Chemical interaction between ocean and atmosphere

The exchange of chemical constituents between ocean and atmosphere provides potentially important feedback mechanisms in the climate system. The aim of this study is to develop and evaluate a chemically coupled global atmosphere-ocean model. For this, an atmosphere-ocean general circulation model with atmospheric chemistry has been expanded to include oceanic biogeochemistry and the process of air-sea gas exchange. The calculation of seawater concentrations in the oceanic biogeochemistry submodel has been expanded from DMS, CO₂

Simulating short lived carbonaceous compounds with an atmospheric chemistry general circulation model

Ein neu entwickeltes globales Atmosphärenchemie- und Zirkulationsmodell (ECHAM5/MESSy1) wurde verwendet um die Chemie und den Transport von Ozonvorläufersubstanzen zu untersuchen, mit dem Schwerpunkt auf Nichtmethankohlenwasserstoffen. Zu diesem Zweck wurde das Modell durch den Vergleich der Ergebnisse mit Messungen verschiedenen Ursprungs umfangreich evaluiert. Die Analyse zeigt, daß das Modell die Verteilung von Ozon realistisch vorhersagt, und zwar sowohl die Menge als auch den Jahresgang. An der Tropopause gibt das Modell den Austausch zwischen Stratosphäre und Troposphäre ohne vorgeschriebene Flüsse oder Konzentrationen richtig wieder. Das Modell simuliert die Ozonvorläufersubstanzen mit verschiedener Qualität im Vergleich zu den Messungen. Obwohl die Alkane vom Modell gut wiedergeben werden, ergibt sich einige Abweichungen für die Alkene. Von den oxidierten Substanzen wird Formaldehyd (HCHO) richtig wiedergegeben, während die Korrelationen zwischen Beobachtungen und Modellergebnissen für Methanol (CH3OH) und Aceton (CH3COCH3) weitaus schlechter ausfallen. Um die Qualität des Modells im Bezug auf oxidierte Substanzen zu verbessern, wurden einige Sensitivitätsstudien durchgeführt. Diese Substanzen werden durch Emissionen/Deposition von/in den Ozean beeinflußt, und die Kenntnis über den Gasaustausch mit dem Ozean ist mit großen Unsicherheiten behaftet. Um die Ergebnisse des Modells ECHAM5/MESSy1 zu verbessern wurde das neue Submodell AIRSEA entwickelt und in die MESSy-Struktur integriert. Dieses Submodell berücksichtigt den Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre einschließlich der oxidierten Substanzen. AIRSEA, welches Informationen über die Flüssigphasenkonzentration des Gases im Oberflächenwasser des Ozeans benötigt wurde ausgiebig getestet. Die Anwendung des neuen Submodells verbessert geringfügig die Modellergebnisse für Aceton und Methanol, obwohl die Verwendung einer vorgeschriebenen Flüssigphasenkonzentration stark den Erfolg der Methode einschränkt, da Meßergebnisse nicht in ausreichendem Maße zu Verfügung stehen. Diese Arbeit vermittelt neue Einsichten über organische Substanzen. Sie stellt die Wichtigkeit der Kopplung zwischen Ozean und Atmosphäre für die Budgets vieler Gase heraus.

Volatile organic compounds at the air-sea interface : gas exchange rates, oceanic emissions and the effect of ocean acidification

Oceans are key sources and sinks in the global budgets of significant atmospheric trace gases, termed Volatile Organic Compounds (VOCs). Despite their low concentrations, these species have an important role in the atmosphere, influencing ozone photochemistry and aerosol physics. Surprisingly, little work has been done on assessing their emissions or transport mechanisms and rates between ocean and atmosphere, all of which are important when modelling the atmosphere accurately.rnA new Needle Trap Device (NTD) - GC-MS method was developed for the effective sampling and analysis of VOCs in seawater. Good repeatability (RSDs <16 %), linearity (R2 = 0.96 - 0.99) and limits of detection in the range of pM were obtained for DMS, isoprene, benzene, toluene, p-xylene, (+)-α-pinene and (-)-α-pinene. Laboratory evaluation and subsequent field application indicated that the proposed method can be used successfully in place of the more usually applied extraction techniques (P&T, SPME) to extend the suite of species typically measured in the ocean and improve detection limits. rnDuring a mesocosm CO2 enrichment study, DMS, isoprene and α-pinene were identified and quantified in seawater samples, using the above mentioned method. Based on correlations with available biological datasets, the effects of ocean acidification as well as possible ocean biological sources were investigated for all examined compounds. Future ocean's acidity was shown to decrease oceanic DMS production, possibly impact isoprene emissions but not affect the production of α-pinene. rnIn a separate activity, ocean - atmosphere interactions were simulated in a large scale wind-wave canal facility, in order to investigate the gas exchange process and its controlling mechanisms. Air-water exchange rates of 14 chemical species (of which 11 VOCs) spanning a wide range of solubility (dimensionless solubility, α = 0:4 to 5470) and diffusivity (Schmidt number in water, Scw = 594 to 1194) were obtained under various turbulent (wind speed at ten meters height, u10 = 0:8 to 15ms-1) and surfactant modulated (two different sized Triton X-100 layers) surface conditions. Reliable and reproducible total gas transfer velocities were obtained and the derived values and trends were comparable to previous investigations. Through this study, a much better and more comprehensive understanding of the gas exchange process was accomplished. The role of friction velocity, uw* and mean square slope, σs2 in defining phenomena such as waves and wave breaking, near surface turbulence, bubbles and surface films was recognized as very significant. uw* was determined as the ideal turbulent parameter while σs2 described best the related surface conditions. A combination of both uw* and σs2 variables, was found to reproduce faithfully the air-water gas exchange process. rnA Total Transfer Velocity (TTV) model provided by a compilation of 14 tracers and a combination of both uw* and σs2 parameters, is proposed for the first time. Through the proposed TTV parameterization, a new physical perspective is presented which provides an accurate TTV for any tracer within the examined solubility range. rnThe development of such a comprehensive air-sea gas exchange parameterization represents a highly useful tool for regional and global models, providing accurate total transfer velocity estimations for any tracer and any sea-surface status, simplifying the calculation process and eliminating inevitable calculation uncertainty connected with the selection or combination of different parameterizations.rnrn

