Numerical simulations of microphysical processes in pyro-convective clouds

Hochreichende Konvektion über Waldbränden ist eine der intensivsten Formen von atmosphärischer Konvektion. Die extreme Wolkendynamik mit hohen vertikalen Windgeschwindigkeiten (bis 20 m/s) bereits an der Wolkenbasis, hohen Wasserdampfübersättigungen (bis 1%) und die durch das Feuer hohen Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln (bis 100000 cm^-3) bilden einen besonderen Rahmen für Aerosol-Wolken Wechselwirkungen.Ein entscheidender Schritt in der mikrophysikalischen Entwicklung einer konvektiven Wolke ist die Aktivierung von Aerosolpartikeln zu Wolkentropfen. Dieser Aktivierungsprozess bestimmt die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen und kann daher die Entwicklung einer konvektiven Wolke und deren Niederschlagsbildung beeinflussen. Die wichtigsten Faktoren, welche die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen bestimmen, sind die Größe und Hygroskopizität der an der Wolkenbasis verfügbaren Aerosolpartikel sowie die vertikale Windgeschwindigkeit. Um den Einfluss dieser Faktoren unter pyro-konvektiven Bedingungen zu untersuchen, wurden numerische Simulationen mit Hilfe eines Wolkenpaketmodells mit detaillierter spektraler Beschreibung der Wolkenmikrophysik durchgeführt. Diese Ergebnisse können in drei unterschiedliche Bereiche abhängig vom Verhältnis zwischen vertikaler Windgeschwindigkeit und Aerosolanzahlkonzentration (w/NCN) eingeteilt werden: (1) ein durch die Aerosolkonzentration limitierter Bereich (hohes w/NCN), (2) ein durch die vertikale Windgeschwindigkeit limitierter Bereich (niedriges w/NCN) und (3) ein Übergangsbereich (mittleres w/NCN). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität der anfänglichen Anzahlkonzentration der Wolkentropfen in (pyro-) konvektiven Wolken hauptsächlich durch die Variabilität der vertikalen Windgeschwindigkeit und der Aerosolkonzentration bestimmt wird. rnUm die mikrophysikalischen Prozesse innerhalb der rauchigen Aufwindregion einer pyrokonvektiven Wolke mit einer detaillierten spektralen Mikrophysik zu untersuchen, wurde das Paketmodel entlang einer Trajektorie innerhalb der Aufwindregion initialisiert. Diese Trajektore wurde durch dreidimensionale Simulationen eines pyro-konvektiven Ereignisses durch das Model ATHAM berechnet. Es zeigt sich, dass die Anzahlkonzentration der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration ansteigt. Auf der anderen Seite verringert sich die Größe der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration. Die Reduzierung der Verbreiterung des Tropfenspektrums stimmt mit den Ergebnissen aus Messungen überein und unterstützt das Konzept der Unterdrückung von Niederschlag in stark verschmutzen Wolken.Mit Hilfe des Models ATHAM wurden die dynamischen und mikrophysikalischen Prozesse von pyro-konvektiven Wolken, aufbauend auf einer realistischen Parametrisierung der Aktivierung von Aerosolpartikeln durch die Ergebnisse der Aktivierungsstudie, mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht. Ein modernes zweimomenten mikrophysikalisches Schema wurde in ATHAM implementiert, um den Einfluss der Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln auf die Entwicklung von idealisierten pyro-konvektiven Wolken in US Standardamtosphären für die mittleren Breiten und den Tropen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel die Bildung von Regen beeinflusst. Für geringe Aerosolkonzentrationen findet die rasche Regenbildung hauptsächlich durch warme mikrophysikalische Prozesse statt. Für höhere Aerosolkonzentrationen ist die Eisphase wichtiger für die Bildung von Regen. Dies führt zu einem verspäteten Einsetzen von Niederschlag für verunreinigtere Atmosphären. Außerdem wird gezeigt, dass die Zusammensetzung der Eisnukleationspartikel (IN) einen starken Einfluss auf die dynamische und mikrophysikalische Struktur solcher Wolken hat. Bei sehr effizienten IN bildet sich Regen früher. Die Untersuchung zum Einfluss des atmosphärischen Hintergrundprofils zeigt eine geringe Auswirkung der Meteorologie auf die Sensitivität der pyro-konvektiven Wolken auf diernAerosolkonzentration. Zum Abschluss wird gezeigt, dass die durch das Feuer emittierte Hitze einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung und die Wolkenobergrenze von pyro-konvektive Wolken hat. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in dieser Dissertation die Mikrophysik von pyrokonvektiven Wolken mit Hilfe von idealisierten Simulation eines Wolkenpaketmodell mit detaillierte spektraler Mikrophysik und eines 3D Modells mit einem zweimomenten Schema im Detail untersucht wurde. Es wird gezeigt, dass die extremen Bedingungen im Bezug auf die vertikale Windgeschwindigkeiten und Aerosolkonzentrationen einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung von pyro-konvektiven Wolken haben.

