title: Atmospheric transport of microplastics
Creators: name: Tatsii, Daria
Publisher: name: :none
Year: 2025

description: Mikroplastik (MP) ist zu einem globalen Umweltproblem geworden. Es gibt zahlreiche Studien, die negative Auswirkungen von MP auf lebende Organismen und Ökosysteme aufzeigen. Neben ihren ökologischen Auswirkungen können MP-Partikel auch atmosphärische und klimatische Prozesse beeinflussen, indem sie beispielsweise als eiskeimbildende Partikel (INPs) die Wolkenbildung und -eigenschaften beeinflussen und so zu Veränderungen des globalen Klimas beitragen. Verunreinigungen der Umwelt mit MP sind allgegenwärtig: MP wurde selbst in abgelegenen, unberührten Regionen wie der Antarktis und der hohen Arktis sowie im Wolkenwasser über Berggipfeln nachgewiesen. Das Verständnis der Emissionen, des Transports und des Verbleibs von MP ist daher von entscheidender Bedeutung für die Bewältigung der Auswirkungen auf Umwelt und Klima. Diese Arbeit befasst sich mit dem atmosphärischen Transport von MP-Partikeln, einem Schlüsselmechanismus, der sie in entlegene und hoch gelegene Regionen befördert. Im ersten Teil der Arbeit wird der Einfluss der Partikelform auf den atmosphärischen Transport untersucht. Grund dafür ist die Tatsache, dass aktuelle atmosphärische Transportmodelle Partikel oft als perfekte Kugeln behandeln, wodurch die Zeit, die reale, nicht kugelförmige MP-Partikel in der Atmosphäre verbringen, unterschätzt wird. Darüber hinaus gab es bisher nur wenige experimentelle Daten über die schwerkraftbedingte Sedimentation von faserförmigen Partikeln in der Luft. Um diese Einschränkung zu beheben, wurden neuartige Laborexperimente durchgeführt, um die schwerkraftbedingte Sedimentation von MP-Fasern in ruhender Luft mit einem hochpräzisen Versuchsaufbau zu messen. Ein experimentelles Formkorrekturschema für die Sedimentation wurde modifiziert und in das Lagrange’sche Partikelausbreitungsmodell FLEXPART integriert. Das modifizierte Modell ermöglichte eine Analyse des Einflusses der Form auf den globalen atmosphärischen Transport, wobei Massenkonzentration, Depositionsfelder, Verweilzeiten und Transportzeiten von kugelförmigen und länglichen Partikeln, z. B. Fasern, verglichen wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Partikelform einen erheblichen Einfluss auf das atmosphärische Transportpotenzial von MP hat, wobei längliche Formen den horizontalen und vertikalen Transport im Vergleich zu kugelförmigen Partikeln mit dem gleichen Volumen um bis zu einem Faktor 4 erhöhen. Die Analyse zeigt auch, dass MP-Partikel aufgrund ihrer Größe und Form die mittlere Stratosphäre erreichen können, wo sie das stratosphärische Ozon durch die Freisetzung von Halogenen bei UV-Abbau beeinträchtigen könnten. Als Fallstudie wurde FLEXPART mit dem neuen Formkorrekturschema verwendet, um die potenziellen Quellregionen von MP-Fasern zu analysieren, die aus der Schneedecke in Westsibirien, Russland, entnommen wurden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass MP-Fasern je nach Partikelgröße sowohl durch atmosphärischen Fern- als auch Kurzstreckentransport zu den Probenahmestellen gelangen können. Das große vertikale Transportpotenzial von MP-Partikeln deutet auch darauf hin, dass sie eine wichtige Rolle bei der Gesamtkonzentration der INP-Anzahl spielen könnten. Daher wurde im zweiten Teil dieser Arbeit MP als potenzielle Quelle von INPs untersucht. Die Anzahl der Konzentrationen von MP-Partikeln in der Atmosphäre im Zusammenhang mit dem Straßenverkehr wurde analysiert, um ihren Beitrag zu den INP-Konzentrationen in Mischphasen- und Zirruswolken auf globaler Ebene abzuschätzen. Die geschätzten, von MP abgeleiteten INP-Anteile wurden mit bestehenden Modellschätzungen für Mineralstaub und Meerespartikel in Mischphasenwolken und Mineralstaub in Zirruswolken verglichen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass in bestimmten Regionen die MP-Konzentrationen ausreichen könnten, um die heterogene Keimbildung von Eiskristallen in Mischphasen- oder Zirruswolken zu induzieren, insbesondere wenn die Konzentrationen anderer wirksamer INPs, wie Mineralstaub, Meerespartikel oder Bioaerosole, gering sind oder sie nicht vorhanden sind. Insgesamt bringt diese Arbeit die Modellierung des atmosphärischen Transports durch die Einbeziehung eines experimentell validierten Formkorrekturschemas für nicht kugelförmige MP-Partikel voran und demonstriert das erhöhte Transportpotenzial speziell von MP-Fasern. Die Ergebnisse dieser Studie sind nicht nur auf MP-Partikel anwendbar, sondern können auch die Transportmodellsimulationen anderer fester, nicht kugelförmiger Partikel wie Vulkanasche, Pollen, Mineralstaub, radioaktiver Partikel und so weiter verbessern. Darüber hinaus bietet diese Arbeit neue Einblicke in die Rolle von MP als potenzielle INPs und trägt zu unserem Verständnis ihres Verbleibs in der Atmosphäre und ihrer Auswirkungen auf das Klima bei.