Interactions between the hydrological cycle and atmospheric chemistry

The land-atmosphere exchange of atmospheric trace gases is sensitive to meteorological conditions and climate change. It contributes in turn to the atmospheric radiative forcing through its effects on tropospheric chemistry. The interactions between the hydrological cycle and atmospheric processes are intricate and often involve different levels of feedbacks. The Earth system model EMAC is used in this thesis to assess the direct role of the land surface components of the terrestrial hydrological cycle in the emissions, deposition and transport of key trace gases that control tropospheric chemistry. It is also used to examine its indirect role in changing the tropospheric chemical composition through the feedbacks between the atmospheric and the terrestrial branches of the hydrological cycle. Selected features of the hydrological cycle in EMAC are evaluated using observations from different data sources. The interactions between precipitation and the water vapor column, from the atmospheric branch of the hydrological cycle, and evapotranspiration, from its terrestrial branch, are assessed specially for tropical regions. The impacts of changes in the land surface hydrology on surface exchanges and the oxidizing chemistry of the atmosphere are assessed through two sensitivity simulations. In the first, a new parametrization for rainfall interception in the densely vegetated areas in the tropics is implemented, and its effects are assessed. The second study involves the application of a soil moisture forcing that replaces the model calculated soil moisture. Both experiments have a large impact on the local hydrological cycle, dry deposition of soluble and insoluble gases, emissions of isoprene through changes in surface temperature and the Planetary Boundary Layer height. Additionally the soil moisture forcing causes changes in local vertical transport and large-scale circulation. The changes in trace gas exchanges affect the oxidation capacity of the atmosphere through changes in OH, O$_3$, NO$_x$ concentrations.

The surface exchange of trace gases in the tropics and savannas

ZusammenfassungDie Spurengase NOx (Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2)) haben massgeblichen Einfluss auf die Produktion von OH (Hydroxylradikal) und Ozon (O3) in der Troposphäre. Die Bodenemissionen dieser Gase sind weitgehend unbekannt. Das Ziel dieser Arbeit war, die für die NO Bodenemissionen relevanten Prozesse durch Labor und Feldmessungen zu untersuchen und diese durch Modellsimulationen für zwei Regionen, ein tropisches Regenwaldgebiet in Rondônia (Brasilien) und subtropische Savannen in Zimbabwe abzuschätzen. Unter Verwendung der gemessenen NO Werte ergaben die Simulationen mit einem modifizierten prozessorientierten Modell, dass Abholzung in den Tropen nach einer kurzzeitigen Erhöhung zu einer langfristigen Abnahme der Bodenemissionen führt. Ein 'up scaling' der Modellresultate ergab ausgehend von der ursprünglichen Bewaldung der Region eine Verdopplung der NO Bodenemission bis 1999. Sowohl für nährstoffarme Böden der Tropen als auch für die nährstoffreichen Savannenböden waren Landnutzung und Bodenfeuchte die wichtigsten Einflussgrössen für die Regulierung der Emissionen. Über den Zeitraum eines Jahres waren die Emissionsraten der Tropen (0.49 kgNhayr-1) ungefähr halb so gross wie die der subtropischen Savannen (0.86 kgNhayr-1). Solange die Abholzung der Regenwälder voranschreitet werden die Tropen starken Einfluss auf die troposphärische Chemie haben.

Tropospheric photochemistry of ozone, its precursors and the hydroxyl radical

Zusammenfassung Ein 3-dimensionales globales Modell der unterenAtmosphäre wurde für die Untersuchung derOzonchemie, sowie der Chemie des Hydroxylradikals (OH) undwichtiger Vorläufersubstanzen, wie reaktiverStickstoffverbindungen und Kohlenwasserstoffe, verwendet.Hierfür wurde die Behandlung vonNicht-Methan-Kohlenwasserstoffen (NMKW) hinzugefügt,was auch die Entwicklung einer vereinfachten Beschreibungihrer Chemie, sowie die Erfassung von Depositionsprozessenund Emissionen erforderte. Zur Lösung der steifengewöhnlichen Differentialgleichungen der Chemie wurdeeine schnelles Rosenbrock-Verfahren eingesetzt, das soimplementiert wurde, dass die Modell-Chemie fürzukünftige Studien leicht abgeändert werden kann. Zur Evaluierung des Modells wurde ein umfangreicherVergleich der Modellergebnisse mit Bodenmessungen, sowieFlugzeug-, Sonden- und Satelliten-Daten durchgeführt.Das Modell kann viele Aspekte der Beobachtungen derverschieden Substanzen realistisch wiedergeben. Es wurdenjedoch auch einige Diskrepanzen festgestellt, die Hinweiseauf fehlerhafte Emissionsfelder oder auf die Modell-Dynamikund auch auf fehlende Modell-Chemie liefern. Zur weiteren Untersuchung des Einflusses verschiedenerStoffgruppen wurden drei Läufe mit unterschiedlichkomplexer Chemie analysiert. Durch das Berücksichtigender NMKW wird die Verteilung mehrerer wichtiger Substanzensignifikant beeinflusst, darunter z.B. ein Anstieg desglobalen Ozons. Es wurde gezeigt, dass die biogene SubstanzIsopren etwa die Hälfte des Gesamteffekts der NMKWausmachte (mehr in den Tropen, weniger anderswo). In einer Sensitivitätsstudie wurden die Unsicherheitenbei der Modellierung von Isopren weitergehend untersucht.Dabei konnte gezeigt werden, dass die Unsicherheit beiphysikalischen Aspekten (Deposition und heterogene Prozesse)ebenso groß sein kann, wie die aus dem chemischenGasphasen-Mechanismus stammende, welche zu globalbedeutsamen Abweichungen führte. Lokal können sichnoch größere Abweichungen ergeben. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die numerischenStudien dieser Arbeit neue Einblicke in wichtige Aspekte derPhotochemieder Troposphäre ergaben und in Vorschläge fürweiter Studien mündeten, die die wichtigsten gefundenenUnsicherheiten weiter verringern könnten.