Untersuchungen zur Genauigkeit adaptiver unstetiger Galerkin-Simulationen mit Hilfe von Luftblasen-Testfällen

Allgemein erlaubt adaptive Gitterverfeinerung eine Steigerung der Effizienz numerischer Simulationen ohne dabei die Genauigkeit des Ergebnisses signifikant zu verschlechtern. Es ist jedoch noch nicht erforscht, in welchen Bereichen des Rechengebietes die räumliche Auflösung tatsächlich vergröbert werden kann, ohne die Genauigkeit des Ergebnisses signifikant zu beeinflussen. Diese Frage wird hier für ein konkretes Beispiel von trockener atmosphärischer Konvektion untersucht, nämlich der Simulation von warmen Luftblasen. Zu diesem Zweck wird ein neuartiges numerisches Modell entwickelt, das auf diese spezielle Anwendung ausgerichtet ist. Die kompressiblen Euler-Gleichungen werden mit einer unstetigen Galerkin Methode gelöst. Die Zeitintegration geschieht mit einer semi-implizite Methode und die dynamische Adaptivität verwendet raumfüllende Kurven mit Hilfe der Funktionsbibliothek AMATOS. Das numerische Modell wird validiert mit Hilfe einer Konvergenzstudie und fünf Standard-Testfällen. Eine Methode zum Vergleich der Genauigkeit von Simulationen mit verschiedenen Verfeinerungsgebieten wird eingeführt, die ohne das Vorhandensein einer exakten Lösung auskommt. Im Wesentlichen geschieht dies durch den Vergleich von Eigenschaften der Lösung, die stark von der verwendeten räumlichen Auflösung abhängen. Im Fall einer aufsteigenden Warmluftblase ist der zusätzliche numerische Fehler durch die Verwendung der Adaptivität kleiner als 1% des gesamten numerischen Fehlers, wenn die adaptive Simulation mehr als 50% der Elemente einer uniformen hoch-aufgelösten Simulation verwendet. Entsprechend ist die adaptive Simulation fast doppelt so schnell wie die uniforme Simulation.

Condensational growth of atmospheric aerosol particles in an expanding water saturated air flow

