Stable isotope investigations of atmospheric nitrous oxide

ZusammenfassungDie Analyse von Isotopenverhältnissen ist von wachsender Bedeutung bei der Untersuchung von Quellen, Senken und chemischen Reaktionswegen atmosphärischer Spurengase. Distickstoffoxid (N2O) hat vier isotopisch einfach substituierte Spezies: 14N15N16O, 15N14N16O, 14N217O und 14N218O. In der vorliegenden Arbeit wurden massenspektrometrische Methoden entwickelt, die eine komplette Charakterisierung der Variationen im Vorkommen dieser Spezies ermöglichen. Es wird die bisher umfassendste Darstellung dieser Variationen in Troposphäre und Stratosphäre gegeben und mit Bezug auf eine Reihe von Laborexperimenten detailliert interpretiert.Die Laborexperimente machen einen großen Anteil dieser Doktorarbeit aus und konzentrieren sich auf die Isotopenfraktionierung in den stratosphärischen N2O-Senken, d. h. Photolyse und Reaktion mit elektronisch angeregten Sauerstoffatomen, O(1D). Diese Prozesse sind von dominantem Einfluß auf die Isotopenzusammensetzung von atmosphärischem N2O. Potentiell wichtige Parameter wie Temperatur- und Druckvariationen, aber auch Veränderungen der Wellenlänge im Fall der Photolyse wurden berücksichtigt. Photolyse bei stratosphärisch relevanten Wellenlängen > 190 nm zeigte immer Anreicherungen von 15N in beiden Stickstoffatomen des verbleibenden N2O wie auch in 17O und 18O. Die Anreicherungen waren am mittelständigen N-Atom signifikant höher als am endständigen N (mit mittleren Werten für 18O) und stiegen zu größeren Wellenlängen und niedrigeren Temperaturen hin an. Erstmalig wurden für 18O und 15N am endständigen N-Atom Isotopenabreicherungen bei 185 nm-Photolyse festgestellt. Im Gegensatz zur Photolyse waren die Isotopenanreicherungen bei der zweiten wichtigen N2O-Senke, Reaktion mit O(1D) vergleichsweise gering. Jedoch war das positionsabhängige Fraktionierungsmuster dem der Photolyse direkt entgegengesetzt und zeigte größere Anreicherungen am endständigen N-Atom. Demgemäß führen beiden Senkenprozesse zu charakteristischen Isotopensignaturen in stratosphärischem N2O. Weitere N2O-Photolyseexperimente zeigten, daß 15N216O in der Atmosphäre höchstwahrscheinlich mit der statistisch zu erwartenden Häufigkeit vorkommt.Kleine stratosphärische Proben erforderten die Anpassung der massenspektrometrischen Methoden an Permanentflußtechniken, die auch für Messungen an Firnluftproben von zwei antarktischen Stationen verwendet wurden. Das 'Firnluftarchiv' erlaubte es, den gegenwärtigen Trend und die präindustriellen Werte der troposphärischen N2O-Isotopensignatur zu bestimmen. Ein daraus konstruiertes globales N2O-Isotopenbudget ist im Einklang mit den besten Schätzungen der Gesamt-N2O-Emissionen aus Böden und Ozeanen.17O-Messungen bestätigten die Sauerstoffisotopenanomalie in atmosphärischem N2O, zeigten aber auch, daß N2O-Photolyse die Sauerstoffisotope gemäß einem massenabhängigen Fraktionierungsgesetz anreichert. Eine troposphärische Ursache für einen Teil des Exzeß-17O wurde vorgeschlagen, basierend auf der Reaktion von NH2 mit NO2, wodurch die Sauerstoffisotopenanomalie von O3 über NO2 an N2O übertragen wird.