Austauschprozesse an Tropopausenfalten extratropischer Zyklonen

Troposphärisches Ozon ist bekannt als wichtiges Oxidationsmittel und als Vorläufergas hoch reaktiver Radikale. Es zählt zu den wichtigsten Treibhausgasen und wirkt bei hohen Konzentrationen an der Erdoberfläche giftig für alle Lebewesen. Zwar wird der Großteil des troposphärischen Ozons photochemisch produziert, ein erheblicher Anteil hat aber stratosphärischen Ursprung und wird entlang von Tropopausenfalten in Zyklonen in die Troposphäre transportiert. Dieser Transport von Luftmassen aus der Stratosphäre in diernTroposphäre (STT) kann zu einem kurzzeitigen, starken Ozonanstieg am Boden führen und langfristig die Chemie der Troposphäre beeinflussen. Die Quantifizierung des Ozoneintrages und die Identifizierung der dafür verantwortlichen Prozesse ist mit großen Unsicherheiten belastet und ein aktuelles Forschungsthema.rnAufgrund ihrer groben Auflösung ist es mit globalen Modellen nicht möglich, die Details dieser STT-Prozesse zu erfassen. Deshalb wird in dieser Arbeit das Modellsystem MECO(n) genutzt, welches das regionale Atmosphärenchemie- und Klimamodell COSMO/MESSy mit dem globalen Chemie-Klimamodell ECHAM5/MESSy (EMAC) koppelt. Eine einheitliche Prozessparametrisierung ermöglicht konsistente, simultane Simulationen in verschiedenen Modellauflösungen. Ein als Teil dieser Arbeit neu entwickeltes Submodell erlaubt die Initialisierung künstlicher, passiver Tracer in Abhängigkeit verschiedener Variablen. Mit einem auf diese Weise freigesetzten, stratosphärischen Tracer lässt sich Ozon mit stratosphärischer Herkunft von solchem, das photochemisch produziert wurde, unterscheiden.rnIm Rahmen einer Fallstudie werden die Austauschprozesse an einer Tropopausenfalte sowohl aus der Eulerischen, als auch aus der Lagrangeschen Perspektive betrachtet. Die Analyse der STT-Prozesse zeigt, dass Luftmassen aus der Stratosphäre durch turbulente und diabatische Prozesse am Rand der Tropopausenfalte in die Troposphäre gelangen und anschließend bis zum Boden transportiert werden. Diese absinkenden, stratosphärischen Luftmassen führen in den Simulationen zu Ozonanstiegen am Boden, die mit Beobachtungsdaten evaluiert werden können. Es wird gezeigt, dass die Ergebnisse der feiner auflösendenrnModellinstanz gut mit den Messungen übereinstimmen.rnIn einer Lagrangeschen Analyse lassen sich Mischungszeitskalen für STT-Prozesse bestimmen. Es wird gezeigt, dass Luftpakete, die sich länger als zehn Stunden in der Troposphäre aufhalten, diese durch den Eintrag ihrer stratosphärischen Tracereigenschaften beeinflussen und daher nicht vernachlässigbar sind. Eine weitere Studie gibt Aufschluss über die Effektivität der Mischung an Tropopausenfalten: Fast die gesamte Luftmasse, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Tropopausenfalte befindet, gelangt innerhalb von zwei Tagen in die Troposphäre.

OH- und HO 2-Radikale über dem tropischen Regenwald

Beständig werden Spurenstoffe in die Atmosphäre emittiert, die ihren Ursprung in biogenen oder anthropogenen Quellen haben. Daß es dennoch im allgemeinen nicht zu einer Anreicherung bis hin zu toxischen Konzentrationen kommt, liegt an dem Vermögen der Atmosphäre sich durch Oxidationsprozesse selbst zu reinigen. Eine wichtige Aufgabe kommt dabei dem Hydroxylradikal OH zu, welches tagsüber die Oxidationskapazität der Atmosphäre bestimmt. Hierbei spielen die tropischen Regionen mit einer der höchsten OH-Produktionsraten eine zentrale Rolle. Gleichzeitig sind die tropischen Regenwälder eine bedeutende globale Quelle für Kohlenwasserstoffe, die durch Reaktion mit OH-Radikalen dessen Konzentration und damit die Oxidationskapazität der Atmosphäre herabsetzen. Während der GABRIEL-Meßkampagne 2005 im äquatorialen Südamerika wurde der Einfluß der Regenwaldemissionen auf das HOx-Budget (HOx = OH+HO2) untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Radikalmeßinstrument HORUS entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Komponenten des Gerätes optimiert, der Meßaufbau ins Flugzeug integriert und Methoden zur Kalibrierung entwickelt. Bei der internationalen Vergleichskampagne HOxComp2005 zeigte HORUS seine Eignung zur Messung von troposphärischen OH- und HO2-Radikalen.rnrnDie durchgeführten HOx-Messungen während der GABRIEL-Meßkampagne sind die ersten ihrer Art, die über einem tropischen Regenwald stattgefunden haben. Im Gegensatz zu den Vorhersagen globaler Modelle wurden unerwartet hohe OH- und HO2-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht des tropischen Regenwalds beobachtet. Der Vergleich der berechneten OH-Produktions- und Verlustraten, die aus dem umfangreichen Datensatz von GABRIEL ermittelt wurden, zeigte, daß hierbei eine wichtige OH-Quelle unberücksichtigt blieb. Mit Hilfe des Boxmodells MECCA, in welchem die gemessenen Daten als Randbedingungen in die Simulationen eingingen, wurden die modellierten OH- und HO2- Konzentrationen im Gleichgewichtszustand den beobachteten Konzentrationen gegenübergestellt. Luftmassen der freien Troposphäre und der maritimen Grenzschicht zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Modell. Über dem tropischen Regenwald jedoch wurden die beobachteten HOx-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht durch das Modell, vor allem am Nachmittag, signifikant unterschätzt. Dabei lag die Diskrepanz zwischen den beobachteten und simulierten Konzentrationen bei einem mittleren Wert von OHobs/OHmod = 12.2 ± 3.5 und HO2obs/HO2mod = 4.1 ± 1.4. Die Abweichung zwischen Messung und Modell korrelieren hierbei mit der Isoprenkonzentration. Während für niedrige Isoprenmischungsverhältnisse, wie sie über dem Ozean oder in Höhen > 3 km vorherrschten, die Beobachtungen mit den Simulationen innerhalb eines Faktors 1.6±0.7 übereinstimmten, nahm die Unterschätzung durch das Modell für steigende Isoprenmischungsverhältnisse > 200 pptV über dem tropischen Regenwald zu.rnrnDer kondensierte chemische Mechanismus von MECCA wurde mit der ausführlichen Isoprenchemie des ”Master Chemical Mechanism“ überprüft, welches vergleichbare HOx-Konzentrationen lieferte. OH-Simulationen, durchgeführt mit der gemessenen HO2-Konzentration als zusätzliche Randbedingung, zeigten, daß die Konversion zwischen HO2 und OH innerhalb des Modells nicht ausreichend ist. Durch Vernachlässigung der gesamten Isoprenchemie konnte dagegen eine Übereinstimmung zwischen Modell und Messung erreicht werden. Eine OH-Quelle in der gleichen Größenordnung wie die OH-Senke durch Isopren, ist somit zur Beschreibung der beobachteten OH-Konzentration notwendig. Reaktionsmechanismen, die innerhalb der Isoprenchemie die gleiche Anzahl an OH-Radikalen erzeugen wie sie verbrauchen, könnten eine mögliche Ursache sein. Unterschiedliche zusätzliche Reaktionen wurden in die Isoprenabbaumechanismen des Modells implementiert, die zur Erhöhung der OH-Quellstärke führen sollten. Diese bewirkten eine Zunahme der simulierten HO2-Konzentrationen um einen maximalen Faktor von 5 für OH und 2 für HO2. Es wird eine OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit r von bis zu 94% gefordert, wie sie für die GABRIEL-Messungen erreicht wurde. Die geringe OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit von 38% des Modells zeigte, daß wichtige Zyklierungsvorgänge im chemischen Mechanismus bislang nicht berücksichtigt werden. Zusätzliche Zyklierungsreaktionen innerhalb des Isoprenmechanismus, die auch unter niedrigen NO-Konzentrationen zur Rückbildung von OHRadikalen führen, könnten eine Erklärung für die über dem Regenwald beobachteten hohen OH-Konzentration liefern.rn