Aerosol particles and water vapour are two important constituents of the atmosphere. Their interaction, i.e. thecondensation of water vapour on particles, brings about the formation of cloud, fog, and raindrops, causing the water cycle on the earth, and being responsible for climate changes. Understanding the roles of water vapour and aerosol particles in this interaction has become an essential part of understanding the atmosphere. In this work, the heterogeneous nucleation on pre-existing aerosol particles by the condensation of water vapour in theflow of a capillary nozzle was investigated. Theoretical and numerical modelling as well as experiments on thiscondensation process were included. Based on reasonable results from the theoretical and numerical modelling, an idea of designing a new nozzle condensation nucleus counter (Nozzle-CNC), that is to utilise the capillary nozzle to create an expanding water saturated air flow, was then put forward and various experiments were carried out with this Nozzle-CNC under different experimental conditions. Firstly, the air stream in the long capillary nozzle with inner diameter of 1.0~mm was modelled as a steady, compressible and heat-conducting turbulence flow by CFX-FLOW3D computational program. An adiabatic and isentropic cooling in the nozzle was found. A supersaturation in the nozzle can be created if the inlet flow is water saturated, and its value depends principally on flow velocity or flow rate through the nozzle. Secondly, a particle condensational growth model in air stream was developed. An extended Mason's diffusion growthequation with size correction for particles beyond the continuum regime and with the correction for a certain particle Reynolds number in an accelerating state was given. The modelling results show the rapid condensational growth of aerosol particles, especially for fine size particles, in the nozzle stream, which, on the one hand, may induce evident `over-sizing' and `over-numbering' effects in aerosol measurements as nozzle designs are widely employed for producing accelerating and focused aerosol beams in aerosol instruments like optical particle counter (OPC) and aerodynamical particle sizer (APS). It can, on the other hand, be applied in constructing the Nozzle-CNC. Thirdly, based on the optimisation of theoretical and numerical results, the new Nozzle-CNC was built. Under various experimental conditions such as flow rate, ambient temperature, and the fraction of aerosol in the total flow, experiments with this instrument were carried out. An interesting exponential relation between the saturation in the nozzle and the number concentration of atmospheric nuclei, including hygroscopic nuclei (HN), cloud condensation nuclei (CCN), and traditionally measured atmospheric condensation nuclei (CN), was found. This relation differs from the relation for the number concentration of CCN obtained by other researchers. The minimum detectable size of this Nozzle-CNC is 0.04?m. Although further improvements are still needed, this Nozzle-CNC, in comparison with other CNCs, has severaladvantages such as no condensation delay as particles larger than the critical size grow simultaneously, low diffusion losses of particles, little water condensation at the inner wall of the instrument, and adjustable saturation --- therefore the wide counting region, as well as no calibration compared to non-water condensation substances.

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.

Lagrangian transport evaluation of atmospheric chemistry in the Mediterranean region

Global observations of the chemical composition of the atmosphere are essential for understanding and studying the present and future state of the earth's atmosphere. However, by analyzing field experiments the consideration of the atmospheric motion is indispensable, because transport enables different chemical species, with different local natural and anthropogenic sources, to interact chemically and so consequently influences the chemical composition of the atmosphere. The distance over which that transport occurs is highly dependent upon meteorological conditions (e.g., wind speed, precipitation) and the properties of chemical species itself (e.g., solubility, reactivity). This interaction between chemistry and dynamics makes the study of atmospheric chemistry both difficult and challenging, and also demonstrates the relevance of including the atmospheric motions in that context. In this doctoral thesis the large-scale transport of air over the eastern Mediterranean region during summer 2001, with a focus on August during the Mediterranean Intensive Oxidant Study (MINOS) measurement campaign, was investigated from a lagrangian perspective. Analysis of back trajectories demonstrated transport of polluted air masses from western and eastern Europe in the boundary layer, from the North Atlantic/North American area in the middle end upper troposphere and additionally from South Asia in the upper troposphere towards the eastern Mediterranean. Investigation of air mass transport near the tropopause indicated enhanced cross-tropopause transport relative to the surrounding area over the eastern Mediterranean region in summer. A large band of air mass transport across the dynamical tropopause develops in June, and is shifted toward higher latitudes in July and August. This shifting is associated with the development and the intensification of the Arabian and South Asian upper-level anticyclones and consequential with areas of maximum clear-air turbulence, hypothesizing quasi-permanent areas with turbulent mixing of tropospheric and stratospheric air during summer over the eastern Mediterranean as a result of large-scale synoptic circulation. In context with the latex knowledge about the transport of polluted air masses towards the Mediterranean and with increasing emissions, especially in developing countries like India, this likely gains in importance.

