessung der Feinstaubbelastung. Es gibt derzeit kein anderes Gerät der diese Messeigenschaften aufweist. Die Resultate dieses Projekts tragen zum besseren Verständnis der Streucharakteristiken und Lichtausbreitung in der Atmosphäre. Darüber hinaus wurden grundlegende experimentelle Daten zur Beurteilung von verschiedenen theoretischen Modellen in diesem Forschungsbereich geliefert. Die Resultate tragen außerdem zu einer weiteren Entwicklung von Instrumenten zur Identifikation und Analyse von atmosphärischen, biotechnologischen oder industriellen Aerosolen bei.