Oxidation photochemistry in the remote marine boundary layer

Die bedeutendste Folge der Luftverschmutzung ist eine erhöhte Konzentration an Ozon (O3) in der Troposphäre innerhalb der letzten 150 Jahre. Ozon ist ein photochemisches Oxidationsmittel und ein Treibhausgas, das als wichtigste Vorstufe des Hydroxyradikals OH die Oxidationskraft der Atmosphäre stark beeinflusst. Um die Oxidationskraft der Atmosphäre und ihren Einfluss auf das Klima verstehen zu können, ist es von großer Bedeutung ein detailliertes Wissen über die Photochemie des Ozons und seiner Vorläufer, den Stickoxiden (NOx), in der Troposphäre zu besitzen. Dies erfordert das Verstehen der Bildungs- und Abbaumechanismen von Ozon und seiner Vorläufer. Als eine für den chemischen Ozonabbau wichtige Region kann die vom Menschen weitgehend unberührte marine Grenzschicht (Marine boundary layer (MBL)) angesehen werden. Bisher wurden für diese Region jedoch kaum Spurengasmessungen durchgeführt, und so sind die dort ablaufenden photochemischen Prozesse wenig untersucht. Da etwa 70 % der Erdoberfläche mit Ozeanen bedeckt sind, können die in der marinen Granzschicht ablaufenden Prozesse als signifikant für die gesamte Atmosphäre angesehen werden. Dies macht eine genaue Untersuchung dieser Region interessant. Um die photochemische Produktion und den Abbau von Ozon abschätzen zu können und den Einfluss antrophogener Emissionen auf troposphärisches Ozon zu quantifizieren, sind aktuelle Messergebnisse von NOx im pptv-Bereich für diese Region erforderlich. Die notwendigen Messungen von NO, NO2, O3, JNO2, J(O1D), HO2, OH, ROx sowie einiger meteorologischer Parameter wurden während der Fahrt des französischen Forschungsschiffes Marion-Dufresne auf dem südlichen Atlantik (28°S-57°S, 46°W-34°E) im März 2007 durchgeführt. Dabei sind für NO und NO2 die bisher niedrigsten gemessenen Werte zu verzeichnen. Die während der Messcampagne gewonnen Daten wurden hinsichtlich Ihrer Übereinstimmung mit den Bedingungen des photochemischen stationären Gleichgewichts (photochemical steady state (PSS)) überprüft. Dabei konnte eine Abweichung vom PSS festgestellt werden, welche unter Bedingungen niedriger NOx-Konzentrationen (5 bis 25pptv) einen unerwarteten Trend im Leighton-Verhältnis bewirkt, der abhängig vom NOx Mischungsverhältnis und der JNO2 Intensität ist. Signifikante Abweichungen vom Verhältnis liegen bei einer Zunahme der JNO2 Intensität vor. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Abweichung vom PSS nicht beim Minimum der NOx-Konzentrationen und der JNO2 Werte liegt, so wie es in bisherigen theoretischen Studien dargelegt wurde und können als Hinweis auf weitere photochemische Prozesse bei höheren JNO2-Werten in einem System mit niedrigem NOx verstanden werden. Das wichtigste Ergebnis dieser Untersuchung, ist die Verifizierung des Leighton-Verhältnisses, das zur Charakterisierung des PSS dient, bei sehr geringen NOx-Konzentrationen in der MBL. Die bei dieser Doktorarbeit gewonnenen Erkenntnisse beweisen, dass unter den Bedingungen der marinen Granzschicht rein photochemischer Abbau von Ozon stattfindet und als Hauptursache hierfür während des Tages die Photolyse gilt. Mit Hilfe der gemessenen Parameter wurde der kritische NO-Level auf Werte zwischen 5 und 9 pptv abgeschätzt, wobei diese Werte im Vergleich zu bisherigen Studien vergleichsweise niedrig sind. Möglicherweise bedeutet dies, dass das Ozon Produktion/ Abbau-Potential des südlichen Atlantiks deutlich stärker auf die Verfügbarkeit von NO reagiert, als es in anderen Regionen der Fall ist. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde desweiteren ein direkter Vergleich der gemessenen Spezies mit dem Modelergebnis eines 3-dimensionalen Zirkulationsmodel zur Simulation atmosphären chemischer Prozesse (EMAC) entlang der exakten Schiffsstrecke durchgeführt. Um die Übereinstimmung der Messergebnisse mit dem bisherigen Verständnis der atmosphärischen Radikalchemie zu überprüfen, wurde ein Gleichgewichtspunktmodel entwickelt, das die während der Überfahrt erhaltenen Daten für Berechungen verwendet. Ein Vergleich zwischen der gemessenen und der modellierten ROx Konzentrationen in einer Umgebung mit niedrigem NOx zeigt, dass die herkömmliche Theorie zur Reproduktion der Beobachtungen unzureichend ist. Die möglichen Gründe hierfür und die Folgen werden in dieser Doktorarbeit diskutiert.