Mixed finite-element methods for elliptic convection-dominated problems arising in semiconductor physics

In this work we develop and analyze an adaptive numerical scheme for simulating a class of macroscopic semiconductor models. At first the numerical modelling of semiconductors is reviewed in order to classify the Energy-Transport models for semiconductors that are later simulated in 2D. In this class of models the flow of charged particles, that are negatively charged electrons and so-called holes, which are quasi-particles of positive charge, as well as their energy distributions are described by a coupled system of nonlinear partial differential equations. A considerable difficulty in simulating these convection-dominated equations is posed by the nonlinear coupling as well as due to the fact that the local phenomena such as "hot electron effects" are only partially assessable through the given data. The primary variables that are used in the simulations are the particle density and the particle energy density. The user of these simulations is mostly interested in the current flow through parts of the domain boundary - the contacts. The numerical method considered here utilizes mixed finite-elements as trial functions for the discrete solution. The continuous discretization of the normal fluxes is the most important property of this discretization from the users perspective. It will be proven that under certain assumptions on the triangulation the particle density remains positive in the iterative solution algorithm. Connected to this result an a priori error estimate for the discrete solution of linear convection-diffusion equations is derived. The local charge transport phenomena will be resolved by an adaptive algorithm, which is based on a posteriori error estimators. At that stage a comparison of different estimations is performed. Additionally a method to effectively estimate the error in local quantities derived from the solution, so-called "functional outputs", is developed by transferring the dual weighted residual method to mixed finite elements. For a model problem we present how this method can deliver promising results even when standard error estimator fail completely to reduce the error in an iterative mesh refinement process.

Influences of deep convective cloud systems on tropospheric trace gases and photochemistry over the tropical West Pacific

A numerical model for studying the influences of deep convective cloud systems on photochemistry was developed based on a non-hydrostatic meteorological model and chemistry from a global chemistry transport model. The transport of trace gases, the scavenging of soluble trace gases, and the influences of lightning produced nitrogen oxides (NOx=NO+NO2) on the local ozone-related photochemistry were investigated in a multi-day case study for an oceanic region located in the tropical western Pacific. Model runs considering influences of large scale flows, previously neglected in multi-day cloud resolving and single column model studies of tracer transport, yielded that the influence of the mesoscale subsidence (between clouds) on trace gas transport was considerably overestimated in these studies. The simulated vertical transport and scavenging of highly soluble tracers were found to depend on the initial profiles, reconciling contrasting results from two previous studies. Influences of the modeled uptake of trace gases by hydrometeors in the liquid and the ice phase were studied in some detail for a small number of atmospheric trace gases and novel aspects concerning the role of the retention coefficient (i.e. the fraction of a dissolved trace gas that is retained in the ice phase upon freezing) on the vertical transport of highly soluble gases were illuminated. Including lightning NOx production inside a 500 km 2-D model domain was found to be important for the NOx budget and caused small to moderate changes in the domain averaged ozone concentrations. A number of sensitivity studies yielded that the fraction of lightning associated NOx which was lost through photochemical reactions in the vicinity of the lightning source was considerable, but strongly depended on assumptions about the magnitude and the altitude of the lightning NOx source. In contrast to a suggestion from an earlier study, it was argued that the near zero upper tropospheric ozone mixing ratios which were observed close to the study region were most probably not caused by the formation of NO associated with lightning. Instead, it was argued in agreement with suggestions from other studies that the deep convective transport of ozone-poor air masses from the relatively unpolluted marine boundary layer, which have most likely been advected horizontally over relatively large distances (both before and after encountering deep convection) probably played a role. In particular, it was suggested that the ozone profiles observed during CEPEX (Central Equatorial Pacific Experiment) were strongly influenced by the deep convection and the larger scale flow which are associated with the intra-seasonal oscillation.

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.

