Forschung

Die "Abteilung Partikelchemie" des Max-Planck-Instituts für Chemie und das Institut für Physik der Atmosphäre an der Universität Mainz sind bezüglich Forschung und Lehre personell und inhaltlich eng miteinander verbunden. Die Struktur dieser seit 2001 von Prof. Dr. Stephan Borrmann geleiteten gemeinsamen Einrichtung stellt ein Novum am Mainzer Standort dar.

Sie dient
1. der Untersuchung grundlegender physikalischer und chemischer Prozesse des
atmosphärischen Aerosols und der Wolken im Zusammenhang mit dem Klima- und
Erdsystem

2. angewandter Forschung zu Aerosolen in industrieller Umgebung, zu Verbrennungs- und Abgaspartikeln, sowie dem Aerosol in Smog und Situationen urbaner Luftverschmutzung

3. der Erforschung von präsolarer Materie, insbesondere im Hinblick auf Charakterisierung kernphysikalischer Prozesse in Sternen sowie der Frühgeschichte unseres Sonnensystems

4. der Entwicklung von Messtechnik insbesondere zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Teilchen des atmosphärischen Aerosols und zur optischen Erfassung größerer Hydrometeore

5. der Ausbildung von Diplomanden, Doktoranden, Postdoktoranden und Habilitanden aus den Studiengängen Meteorologie, Physik, Chemie und den Geowissenschaften

1. Aerosol und Wolken im Klimasystem:
Kenntnisse bezüglich des Aerosols und der Wolken sind von besonderer Bedeutung für das Verständnis der Klimaentwicklung, der chemischen Prozesse in der Luft, des hydrologischen Zyklus' und der anthropogenen Einflussnahme auf die Atmosphäre.
Die Forschungsbemühungen sollen zudem Beiträge zu Verbesserungen der Wetter- und Niederschlagsvorhersagen leisten, sowie Eingang in die Klimamodellierung finden.

Schwerpunkte der Abteilung Partikelchemie liegen in diesem Bereich in
1.1 der experimentellen Untersuchung des Aerosols der Troposphäre und Stratosphäre, mit besonderem Fokus auf den Partikeln und Wolkenteilchen der oberen Troposphäre in tropischen Regionen, sowie den polaren Stratosphärenwolken
Forschungsgruppe: Voessing/de Reus, Curtius, Schneider

1.2 der Durchführung von Labor und in-situ Untersuchungen zum Einfluss von Eiswolken (wie Zirren (Schleierwolken) und Kondensstreifen) und Flüssigwasserwolken auf die chemische Zusammensetzung der Troposphäre
Forschungsgruppe: Voessing/de Reus, Schneider

1.3 Laborexperimenten zu Wolkenprozessen, wie Regen- und Hagelbildung, Bereifung und Vereisung in Wolken, sowie zur Strömungsmechanik fallender Hydrometeore
Forschungsgruppe: Mitra/Diehl

1.4 der in-situ- und Echtzeit-Messung der chemischen Zusammensetzung von
Aerosol- und Wolkenpartikeln
Forschungsgruppe: Schneider, Drewnick

1.5 der Bestimmung organischer Komponenten im atmosphärischen Aerosol
Forschungsgruppe: Schneider, Drewnick, Curtius

1.6 der Erforschung verschiedener Mechanismen der Partikelentstehung in der Atmosphäre
Forschungsgruppe: Curtius

1.7 Zudem werden Größe, Anzahl, strahlungsrelevante Eigenschaften und Bildungsmechanismen des Aerosols und der Wolken untersucht.
Forschungsgruppe: Voessing/de Reus


2. Aerosole aus Verbrennung, Luftverschmutzung und industrieller Umgebung:
Neben den atmosphärenbezogenen Themen kommen hierbei Aspekte der Ausbreitung, sowie Auswirkungen der Partikel auf Luftqualität und Gesundheit zum Tragen.
Fokus der Forschungsarbeitenin diesem Bereich sind

2.1 die Auswirkungen der Luftfahrtemissionen auf die Atmosphäre, und chemische Zusammensetzung der Luft der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre
Forschungsgruppe: Schneider, Voessing/de Reus, Curtius

2.2 Untersuchungen von Partikelemissionen aus Automobilen und Umgebungen mit industrieller Produktion, sowie direkte Studien zu Inhalationsaerosolen und industriellen Aerosolen
Forschungsgruppe: Schneider, Drewnick

2.3 In-situ Messungen in Smog-Situationen und im Umfeld urbaner
Luftverschmutzung, sowie Immissionsmessungen an Straßen, Autobahnen und in Stadtbereichen
Forschungsgruppe:Schneider, Drewnick

2.4 Studien zur Fähigkeit von Wolkentropfen, Schneekristallen, Graupel und
Hagelteilchen, Schadstoffe aus der Luft zu entfernen
Forschungsgruppe: Mitra/Diehl