Global modeling of pollutant transport and deposition from anthropogenic emission hot spots on global scale

Urban centers significantly contribute to anthropogenic air pollution, although they cover only a minor fraction of the Earth's land surface. Since the worldwide degree of urbanization is steadily increasing, the anthropogenic contribution to air pollution from urban centers is expected to become more substantial in future air quality assessments. The main objective of this thesis was to obtain a more profound insight in the dispersion and the deposition of aerosol particles from 46 individual major population centers (MPCs) as well as the regional and global influence on the atmospheric distribution of several aerosol types. For the first time, this was assessed in one model framework, for which the global model EMAC was applied with different representations of aerosol particles. First, in an approach with passive tracers and a setup in which the results depend only on the source location and the size and the solubility of the tracers, several metrics and a regional climate classification were used to quantify the major outflow pathways, both vertically and horizontally, and to compare the balance between pollution export away from and pollution build-up around the source points. Then in a more comprehensive approach, the anthropogenic emissions of key trace species were changed at the MPC locations to determine the cumulative impact of the MPC emissions on the atmospheric aerosol burdens of black carbon, particulate organic matter, sulfate, and nitrate. Ten different mono-modal passive aerosol tracers were continuously released at the same constant rate at each emission point. The results clearly showed that on average about five times more mass is advected quasi-horizontally at low levels than exported into the upper troposphere. The strength of the low-level export is mainly determined by the location of the source, while the vertical transport is mainly governed by the lifting potential and the solubility of the tracers. Similar to insoluble gas phase tracers, the low-level export of aerosol tracers is strongest at middle and high latitudes, while the regions of strongest vertical export differ between aerosol (temperate winter dry) and gas phase (tropics) tracers. The emitted mass fraction that is kept around MPCs is largest in regions where aerosol tracers have short lifetimes; this mass is also critical for assessing the impact on humans. However, the number of people who live in a strongly polluted region around urban centers depends more on the population density than on the size of the area which is affected by strong air pollution. Another major result was that fine aerosol particles (diameters smaller than 2.5 micrometer) from MPCs undergo substantial long-range transport, with about half of the emitted mass being deposited beyond 1000 km away from the source. In contrast to this diluted remote deposition, there are areas around the MPCs which experience high deposition rates, especially in regions which are frequently affected by heavy precipitation or are situated in poorly ventilated locations. Moreover, most MPC aerosol emissions are removed over land surfaces. In particular, forests experience more deposition from MPC pollutants than other land ecosystems. In addition, it was found that the generic treatment of aerosols has no substantial influence on the major conclusions drawn in this thesis. Moreover, in the more comprehensive approach, it was found that emissions of black carbon, particulate organic matter, sulfur dioxide, and nitrogen oxides from MPCs influence the atmospheric burden of various aerosol types very differently, with impacts generally being larger for secondary species, sulfate and nitrate, than for primary species, black carbon and particulate organic matter. While the changes in the burdens of sulfate, black carbon, and particulate organic matter show an almost linear response for changes in the emission strength, the formation of nitrate was found to be contingent upon many more factors, e.g., the abundance of sulfuric acid, than only upon the strength of the nitrogen oxide emissions. The generic tracer experiments were further extended to conduct the first risk assessment to obtain the cumulative risk of contamination from multiple nuclear reactor accidents on the global scale. For this, many factors had to be taken into account: the probability of major accidents, the cumulative deposition field of the radionuclide cesium-137, and a threshold value that defines contamination. By collecting the necessary data and after accounting for uncertainties, it was found that the risk is highest in western Europe, the eastern US, and in Japan, where on average contamination by major accidents is expected about every 50 years.