Iodine speciation in atmospheric aerosols in the marine boundary layer

Iodine chemistry plays an important role in the tropospheric ozone depletion and the new particle formation in the Marine Boundary Layer (MBL). The sources, reaction pathways, and the sinks of iodine are investigated using lab experiments and field observations. The aims of this work are, firstly, to develop analytical methods for iodine measurements of marine aerosol samples especially for iodine speciation in the soluble iodine; secondly, to apply the analytical methods in field collected aerosol samples, and to estimate the characteristics of aerosol iodine in the MBL. Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry (ICP-MS) was the technique used for iodine measurements. Offline methods using water extraction and Tetra-methyl-ammonium-hydroxide (TMAH) extraction were applied to measure total soluble iodine (TSI) and total insoluble iodine (TII) in the marine aerosol samples. External standard calibration and isotope dilution analysis (IDA) were both conducted for iodine quantification and the limits of detection (LODs) were both 0.1 μg L-1 for TSI and TII measurements. Online couplings of Ion Chromatography (IC)-ICP-MS and Gel electrophoresis (GE)-ICP-MS were both developed for soluble iodine speciation. Anion exchange columns were adopted for IC-ICP-MS systems. Iodide, iodate, and unknown signal(s) were observed in these methods. Iodide and iodate were separated successfully and the LODs were 0.1 and 0.5 μg L-1, respectively. Unknown signals were soluble organic iodine species (SOI) and quantified by the calibration curve of iodide, but not clearly identified and quantified yet. These analytical methods were all applied to the iodine measurements of marine aerosol samples from the worldwide filed campaigns. The TSI and TII concentrations (medians) in PM2.5 were found to be 240.87 pmol m-3 and 105.37 pmol m-3 at Mace Head, west coast of Ireland, as well as 119.10 pmol m-3 and 97.88 pmol m-3 in the cruise campaign over the North Atlantic Ocean, during June – July 2006. Inorganic iodine, namely iodide and iodate, was the minor iodine fraction in both campaigns, accounting for 7.3% (median) and 5.8% (median) in PM2.5 iodine at Mace Head and over the North Atlantic Ocean, respectively. Iodide concentrations were higher than iodate in most of the samples. In the contrast, more than 90% of TSI was SOI and the SOI concentration was correlated significantly with the iodide concentration. The correlation coefficients (R2) were both higher than 0.5 at Mace Head and in the first leg of the cruise. Size fractionated aerosol samples collected by 5 stage Berner impactor cascade sampler showed similar proportions of inorganic and organic iodine. Significant correlations were obtained in the particle size ranges of 0.25 – 0.71 μm and 0.71 – 2.0 μm between SOI and iodide, and better correlations were found in sunny days. TSI and iodide existed mainly in fine particle size range (< 2.0 μm) and iodate resided in coarse range (2.0 – 10 μm). Aerosol iodine was suggested to be related to the primary iodine release in the tidal zone. Natural meteorological conditions such as solar radiation, raining etc were observed to have influence on the aerosol iodine. During the ship campaign over the North Atlantic Ocean (January – February 2007), the TSI concentrations (medians) ranged 35.14 – 60.63 pmol m-3 among the 5 stages. Likewise, SOI was found to be the most abundant iodine fraction in TSI with a median of 98.6%. Significant correlation also presented between SOI and iodide in the size range of 2.0 – 5.9 μm. Higher iodate concentration was again found in the higher particle size range, similar to that at Mace Head. Airmass transport from the biogenic bloom region and the Antarctic ice front sector was observed to play an important role in aerosol iodine enhancement. The TSI concentrations observed along the 30,000 km long cruise round trip from East Asia to Antarctica during November 2005 – March 2006 were much lower than in the other campaigns, with a median of 6.51 pmol m-3. Approximately 70% of the TSI was SOI on average. The abundances of inorganic iodine including iodine and iodide were less than 30% of TSI. The median value of iodide was 1.49 pmol m-3, which was more than four fold higher than that of iodate (median, 0.28 pmol m-3). Spatial variation indicated highest aerosol iodine appearing in the tropical area. Iodine level was considerably lower in coastal Antarctica with the TSI median of 3.22 pmol m-3. However, airmass transport from the ice front sector was correlated with the enhance TSI level, suggesting the unrevealed source of iodine in the polar region. In addition, significant correlation between SOI and iodide was also shown in this campaign. A global distribution in aerosol was shown in the field campaigns in this work. SOI was verified globally ubiquitous due to the presence in the different sampling locations and its high proportion in TSI in the marine aerosols. The correlations between SOI and iodide were obtained not only in different locations but also in different seasons, implying the possible mechanism of iodide production through SOI decomposition. Nevertheless, future studies are needed for improving the current understanding of iodine chemistry in the MBL (e.g. SOI identification and quantification as well as the update modeling involving organic matters).