Untersuchung von Mischungs- und Transportprozessen in der oberen Troposphäre - unteren Stratosphäre basierend auf in-situ Spurengasmessungen

Die obere Troposphäre / untere Stratosphäre (UTLS: Upper Troposphere / Lower Stratosphere)ist die Übergangsgregion zwischen den dynamisch, chemisch und mikrophysikalisch sehr verschiedenen untersten Atmosphärenschichten, der Troposphäre und der Stratosphäre. Strahlungsaktive Spurengase, wie zum Beispiel Wasserdampf (H2O), Ozon (O3) oder Kohlenstoffdioxid (CO2), und Wolken in der UTLS beeinflussen das Strahlungsbudget der Atmosphäre und das globale Klima. Mögliche Veränderungen in den Verteilungen und Konzentrationen dieser Spurengase modifizieren den Strahlungsantrieb der Atmosphäre und können zum beobachteten Klimawandel beitragen. Ziel dieser Arbeit ist es, Austausch- und Mischungsprozesse innerhalb der UTLS besser zu verstehen und damit Veränderungen der Spurengaszusammensetzung dieser Region genauer prognostizieren zu können. Grundlage hierfür bilden flugzeuggetragene in-situ Spurengasmessungen in der UTLS, welche während der Flugzeugmesskampagnen TACTS / ESMVal 2012 und AIRTOSS - ICE 2013 durchgeführt wurden. Hierbei wurde bei den Messungen von AIRTOSS - ICE 2013 das im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute UMAQS (University of Mainz Airborne QCLbased Spectrometer) - Instrument zur Messung der troposphärischen Spurengase Distickstoffmonoxid (N2O) und Kohlenstoffmonoxid (CO) eingesetzt. Dieses erreicht bei einer zeitlichen Auflösung von 1 s eine Messunsicherheit von 0,39 ppbv und 1,39 ppbv der N2O bzw. CO-Mischungsverhältnisse. Die hohe Zeitauflösung und Messgenauigkeit der N2O- und CO- Daten erlaubt die Untersuchung von kleinskaligen Austauschprozessen zwischen Troposphäre und Stratosphäre im Bereich der Tropopause auf räumlichen Skalen kleiner 200 m. Anhand der N2O-Daten von AIRTOSS - ICE 2013 können in-situ detektierte Zirruspartikel in eisübersättigter Luft oberhalb der N2O-basierten chemischen Tropopause nachgewiesen werden. Mit Hilfe der N2O-CO-Korrelation sowie der Analyse von ECMWF-Modelldaten und der Berechnung von Rückwärtstrajektorien kann deren Existenz auf das irreversible Vermischen von troposphärischen und stratosphärischen Luftmassen zurückgeführt werden. Mit den in-situ Messungen von N2O, CO und CH4 (Methan) von TACTS und ESMVal 2012 werden die großräumigen Spurengasverteilungen bis zu einer potentiellen Temperatur von Theta = 410 K in der extratropischen Stratosphäre untersucht. Hierbei kann eine Verjüngung der Luftmassen in der extratropischen Stratosphäre mit Delta Theta > 30 K (relativ zur dynamischen Tropopause) über den Zeitraum der Messkampagne (28.08.2012 - 27.09.2012) nachgewiesen werden. Die Korrelation von N2O mit O3 zeigt, dass diese Verjüngung aufgrund des verstärkten Eintrages von Luftmassen aus der tropischen unteren Stratosphäre verursacht wird. Diese werden über den flachen Zweig der Brewer-Dobson-Zirkulation auf Zeitskalen von wenigen Wochen in die extratropische Stratosphäre transportiert. Anhandrnder Analyse der CO-O3-Korrelation eines Messfluges vom 30.08.2012 wird das irreversible Einmischen von Luftmassen aus der tropischen Stratosphäre in die Extratropen auf Isentropen mit Theta > 380 K identifiziert. Rückwärtstrajektorien zeigen, dass der Ursprung der eingemischten tropischen Luftmassen im Bereich der sommerlichen Antizyklone des asiatischen Monsuns liegt.