description: Microplastics (MPs) have become an issue of global environmental concern, with numerous studies highlighting their negative effects on living organisms and ecosystems. Beyond their ecological impact, MPs can influence atmospheric and climate processes, for example, by acting as ice-nucleating particles (INPs), thereby affecting cloud formation and properties, thus, contributing to changes in the global climate. Their contamination is ubiquitous, with MPs detected even in remote, pristine regions such as Antarctica and the high Arctic, and in cloud water above mountain peaks. Understanding the emissions, transport, and fate of MPs is therefore critical to addressing their environmental and climatic impacts. This thesis focuses on the atmospheric transport of MPs, a key mechanism dispersing them to remote and high-altitude regions. In the first part, the influence of particle shape on atmospheric transport is examined. This is motivated by the fact that current atmospheric transport models often treat particles as perfect spheres, underestimating the atmospheric residence time of non-spherical MPs. Furthermore, little experimental data was available on the gravitational settling of highly elongated fiber-shaped particles in air. To address this limitation, novel laboratory experiments were conducted to measure the gravitational settling of MP fibers in still air using a high-precision experimental setup. An experimentally constrained shape-correction settling scheme has been modified and subsequently has been integrated into the Lagrangian particle dispersion model FLEXPART. The modified model enabled analysis of how shape affects global atmospheric transport, comparing mass concentration, deposition fields, residence times, and travel distances of spherical and elongated particles., i.e. fibers. The results demonstrate that particle shape has a substantial impact on the atmospheric transport potential of MPs, with elongated shapes increasing horizontal and vertical transport by up to a factor of four compared to spherical particles of the equivalent volume. The analysis also shows that due to their size and shape, MP particles can reach the middle stratosphere, where they could affect stratospheric ozone due to the halogen release under UV degradation. As a case study, FLEXPART with the new shape-correction scheme was then used to analyze the potential source regions of MP fibers sampled from the snowpack in Western Siberia, Russia. The results suggest that MP fibers can reach the sampling sites by both long-range and short-range atmospheric transport, depending on the particle size. The great vertical transport potential of MPs also suggests they could play an important role in contributing to the total INP number concentration. Therefore, the second part of this thesis investigates MPs as potential INPs. The number concentrations of road traffic-related MPs in the atmosphere were analyzed to assess their contribution to INP concentrations in mixed-phase and cirrus clouds on a global scale. Estimated MP-derived INP fractions were compared to existing model estimates for mineral dust and marine particles in mixed-phase cloud conditions, and mineral dust in cirrus cloud conditions. The findings suggest that in certain regions, MP concentrations may be sufficient to induce heterogeneous nucleation of ice crystals in mixed-phase or cirrus clouds, especially when concentrations of other effective INPs, such as mineral dust, marine particles, or bioaerosols, are low or absent. Overall, this thesis advances atmospheric transport modeling by incorporating an experimentally validated shape-correction scheme for non-spherical MPs and demonstrates their enhanced transport potential. The results of this study are not only applicable to microplastic particles but can also improve the transport model simulations of any other solid non-spherical particles such as volcanic ash, pollen, mineral dust, radioactive materials, and others. Furthermore, this work provides new insights into the role of MPs as potential INPs, contributing to our understanding of their atmospheric fate and impact on climate.