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.

Isoprene oxidation and its impacts on the atmospheric composition

Terrestrische Vegetation, vor allem tropischer Regenwald, emittiert grosse Mengen flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) in die rnAtmosphäre, die durch Oxidationsreaktionen und Deposition der Reaktionsprodukte wieder entfernt werden. Die Oxidation wird vor allem durch Hydroxyl-Radikale (OH) initiiert, die hauptsächlich durch Photodissoziation von Ozon gebildet werden. Zuvor ging man davon aus, dass biogene VOCs OH in unverschmutzter Luft abbauen und dadurch die atmosphärische Oxidationskapazität verringern. Umgekehrt, führt rndie Oxidation von VOCs in verschmutzter Luft durch die katalytische Wirkung von Stickstoffoxiden (NOx = NO + NO2) zu schädlicher Oxidationsmittelbildung. Flugzeugmessungen atmosphärischer Spurengase, die über dem unberührten Amazonas-Regenwald durchgeführt worden sind, haben jedoch unerwartet hohe OH-Konzentrationen aufgezeigt. Das VOC mit der höchsten Emission in dieser Region war Isopren, dessen Oxidation als stärkeste OH-Senke berechnet wurde. In dieser Arbeit wurde die Hypothese genauestens untersucht, dass die natürliche Isopren-Oxidation in niedrig-NOx Luft OH effizient erneuert. Es wurde ein sehr detaillierter Oxidationsmechanismus für Isopren entwickelt, in dem neueste experimentelle und theoretische Fortschritte umgesetzt worden sind. Die Haupt-OH-Rückgewinnungswege wurden angewendet wodurch gezeigt wurde, dass sie wesentlich zur Oxidation unter niedrig-NOx Bedingungen beitragen. Verstärkte OH-Konzentrationen blieben unter verminderten Lichtverhältnissen, wie sie unter dichten Vegetationsdächern typisch sind, dauerhaft erhalten. Im Vergleich zu Flugzeugmessungen, der neue Oxidationsmechanismus reproduziert die OH-Konzentrationen innerhalb des Unsicherheitsbereiches. Darüber hinaus zeigten Simulationen eine erhebliche Produktion eines Isopren-Dihydroxyepoxids, das ein potenziell wichtiger Vorläufer organischer Aerosole in der Atmosphäre sein könnte. Es wurde einen neuen vereinfachten Oxidationsmechanismus auf Basis des traditionellen Wissenstands entwickelt und seine Anwendung für globale atmosphärische Studien getestet. Die Eingliederung der neuen Oxidationswege in diesen Mechanismus ermöglicht es folgende Auswirkungen der verstärkten VOC-Oxidation zu studieren die Zusammensetzung der Atmosphäre, den Austausch zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre, Aerosole und Klima.

Atmospheric heterogeneous reactions of N 2 O 5 and NO 3 radicals with mineral dust particles