Measurements and modeling of ozone fluxes in and above Norway spruce canopies

Ozon (O3) ist ein wichtiges Oxidierungs- und Treibhausgas in der Erdatmosphäre. Es hat Einfluss auf das Klima, die Luftqualität sowie auf die menschliche Gesundheit und die Vegetation. Ökosysteme, wie beispielsweise Wälder, sind Senken für troposphärisches Ozon und werden in Zukunft, bedingt durch Stürme, Pflanzenschädlinge und Änderungen in der Landnutzung, heterogener sein. Es ist anzunehmen, dass diese Heterogenitäten die Aufnahme von Treibhausgasen verringern und signifikante Rückkopplungen auf das Klimasystem bewirken werden. Beeinflusst wird der Atmosphären-Biosphären-Austausch von Ozon durch stomatäre Aufnahme, Deposition auf Pflanzenoberflächen und Böden sowie chemische Umwandlungen. Diese Prozesse zu verstehen und den Ozonaustausch für verschiedene Ökosysteme zu quantifizieren sind Voraussetzungen, um von lokalen Messungen auf regionale Ozonflüsse zu schließen.rnFür die Messung von vertikalen turbulenten Ozonflüssen wird die Eddy Kovarianz Methode genutzt. Die Verwendung von Eddy Kovarianz Systemen mit geschlossenem Pfad, basierend auf schnellen Chemilumineszenz-Ozonsensoren, kann zu Fehlern in der Flussmessung führen. Ein direkter Vergleich von nebeneinander angebrachten Ozonsensoren ermöglichte es einen Einblick in die Faktoren zu erhalten, die die Genauigkeit der Messungen beeinflussen. Systematische Unterschiede zwischen einzelnen Sensoren und der Einfluss von unterschiedlichen Längen des Einlassschlauches wurden untersucht, indem Frequenzspektren analysiert und Korrekturfaktoren für die Ozonflüsse bestimmt wurden. Die experimentell bestimmten Korrekturfaktoren zeigten keinen signifikanten Unterschied zu Korrekturfaktoren, die mithilfe von theoretischen Transferfunktionen bestimmt wurden, wodurch die Anwendbarkeit der theoretisch ermittelten Faktoren zur Korrektur von Ozonflüssen bestätigt wurde.rnIm Sommer 2011 wurden im Rahmen des EGER (ExchanGE processes in mountainous Regions) Projektes Messungen durchgeführt, um zu einem besseren Verständnis des Atmosphären-Biosphären Ozonaustauschs in gestörten Ökosystemen beizutragen. Ozonflüsse wurden auf beiden Seiten einer Waldkante gemessen, die einen Fichtenwald und einen Windwurf trennt. Auf der straßenähnlichen Freifläche, die durch den Sturm "Kyrill" (2007) entstand, entwickelte sich eine Sekundärvegetation, die sich in ihrer Phänologie und Blattphysiologie vom ursprünglich vorherrschenden Fichtenwald unterschied. Der mittlere nächtliche Fluss über dem Fichtenwald war -6 bis -7 nmol m2 s-1 und nahm auf -13 nmol m2 s-1 um die Mittagszeit ab. Die Ozonflüsse zeigten eine deutliche Beziehung zur Pflanzenverdunstung und CO2 Aufnahme, was darauf hinwies, dass während des Tages der Großteil des Ozons von den Pflanzenstomata aufgenommen wurde. Die relativ hohe nächtliche Deposition wurde durch nicht-stomatäre Prozesse verursacht. Die Deposition über dem Wald war im gesamten Tagesverlauf in etwa doppelt so hoch wie über der Freifläche. Dieses Verhältnis stimmte mit dem Verhältnis des Pflanzenflächenindex (PAI) überein. Die Störung des Ökosystems verringerte somit die Fähigkeit des Bewuchses, als Senke für troposphärisches Ozon zu fungieren. Der deutliche Unterschied der Ozonflüsse der beiden Bewuchsarten verdeutlichte die Herausforderung bei der Regionalisierung von Ozonflüssen in heterogen bewaldeten Gebieten.rnDie gemessenen Flüsse wurden darüber hinaus mit Simulationen verglichen, die mit dem Chemiemodell MLC-CHEM durchgeführt wurden. Um das Modell bezüglich der Berechnung von Ozonflüssen zu evaluieren, wurden gemessene und modellierte Flüsse von zwei Positionen im EGER-Gebiet verwendet. Obwohl die Größenordnung der Flüsse übereinstimmte, zeigten die Ergebnisse eine signifikante Differenz zwischen gemessenen und modellierten Flüssen. Zudem gab es eine klare Abhängigkeit der Differenz von der relativen Feuchte, mit abnehmender Differenz bei zunehmender Feuchte, was zeigte, dass das Modell vor einer Verwendung für umfangreiche Studien des Ozonflusses weiterer Verbesserungen bedarf.rn

Emissions of volatile organic compounds from tropical savanna vegetation and biomass burning

This dissertation focuses on characterizing the emissions of volatile organic compounds (VOCs) from grasses and young trees, and the burning of biomass mainly from Africa and Indonesia. The measurements were performed with a proton-transfer-reaction mass spectrometer (PTR-MS). The biogenic emissions of tropical savanna vegetation were studied in Calabozo (Venezuela). Two field campaigns were carried out, the first during the wet season (1999) and the second during the dry season (2000). Three grass species were studied: T. plumosus, H. rufa and A. canescens, and the tree species B. crassifolia, C. americana and C. vitifolium. The emission rates were determined with a dynamic plant enclosure system. In general, the emissions increased exponentially with increasing temperature and solar radiation. Therefore, the emission rates showed high variability. Consequently, the data were normalized to a standard temperature of 30°C, and standard emission rates thus determined allowed for interspecific and seasonal comparisons. The range of average daytime (10:00-16:00) emission rates of total VOCs measured from green (mature and young) grasses was between 510-960 ngC/g/h. Methanol was the primary emission (140-360 ngC/g/h), followed by acetaldehyde, butene and butanol and acetone with emission rates between 70-200 ngC/g/h. The emissions of propene and methyl ethyl ketone (MEK) were <80 ngC/g/h, and those of isoprene and C5-alcohols were between 10-130 ngC/g/h. The oxygenated species represented 70-75% of the total. The emission of VOCs was found to vary by up to a factor of three between plants of the same species, and by up to a factor of two between the different species. The annual source of methanol from savanna grasses worldwide estimated in this work was 3 to 4.4 TgC, which could represent up to 12% of the current estimated global emission from terrestrial vegetation. Two of the studied tree species, were isoprene emitters, and isoprene was also their primary emission (which accounted for 70-94% of the total carbon emitted) followed by methanol and butene + butanol. The daytime average emission rate of isoprene measured in the wet season was 27 mgC/g/h for B. crassifolia, and 123 mgC/g/h for C. vitifolium. The daytime emissions of methanol and butene + butanol were between 0.3 and 2 mgC/g/h. The total sum of VOCs emission measured during the day in the wet season was between 30 and 130 mgC/g/h. In the dry season, in contrast, the methanol emissions from C. vitifolium saplings –whose leaves were still developing– were an order of magnitude higher than in the wet season (15 mgC/g/h). The isoprene emission from B. crassifolia in the dry season was comparable to the emission in the wet season, whereas isoprene emission from C. vitifolium was about a factor of three lower (~43 mgC/g/h). Biogenic emission inventories show that isoprenoids are the most prominent and best-studied compounds. The standard emission rates of isoprene and monoterpenes of the measured savanna trees were in the lower end of the range found in the literature. The emission of other biogenic VOCs has been sparsely investigated, but in general, the standard emissions from trees studied here were within the range observed in previous investigations. The biomass burning study comprised the measurement of VOCs and other trace-gas emissions of 44 fires from 15 different fuel types, primarily from Africa and Indonesia, in a combustion laboratory. The average sum of emissions (excluding CO2, CO and NO) from African fuels was ~18 g(VOC)/kg. Six of the ten most important emissions were oxygenated VOCs. Acetic acid was the major emission, followed by methanol and formaldehyde. The emission of methane was of the same order as the methanol emission (~5 g/kg), and that of nitrogen-containing compounds was ~1 g/kg. An estimate of the VOC source from biomass burning of savannas and grasslands worldwide suggests that the sum of emissions is about 56 Tg/yr, of which 34 Tg correspond to oxygenated VOCs, 14 Tg to unsaturated and aromatic compounds, 5 Tg to methane and 3 Tg to N-compounds. The estimated emissions of CO, CO2 and NO are 216, 5117 and 9.4 Tg/yr, respectively. The emission factors reported here for Indonesian fuels are the first results of laboratory fires using Indonesian fuels. Acetic acid was the highest organic emission, followed by acetol, a compound not previously reported in smoke, methane, mass 97 (tentatively identified as furfural, dimethylfuran and ethylfuran), and methanol. The sum of total emissions of Indonesian fuels was 91 g/kg, which is 5 times higher than the emissions from African fuels. The results of this study reinforces the importance of oxygenated compounds. Due to the vast area covered by tropical savannas worldwide, the biogenic and biomass burning emission of methanol and other oxygenated compounds may be important for the regional and even global tropospheric chemistry.