3. Meteorite, Kometen und präsolare Materie:
Die Nano- and Mikropartikelforschungsgruppe (NAMIP) betreibt Forschungen zur Kosmochemie durch Laboranalyse meteoritischen Materials und von im interplanetaren Raum gesammelten Partikelproben aus Kometen.
Schwerpunkte bilden dabei Untersuchungen an präsolarer Materie, insbesondere dem "Sternenstaub". Hochpräzise und hochauflösende Laboranalysen liefern Informationen zu astrophysikalischen Prozessen, wie stellarer Nukleosynthese und Evolution, der galaktischen chemischen Evolution, der interstellaren Chemie sowie der Entstehung unseres Sonnensystems.Die hierzu verwendeten Methoden werden ebenfalls eingesetzt für chemische Analysen einzelner atmosphärischer Aerosolpartikel, die aus in-situ Sammlung oder Extraktion von Eiskernen zu paläoklimatologischen Zwecken stammen.
Forschungsgruppe: NAMIP


4. Entwicklung von Methoden und Messtechnik
Die eingesetzten experimentellen Methoden, die in der Abteilung Partikelchemie kontinuierlicher Weiterentwicklung unterliegen, umfassen
Massenspektrometrie zur Messung der chemischen Komposition von Aerosolpartikelensembles mit Teilchengrößen im Nanometerbereich, sowie einzelner, größerer Partikel und Wolkenresiduen im Mikrometerbereich, { Drewnick, Schneider, Curtius, Voessing/de Reus }
verschiedene optische Techniken zur Erfassung von Wolkenteilchen und Hydrometeoren, die vorwiegend auf Forschungsflugzeugen eingesetzt werden { Voessing/de Reus, Curtius }
sowie Messungen in dem weltweit einmaligen Mainzer Vertikalwindkanallaboratorium (MAVERT) zur Ausschwebung von Tropfen, Eisteilchen und Hydrometeoren. { Mitra/Diehl }
Die in-situ Messungen in der Atmosphäre werden durchgeführt an Bord
des zum Höhenforschungsflugzeug konvertierten russischen Fernaufklärers Geophysica (Gipfelhöhe 22 km, Mysasishchev Design Bureau, Moskau),
des Forschungsflugzeugs Falcon (http://www.dlr.de/fb/desktopdefault.aspx/tabid-527/) (Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt, DLR),
des Learjet-35A der Arbeitsgemeinschaft aus Gesellschaft für Flugzieldarstellung GFD und der Firma Enviscope GmbH (http://www.enviscope.de/),
sowie in Zukunft auf dem neuen deutschen Forschungsflugzeug HALO (http://www.pa.op.dlr.de/halo/).
Die in Entwicklung befindlichen Messinstrumente werden auf Schiffen und Bodenstationen eingesetzt. Weiterhin werden Methoden für die Umweltmesstechnik und Aerosolanalytik entwickelt, die nicht nur in der Atmosphärenforschung, sondern auch bei industrieller Forschung und Entwicklung einsetzbar sind.


5. Ausbildung der Diplomanden und Doktoranden
Zusätzlich zu der inhaltlichen Arbeit an den atmosphärenbezogenen bzw. astrophysikalischen und kosmochemischen Forschungsthemen enthalten die in der Abteilung für Partikelchemie betreuten Diplom- und Doktorarbeiten -schon von der Konzeption her- umfangreiche technologische und instrumentelle Komponenten.

Hierdurch wird den Studenten die Möglichkeit gegeben, Kenntnisse zu erweben in:
modernster Messtechnik der Aerosolanalytik (wie Aerosol-Massenspektrometrie, SMPS-Systeme, Kondensationskernzähler, optische Methoden zur Messung der Partikelgrößenverteilung,TEOM, ELPI, CARUSSO und andere)
UV Laser Technologie
Hochvakuumtechnik
diskreter und analoger Schalt- und Steuerungselektronik
digitaler Mess- und Regelungstechnik
computergestützter Daten- und Signalverarbeitung mit automatisierter Datenerfassung und Messcomputerbau
Strömungsmechanik im Zusammenhang mit den Flugzeugmessungen und Experimenten im Windkanal
flugzeuggestützter Messtechnik
thermodynamischer Verfahrenstechnik
mathematischer Methodik zur Datenauswertung
numerischer Verarbeitung großvolumiger Datenstrukturen
modernster Bildverarbeitungsmethoden (wie Holografie und Hochgeschwindigkeitsdigitalbilderfassung zu Messzwecken)
chemischer Laboranalytik zur Messung von Spurenstoffen in
Wasser- und Eisproben
Rasterelektronenmikroskopie
Sekundärionenmassenspektrometrie im Zusammenhang mit der Partikelanalyse im MADONNA System

S. Borrmann