Investigation of the lithium ion mobility in cyclic model compounds and their ion conducting properties

Efficient energy storage and conversion is playing a key role in overcoming the present and future challenges in energy supply. Batteries provide portable, electrochemical storage of green energy sources and potentially allow for a reduction of the dependence on fossil fuels, which is of great importance with respect to the issue of global warming. In view of both, energy density and energy drain, rechargeable lithium ion batteries outperform other present accumulator systems. However, despite great efforts over the last decades, the ideal electrolyte in terms of key characteristics such as capacity, cycle life, and most important reliable safety, has not yet been identified. rnrnSteps ahead in lithium ion battery technology require a fundamental understanding of lithium ion transport, salt association, and ion solvation within the electrolyte. Indeed, well-defined model compounds allow for systematic studies of molecular ion transport. Thus, in the present work, based on the concept of ‘immobilizing’ ion solvents, three main series with a cyclotriphosphazene (CTP), hexaphenylbenzene (HBP), and tetramethylcyclotetrasiloxane (TMS) scaffold were prepared. Lithium ion solvents, among others ethylene carbonate (EC), which has proven to fulfill together with pro-pylene carbonate safety and market concerns in commercial lithium ion batteries, were attached to the different cores via alkyl spacers of variable length.rnrnAll model compounds were fully characterized, pure and thermally stable up to at least 235 °C, covering the requested broad range of glass transition temperatures from -78.1 °C up to +6.2 °C. While the CTP models tend to rearrange at elevated temperatures over time, which questions the general stability of alkoxide related (poly)phosphazenes, both, the HPB and CTP based models show no evidence of core stacking. In particular the CTP derivatives represent good solvents for various lithium salts, exhibiting no significant differences in the ionic conductivity σ_dc and thus indicating comparable salt dissociation and rather independent motion of cations and ions.rnrnIn general, temperature-dependent bulk ionic conductivities investigated via impedance spectroscopy follow a William-Landel-Ferry (WLF) type behavior. Modifications of the alkyl spacer length were shown to influence ionic conductivities only in combination to changes in glass transition temperatures. Though the glass transition temperatures of the blends are low, their conductivities are only in the range of typical polymer electrolytes. The highest σ_dc obtained at ambient temperatures was 6.0 x 10-6 S•cm-1, strongly suggesting a rather tight coordination of the lithium ions to the solvating 2-oxo-1,3-dioxolane moieties, supported by the increased σ_dc values for the oligo(ethylene oxide) based analogues.rnrnFurther insights into the mechanism of lithium ion dynamics were derived from 7Li and 13C Solid- State NMR investigations. While localized ion motion was probed by i.e. 7Li spin-lattice relaxation measurements with apparent activation energies E_a of 20 to 40 kJ/mol, long-range macroscopic transport was monitored by Pulsed-Field Gradient (PFG) NMR, providing an E_a of 61 kJ/mol. The latter is in good agreement with the values determined from bulk conductivity data, indicating the major contribution of ion transport was only detected by PFG NMR. However, the μm-diffusion is rather slow, emphasizing the strong lithium coordination to the carbonyl oxygens, which hampers sufficient ion conductivities and suggests exploring ‘softer’ solvating moieties in future electrolytes.rn