Biogenic volatile organic compounds in tropical, temperate and boreal forest ecosystems

Biogene flüchtige organische Verbindungen (BFOV) werden in großen Mengen aus terrestrischenrnÖkosystemen, insbesondere aus Wäldern und Wiesen, in die untere Troposphäre emittiert. Austausch-rnFlüsse von BFOVs sind in der troposphärischen Chemie wichtig, weil sie eine bedeutende Rolle in derrnOzon- und Aerosolbildung haben. Trotzdem bleiben die zeitliche und räumliche Änderung der BFOVrnEmissionen und ihre Rolle in Bildung und Wachstum von Aerosolen ungewiss.rnDer Fokus dieser Arbeit liegt auf der in-situ Anwendung der Protonen Transfer ReaktionsrnMassenspektrometrie (PTR-MS) und der Messung von biogenen flüchtigen organischen Verbindungen inrnnordländischen, gemäßigten und tropischen Waldökosystemen während drei unterschiedlicherrnFeldmesskampagnen. Der Hauptvorteil der PTR-MS-Technik liegt in der hohen Messungsfrequenz,rnwodurch eine eventuelle Änderung in der Atmosphäre durch Transport, Vermischung und Chemiernonline beobachtet werden kann. Die PTR-MS-Messungen wurden zweimal am Boden aus und einmalrnvon einem Forschungsflugzug durchgeführt.rnIn Kapitel 3 werden die PTR-MS-Daten, gesammelt während der Flugmesskampagne über demrntropischen Regenwald, vorgelegt. Diese Studie zeigt den Belang der Grenzschichtdynamik für diernVerteilung von Spurengasen mittels eines eindimensionalen Säule - Chemie und KlimaModells (SCM).rnDer Tagesablauf von Isopren zeigte zwischen 14:00 und 16:15 Uhr lokaler Zeit einen Mittelwert vonrn5.4 ppbv auf der Höhe der Baumspitzen und von 3.3 ppbv über 300 m Höhe. Dies deutet darauf hin, dassrnsowohl der turbulente Austausch als auch die hohe Reaktionsfähigkeit von Isopren mit den OxidantienrnOH und Ozon eine wichtige Rolle spielen. Nach dem Ausgleich von chemischen Verlusten undrnEntrainment (Ein- und Ausmischung von Luft an der Grenzschicht), wurde ein Fluss vonrn8.4 mg Isopren m-2h-1 unter teilweise bewölkten Bedingungen für den tropischen Regenwald in derrnGuyanregion abgeschätzt. Dies entspricht einem täglichen Emissionsfluss von 28 mg Isopren prornQuadratmeter.rnIm Kapitel 4 werden die Messungen, welche auf einer Hügellage in gemäßigter Breite inrnsüddeutschland stattgefunden haben, diskutiert. Bei diesem Standort ist die Grenzschicht nachts unter diernStandorthöhe abgefallen, was den Einsatzort von Emissionen abgesondert hatte. Während diernGrenzschicht morgens wieder über die Höhe des Einsatzortes anstieg, konnten die eingeschlossenenrnnächtlichen Emissionen innerhalb der bodennahen Schicht beobachtet werden. Außerdem wurde einrndeutlicher Anstieg von flüchtigen organischen Verbindungen gemessen, wenn die Luftmassen überrnMünchen geführt wurden oder wenn verschmutzte Luftmassen aus dem Po-Tal über die Alpen nachrnDeutschland transportiert wurden. Daten von dieser Kampagne wurden genutzt, um die Änderungen inrndem Mischungsverhältnis der flüchtigen organischen Verbindungen, verbunden mit dem Durchfluss vonrnwarmen und kalten Wetterfronten sowie bei Regen zu untersuchen.rnIm Kapitel 5 werden PTR-MS-Messungen aus dem nördlichen Nadelwaldgürtel beschrieben. Starkernnächtliche Inversionen mit einer niedrigen Windgeschwindigkeit fingen die Emissionen vonrnnahegelegenen Kiefernwäldern und andere BFOV-Quellen ab, was zu hohen nächtlichen BFOVMischverhältnissenrnführte. Partikelereignisse wurden für Tag und Nacht detailliert analysiert. Diernnächtlichen Partikelereignisse erfolgten synchron mit starken extremen von Monoterpenen, obwohl dasrnzweite Ereignis Kernbildung einschloss und nicht mit Schwefelsäure korrelierte. Die MonoterpenrnMischungsverhältnisse von über 16 ppbv waren unerwartet hoch für diese Jahreszeit. NiedrigernWindgeschwindigkeiten und die Auswertung von Rückwärtstrajektorien deuten auf eine konzentrierternQuelle in der Nähe von Hyytiälä hin. Die optische Stereoisomerie von Monoterpenen hat bestätigt, dassrndie Quelle unnatürlich ist, da das Verhältnis von [(+)-α-pinen]/[(−)-α-pinen] viel höher ist als dasrnnatürliches Verhältnis der beiden Enantiomeren.

