Analysis of light-absorbing snow impurities in the seasonal snow cover at Hoher Sonnblick

Abstract

Lichtabsorbierende Schneeunreinheiten tragen zum Abschmelzen der Schneedecke und dem Gletscherrückgang bei. Die bedeutendsten Vertreter, elementarer Kohlenstoff und Mineralstaub, können nicht mit derselben analytischen Methode bestimmt werden. Thermo-optische Analyse wird regelmäßig für die Messung von elementarem Kohlenstoff in Schnee nach Filtration eingesetzt. Mineralstaub interferiert mit dieser Quantifizierung, da er temperaturabhängige Änderungen der optischen Eigenschaften aufweist. In dieser Arbeit wurde die Analyse beider Vertreter mittels Thermo-optischer Analyse untersucht. Für die Methodenentwicklung wurden Schneeproben von der hochalpinen Hintergrundmessstation Sonnblick Observatorium verwendet. Ein quantitativer Parameter, der auf den temperaturabhängigen Änderungen der optischen Eigenschaften von Mineralstaub basiert, wurde definiert und für die objektive Identifizierung von durch Mineralstaub beeinflussten Proben verwendet. Eine alternative Auswertemethode wurde für diese Proben angewendet, um Fehler in der Quantifizierung von elementarem Kohlenstoff in Anwesenheit von Mineralstaub zu reduzieren. Der quantitative Parameter zeigt einen linearen Zusammenhang mit der Eisen-Beladung für geringe und mittlere Filter-Beladungen, wodurch eine Abschätzung der Mineralstaub-Beladung basierend auf Thermo-optischer Analyse in Kombination mit dem Massenanteil an Eisen in Mineralstäuben aus Ferntransport möglich ist. Die Auswertung wurde auf Proben der Schneedecke, die zwischen 2016 und 2024 durch die GeoSphere Austria gesammelt wurden, angewendet. Die identifizierten Mineralstaubschichten sowie resultierenden Mineralstaubmassen stimmten gut mit komplementären Methoden überein. Konzentrationen und Depositionen von Mineralstaub und elementarem Kohlenstoff wurden bestimmt und der Einfluss von Mineralstaub auf die Ergebnisse von elementarem Kohlenstoff quantifiziert. Feinstaubfilter vom Sonnblick Observatorium wurden ausgewertet, da die Deposition von lichtabsorbierenden Schneeunreinheiten mit deren Konzentrationen in der Atmopshäre zusammenhängt. In beiden Größenfraktionen (aerodynamischer Durchmesser ≤10 oder ≤1 μm) wurden Filter mit einem Einfluss von Mineralstaub aus Ferntransport identifiziert. Die abgeschätzten Mineralstaubmassen stimmten gut mit einer komplementären Methode überein. Jahresmittelwerte von elementarem Kohlenstoff wurden ausgewertet. Die Konzentrationen von Mikro- und Nanoplastik wurden bestimmt, da diese Analyten im Verdacht stehen als lichtabsorbierende Schneeunreinheiten zu wirken.

Light-absorbing snow impurities contribute to melting of the snow cover and glacial retreat. The most prominent representatives, elemental carbon and mineral dust, cannot be determined with the same analytical method. Thermal-optical analysis is widely used to measure elemental carbon in snow after filtration. Mineral dust interferes with this quantification due to its temperature-dependent changes in optical properties. Within this work, the analysis of both representatives via thermal-optical analysis was investigated. For method development, snow samples collected at the high-alpine background site Sonnblick Observatory were used. A quantitative parameter based on the temperature-dependent changes in optical properties by mineral dust was defined and used to objectively identify samples affected by mineral dust. An alternative evaluation method was applied to these samples to reduce the bias in the quantification of elemental carbon in the presence of mineral dust. The quantitative parameter showed a linear relationship with the iron loading for low and moderate filter loadings, allowing the approximation of the mineral dust loading based on thermal-optical analysis combined with the mass fraction of iron in mineral dust from long-range transport. The evaluation was applied to seasonal snow cover samples collected at two glacier fields between 2016 and 2024 by GeoSphere Austria. The identified mineral dust layers and the resulting mineral dust masses agreed well with complementary methods. Concentrations and depositions of mineral dust and elemental carbon were determined and the influence of mineral dust on elemental carbon results was quantified. Particulate matter filters collected at Sonnblick Observatory were evaluated, as the deposition of light-absorbing snow impurities is linked to their concentrations in the atmosphere. Filters with an influence of mineral dust from long-range transport were identified in both size fractions (aerodynamic diameter ≤10 or ≤1 μm). Approximated mineral dust masses agreed well with a complementary approach. Yearly average values of elemental carbon were evaluated. Concentrations of micro- and nanoplastics were determined, as these analytes are suspected to act as light-absorbing snow impurities.