Climate change in Libya and desertification of Jifara Plain

The study was arranged to manifest its objectives through preceding it with an intro-duction. Particular attention was paid in the second part to detect the physical settings of the study area, together with an attempt to show the climatic characteristics in Libya. In the third part, observed temporal and spatial climate change in Libya was investigated through the trends of temperature, precipitation, relative humidity and cloud amount over the peri-ods (1946-2000), (1946-1975), and (1976-2000), comparing the results with the global scales. The forth part detected the natural and human causes of climate change concentrat-ing on the greenhouse effect. The potential impacts of climate change on Libya were ex-amined in the fifth chapter. As a case study, desertification of Jifara Plain was studied in the sixth part. In the seventh chapter, projections and mitigations of climate change and desertification were discussed. Ultimately, the main results and recommendations of the study were summarized. In order to carry through the objectives outlined above, the following methods and approaches were used: a simple linear regression analysis was computed to detect the trends of climatic parameters over time; a trend test based on a trend-to-noise-ratio was applied for detecting linear or non-linear trends; the non-parametric Mann-Kendall test for trend was used to reveal the behavior of the trends and their significance; PCA was applied to construct the all-Libya climatic parameters trends; aridity index after Walter-Lieth was shown for computing humid respectively arid months in Libya; correlation coefficient, (after Pearson) for detecting the teleconnection between sun spot numbers, NAOI, SOI, GHGs, and global warming, climate changes in Libya; aridity index, after De Martonne, to elaborate the trends of aridity in Jifara Plain; Geographical Information System and Re-mote Sensing techniques were applied to clarify the illustrations and to monitor desertifi-cation of Jifara Plain using the available satellite images MSS, TM, ETM+ and Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). The results are explained by 88 tables, 96 figures and 10 photos. Temporal and spatial temperature changes in Libya indicated remarkably different an-nual and seasonal trends over the long observation period 1946-2000 and the short obser-vation periods 1946-1975 and 1976-2000. Trends of mean annual temperature were posi-tive at all study stations except at one from 1946-2000, negative trends prevailed at most stations from 1946-1975, while strongly positive trends were computed at all study stations from 1976-2000 corresponding with the global warming trend. Positive trends of mean minimum temperatures were observed at all reference stations from 1946-2000 and 1976-2000, while negative trends prevailed at most stations over the period 1946-1975. For mean maximum temperature, positive trends were shown from 1946-2000 and from 1976-2000 at most stations, while most trends were negative from 1946-1975. Minimum tem-peratures increased at nearly more than twice the rate of maximum temperatures at most stations. In respect of seasonal temperature, warming mostly occurred in summer and au-tumn in contrast to the global observations identifying warming mostly in winter and spring in both study periods. Precipitation across Libya is characterized by scanty and sporadically totals, as well as high intensities and very high spatial and temporal variabilities. From 1946-2000, large inter-annual and intra-annual variabilities were observed. Positive trends of annual precipi-tation totals have been observed from 1946-2000, negative trends from 1976-2000 at most stations. Variabilities of seasonal precipitation over Libya are more strikingly experienced from 1976-2000 than from 1951-1975 indicating a growing magnitude of climate change in more recent times. Negative trends of mean annual relative humidity were computed at eight stations, while positive trends prevailed at seven stations from 1946-2000. For the short observation period 1976-2000, positive trends were computed at most stations. Annual cloud amount totals decreased at most study stations in Libya over both long and short periods. Re-markably large spatial variations of climate changes were observed from north to south over Libya. Causes of climate change were discussed showing high correlation between tempera-ture increasing over Libya and CO2 emissions; weakly positive correlation between pre-cipitation and North Atlantic Oscillation index; negative correlation between temperature and sunspot numbers; negative correlation between precipitation over Libya and Southern Oscillation Index. The years 1992 and 1993 were shown as the coldest in the 1990s result-ing from the eruption of Mount Pinatubo, 1991. Libya is affected by climate change in many ways, in particular, crop production and food security, water resources, human health, population settlement and biodiversity. But the effects of climate change depend on its magnitude and the rate with which it occurs. Jifara Plain, located in northwestern Libya, has been seriously exposed to desertifica-tion as a result of climate change, landforms, overgrazing, over-cultivation and population growth. Soils have been degraded, vegetation cover disappeared and the groundwater wells were getting dry in many parts. The effect of desertification on Jifara Plain appears through reducing soil fertility and crop productivity, leading to long-term declines in agri-cultural yields, livestock yields, plant standing biomass, and plant biodiversity. Desertifi-cation has also significant implications on livestock industry and the national economy. Desertification accelerates migration from rural and nomadic areas to urban areas as the land cannot support the original inhabitants. In the absence of major shifts in policy, economic growth, energy prices, and con-sumer trends, climate change in Libya and desertification of Jifara Plain are expected to continue in the future. Libya cooperated with United Nations and other international organizations. It has signed and ratified a number of international and regional agreements which effectively established a policy framework for actions to mitigate climate change and combat deserti-fication. Libya has implemented several laws and legislative acts, with a number of ancil-lary and supplementary rules to regulate. Despite the current efforts and ongoing projects being undertaken in Libya in the field of climate change and desertification, urgent actions and projects are needed to mitigate climate change and combat desertification in the near future.