Palaeo wind system reconstruction of the last glacial period over Europe, using high resolution proxy data and model-data-comparison

The atmosphere is a global influence on the movement of heat and humidity between the continents, and thus significantly affects climate variability. Information about atmospheric circulation are of major importance for the understanding of different climatic conditions. Dust deposits from maar lakes and dry maars from the Eifel Volcanic Field (Germany) are therefore used as proxy data for the reconstruction of past aeolian dynamics.rnrnIn this thesis past two sediment cores from the Eifel region are examined: the core SM3 from Lake Schalkenmehren and the core DE3 from the Dehner dry maar. Both cores contain the tephra of the Laacher See eruption, which is dated to 12,900 before present. Taken together the cores cover the last 60,000 years: SM3 the Holocene and DE3 the marine isotope stages MIS-3 and MIS-2, respectively. The frequencies of glacial dust storm events and their paleo wind direction are detected by high resolution grain size and provenance analysis of the lake sediments. Therefore two different methods are applied: geochemical measurements of the sediment using µXRF-scanning and the particle analysis method RADIUS (rapid particle analysis of digital images by ultra-high-resolution scanning of thin sections).rnIt is shown that single dust layers in the lake sediment are characterized by an increased content of aeolian transported carbonate particles. The limestone-bearing Eifel-North-South zone is the most likely source for the carbonate rich aeolian dust in the lake sediments of the Dehner dry maar. The dry maar is located on the western side of the Eifel-North-South zone. Thus, carbonate rich aeolian sediment is most likely to be transported towards the Dehner dry maar within easterly winds. A methodology is developed which limits the detection to the aeolian transported carbonate particles in the sediment, the RADIUS-carbonate module.rnrnIn summary, during the marine isotope stage MIS-3 the storm frequency and the east wind frequency are both increased in comparison to MIS-2. These results leads to the suggestion that atmospheric circulation was affected by more turbulent conditions during MIS-3 in comparison to the more stable atmospheric circulation during the full glacial conditions of MIS-2.rnThe results of the investigations of the dust records are finally evaluated in relation a study of atmospheric general circulation models for a comprehensive interpretation. Here, AGCM experiments (ECHAM3 and ECHAM4) with different prescribed SST patterns are used to develop a synoptic interpretation of long-persisting east wind conditions and of east wind storm events, which are suggested to lead to an enhanced accumulation of sediment being transported by easterly winds to the proxy site of the Dehner dry maar.rnrnThe basic observations made on the proxy record are also illustrated in the 10 m-wind vectors in the different model experiments under glacial conditions with different prescribed sea surface temperature patterns. Furthermore, the analysis of long-persisting east wind conditions in the AGCM data shows a stronger seasonality under glacial conditions: all the different experiments are characterized by an increase of the relative importance of the LEWIC during spring and summer. The different glacial experiments consistently show a shift from a long-lasting high over the Baltic Sea towards the NW, directly above the Scandinavian Ice Sheet, together with contemporary enhanced westerly circulation over the North Atlantic.rnrnThis thesis is a comprehensive analysis of atmospheric circulation patterns during the last glacial period. It has been possible to reconstruct important elements of the glacial paleo climate in Central Europe. While the proxy data from sediment cores lead to a binary signal of the wind direction changes (east versus west wind), a synoptic interpretation using atmospheric circulation models is successful. This shows a possible distribution of high and low pressure areas and thus the direction and strength of wind fields which have the capacity to transport dust. In conclusion, the combination of numerical models, to enhance understanding of processes in the climate system, with proxy data from the environmental record is the key to a comprehensive approach to paleo climatic reconstruction.rn

Laboruntersuchungen zur Aufnahme atmosphärischer Spurengase auf statischen und wachsenden Eisoberflächen

Der erste Teil dieser Arbeit befaßt sich mit der Adsorption von H2O2 auf nicht-wachsendem Eis. Die Experimente wurden in einem zylindrischen Strömungsreaktor mit massenspektrometrischer Detektion (Elektronenstoß und chemische Ionisation) ausgeführt. Die Daten einer zuvor bereits am Max Planck-Institut für Chemie (Mainz) von Dr. N. Pouvesle ausgeführten Laborstudie zur Adsorption von H2O2 auf Eis bei 203 bis 233 K wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit durch Coadsorptionsexperimente mit Ameisensäure und Verwendung unterschiedlicher Ionisationsmodi validiert. Zusätzlich wurde eine Korrelation der Langmuir-Konstanten und der Kondensationsenthalpie für H2O2 und andere Moleküle durchgeführt, welche die Ergebnisse der MPI-Studie ebenfalls stützt. Die Ergebnisse belegen, daß die Aufnahme von H2O2 in Eiswolken um bis zu 3 Größenordnungen höher ist als bisher angenommen. Anhand dieser Erkenntnisse wurde die atmosphärische Relevanz der Adsorption von H2O2 auf Eis in der oberen Troposphäre neu bewertet. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Aufnahme verschiedener organischer Verbindungen (Ethanol, 1-Butanol, Ameisensäure, Trifluoressigsäure) und HCl auf Eis während dieses wächst. Der hierfür erstmals in Betrieb genommene Eiswachstumsreaktor wurde zunächst durch Messung der Adsorptionsisotherme von Ethanol und Butanol und Berechnung der Adsorptionsenthalpien aus experimentellen Daten evaluiert. Im Anschluß wurden die Ergebnisse der Wachstumsexperimente der oben aufgeführten Verbindungen vorgestellt, wobei jedoch nur Trifluoressigsäure und HCl eine erhöhte Aufnahme zeigen. Der Aufnahmekoeffizient g_trapp von HCl wurde bei Temperaturen zwischen 194,3 und 228 K und HCl-Gasphasenkonzentrationen von 6,4x10^9 bis 2,2x10^11 cm^-3 gemessen und war unter den untersuchten Bedingungen proportional zu Eiswachstumsgeschwindigkeit x und antikorreliert zum Bedeckungsgrad theta und der Eistemperatur T. Der vom wachsenden Eis aufgenommene Fluß von HCl-Molekülen war positiv mit x und negativ mit T korreliert, während theta keinen Einfluß hatte. Anhand der erzielten Resultate wurde eine Parametrisierung für g_trapp entwickelt, mit der die Aufnahme künftig in Abhängigkeit von x, T und [HCl]_gas leicht berechnet werden kann, beispielsweise in globalen Modellsimulation der troposphärischen Chemie. Abschließend wurden die Ergebnisse mit einem von Kärcher et al. (2009) entwickelten semiempirischen Modell verglichen und für die offenen Parameter des Modells wurden aus den experimentellen Daten ebenfalls Parametrisierungen entwickelt.