Influence of desert dust on PM concentrations and deposition in Austria

Abstract

Mineralstaub aus natürlichen Quellen, wie bspw. aus Wüstenregionen, stellt global gesehen, nach Meersalzaerosolen, die zweitgrößte Aerosolquelle dar. Hauptemittenten sind dabei die Wüsten der Sahara-Sahel-Region. Große Mengen an Wüstenstaub aus der Sahara werden regelmäßig über den Nordatlantik aber auch über das Mittelmeer bis nach Europa transportiert. Trotzdem ist der Einfluss von Wüstenstaub auf die Partikelkonzentration und Deposition sowie der Einfluss auf die Luftqualität in Österreich, im Hinblick auf den Langzeiteinfluss, kaum erforscht. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss von Wüstenstaub auf die Partikelkonzentration und -deposition sowie auf die Luftqualität in Österreich quantitativ erfasst. Die Untersuchung des Langzeiteinflusses von Wüstenstaub auf die hochalpine, nasse Deposition zeigt einen regelmäßigen Einfluss. Basierend auf Proben der Winterschneedecke 2015/2016 gesammelt im hochalpinen Raum in der Nähe des Sonnblick Observatoriums im Nationalpark Hohe Tauern, welche 2 orange-braune Saharastaubschichten enthielt, wurde, basierend auf pH-Werten > 5.6 und Ca2+- Konzentrationen > 10 eq/l eine Methode zur Identifikation von Saharastaubschichten etabliert. Dieser Ansatz wurde für die Akkumulationsperioden 2014/15 und 2016/17 erweitert und zusammen mit Rückwärtstrajektorien und on-line Aerosolmessungen validiert. Anschließend wurde der Ansatz auf die gesamte 31-jährige Zeitreihe (1987-2017) angewandt um den Langzeiteinfluss von Wüstenstaub auf die Ionendeposition zu untersuchen. Die Auswertungen zeigten, dass vor allem die Depositionen von Mg2+ und Ca2+ von Wüstenstaubeintrag stark beeinflusst werden. Im Gegensatz dazu spielen sie keine Rolle für die abnehmenden Langzeittrends der anderen Ionen wie, bspw. Sulfat oder Nitrat. Der Einfluss von Wüstenstaub auf die PM10 Konzentrationen sowie deren Einfluss auf die Überschreitungen der PM10 Grenzwerte in Österreich wurde anhand zweier Stationen in Graz, Steiermark, über einen Zeitraum von 6 Jahren (2013 bis 2018) untersucht, da es besonders in diesem Gebiet aufgrund der geographischen Lage immer wieder zu Überschreitungen der Grenzwerte kommt. Dabei wurde die Anwendbarkeit der EU-Richtlinie 2008/50/EC zum Abzug des Beitrages von natürlichen Feinstaubquellen im Hinblick auf Wüstenstaubeintrag evaluiert. Unterschiedliche statistische Parameter sowie unterschiedliche Stationen wurden dabei berücksichtigt um einen repräsentativen ‚Net Dust Load (NDL)‘ zu ermitteln, welcher dann von den Tagesmittelwerten der PM10 Konzentrationen abgezogen werden darf. Ergebnisse zeigen, dass ein adaptierter Ansatz der EU-Richtlinie unter Verwendung des Mittelwertes der PM10 Konzentration, der 15 Tage vor und nach dem zu untersuchenden Tag an der Station Masenberg ermittelt wird, sowie weitere Schwellwerte herangezogen werden können um Wüstenstaubtage zu identifizieren. Die so ermittelten NDLs stimmen sehr gut mit den ‚crustal loads‘ überein, welche durch chemische Messungen der Filter ermittelt wurden. Es zeigte sich jedoch, dass der Einfluss von Wüstenstaub auf Grenzwertüberschreitungen der PM10 Konzentrationen in Österreich, im Gegensatz zu Stationen in Südeuropa oder im Mittelmeerraum, eher vernachlässigbar ist. Allerdings besteht dennoch die Möglichkeit, betrachtet man das in der EU-Richtlinie festgesetzte Maximum jener Tage die das tägliche PM10 Limit überschreiten, dass Wüstenstaubereignisse ggf. als das Zünglein an der Waage fungieren und zu einer Überschreitung von eben jenem Maximum führen können. Basierend auf der Notwendigkeit Wüstenstaub auf Filtern der Immissionsmessnetze quantifizieren zu können wurde versucht eine einfache und rasche Analysenmethode zu entwickeln. Der methodische Ansatz über Durchlichtmessungen der Filter konnte jedoch bisher nur für ‚Black Carbon‘ realisiert werden. Diese Ergebnisse stellen aber eine wichtige Grundlage für weiterführende Arbeiten hinsichtlich der Quantifizierung von Mineral- oder Wüstenstaub dar.

Natural mineral dust from arid regions, also referred to as desert dust, is the second largest natural source of PM in the atmosphere, right after sea spray, with the deserts in the Saharan-Sahel region as the main emitters. Large quantities are known to be regularly transported over the North Atlantic Ocean or across the Mediterranean to Southern Europe via synoptic wind patterns. Still, demonstrations of the impact of desert dust on PM concentrations or deposition in Austria on a long-term base are missing. This thesis investigates the quantitative influence of desert dust on PM concentrations and deposition in Austria, as such an analysis is missing until now. The long-term influence of desert dust on the ion concentration in wet deposition is explored to reveal that desert dust deposition is a constant factor influencing the ecosystem in the Alps. Based on a snow pack of the winter accumulation period 2015/2016 situated close to the Sonnblick Observatory in the National Park Hohe Tauern in the Austrian Alps, featuring two Saharan dust events visible by a reddish colour of the snow, thresholds of a pH > 5.6 together with a Ca2+ concentration > 10 eq/l were defined to identify desert dust affected snow layers. This approach was extended to the accumulation periods 2014/2015 and 2016/2017 and the performance was validated together with trajectories and on-line aerosol measurements at the Sonnblick Observatory. Subsequently the whole data set of the 31-year long snow chemistry data set (19872017) was investigated regarding the contribution of desert dust to ion deposition loads. Results show that especially Mg2+ and Ca2+ depositions are strongly affected by desert dust input while the long-term decreasing trends of other ions, such as sulfate or Nitrate, are not affected. The influence of mineral dust on PM10 concentrations was investigated to draw conclusions on its impact on PM10 limit value exceedance in Austria. The applicability of the approach proposed in the European Air Quality Directive (2008/50/EC), for the subtraction of desert dust contributions, is investigated for two stations in the region of Graz, Styria, over a time period of six years (2013 to 2018). Different stations and different statistical parameters were evaluated to determine the regional background load and subsequently the net dust load (NDL) which might be subtracted. Results suggest an adapted approach to the methodology described in the directive, using the +/ 15-day mean average of the PM10 at the regional background station Masenberg, together with threshold criteria to identify only desert dust affected days. The results of calculated NDLs were in good agreement with crustal loads determined on filter samples during two desert dust events in 2016. In contrast to regions in southern Europe or the Mediterranean, the impact of desert dust to a daily PM10 limit value exceedance in Austria is neglectable, although, considering the legal maximum amount of days exceeding the daily PM10 limit value as given in the EU directive, the scales might be tipped in favour of a transgression of that very maximum. Based on the need for an easy and fast quantification method of mineral dust on filters sampled within the air quality monitoring networks methodological developments were started. While, in a first step, analysis was limited to elemental carbon, the approach may serve as a step for further refinement into mineral dust also.