Die heterogenen Reaktionen von N2O5 bzw. NO3 auf mineralischen Staubpartikeln wurden untersucht, um deren Einfluss auf den Abbau atmosphärischer Stickoxide (NOx) sowie auf die chemische Veränderung der Staubpartikel während ihres Transportes durch die Atmosphäre besser verstehen zu können. Die experimentellen Studien wurden bei Atmosphärendruck, Raumtemperatur und unterschiedlichen relativen Luftfeuchten durchgeführt. Der Aufnahmekoeffizient γ(N2O5) von N2O5 auf dispergiertem Staub aus der Sahara wurde zu 0,020 ± 0,002 (1σ) bestimmt, unabhängig von der relativen Feuchte (0 - 67 %) sowie der N2O5-Konzentration (5x1011 - 3x1013 Moleküle cm-3).rnDie Analyse der Reaktionsprodukte in der Gasphase sowie auf der Partikeloberfläche führt zu der Annahme, dass N2O5 auf der Staubpartikeloberfläche zu Nitrat hydrolysiert wird. Es konnte kein Einfluss der relativen Feuchte auf den Aufnahmekoeffizienten ermittelt werden, was durch das vorhandene interlamellare Wasser, welches bis zu 10 % der Partikelmasse betragen kann, erklärbar ist. Der gemessene Wert des Aufnahmekoeffizienten ist unabhängig von der Eingangs-N2O5-Konzentration, was sich über die sehr große innere Oberfläche der Partikel erklären lässt. Dennoch ließ sich durch eine vorherige Konditionierung der Partikel mit gasförmigem HNO3, was eine Nitratanreicherung an der Oberfläche bewirkt, die Effizienz der N2O5-Aufnahme auf die Staubpartikel reduzieren. Zusätzliche Studien befassten sich mit der Bestimmung des Aufnahmekoeffizienten von N2O5 auf Illit-Partikeln und auf Teststaub aus Arizona. Bei einer relativen Luftfeuchte von 0 % wurden für γ(N2O5) Werte von 0,084 ± 0,019 (1σ) für Illit und von 0,010 ± 0,001 (1σ) für Arizona Teststaub ermittelt.rnUnter Anwendung einer neuartigen Messmethode, die auf der zeitgleichen Messung der Konzentrationsabnahme von NO3 und N2O5 relativ zueinander beruht, wurde das Verhältnis γ(NO3)/γ(N2O5) der Aufnahmekoeffizienten von NO3 und N2O5 auf Saharastaub zu 0,9 ± 0,4 (1σ) bestimmt. Dieser Wert war unabhängig von der relativen Feuchte, den NO3- und N2O5-Konzentrationen sowie der Reaktionszeit, obwohl eine Oberflächendeaktivierung für beide Spurenstoffe beobachtet wurde.

Laboratory study on the optical properties of absorbing atmospheric aerosols and field applications

The interaction between aerosols and sun light plays an important role in the radiative balance of Earth’s atmosphere. This interaction is obtained by measuring the removal (extinction), redistribution (scattering), and transformation into heat (absorption) of light by the aerosols; i.e. their optical properties. Knowledge of these properties is crucial for our understanding of the atmospheric system. rn Light absorption by aerosols is a major contributor to the direct and indirect effects on our climate system, and an accurate and sensitive measurement method is crucial to further our understanding. A homebuilt photoacoustic sensor (PAS), measuring at a 532nm wavelength, was fully characterized and its functionality validated for measurements of absorbing aerosols. The optical absorption cross-sections of absorbing polystyrene latex spheres, to be used as a standard for aerosol absorption measurements, were measured and compared to literature values. Additionally, a calibration method using absorbing aerosol of known complex refractive index was presented.rn A new approach to retrieve the effective broadband refractive indices (mbroad,eff) of aerosol particles by a white light aerosol spectrometer (WELAS) optical particle counter (OPC) was achieved. Using a tandem differential mobility analyzer (DMA)-OPC system, the nbroad,eff are obtained for both laboratory and field applications. This method was tested in the laboratory using substances with a wide range of optical properties and it was used in ambient measurements to retrieve the nbroad,eff of biomass burning aerosols in a nationwide burning event in Israel. The retrieved effective broadband refractive indices for laboratory generated scattering aerosols were: ammonium sulfate (AS), glutaric acid (GA), and sodium chloride, all within 4% of literature values. For absorbing substances, nigrosine and various mixtures of nigrosine with AS and GA were measured, as well as a lightly absorbing substance, Suwannee river fulvic acid (SRFA). For the ambient measurements, the calibration curves generated from this method were to follow the optical evolution of biomass burning (BB) aerosols. A decrease in the overall aerosol absorption and scattering for aged aerosols during the day after the fires compared to the smoldering phase of the fires was found. rn The connection between light extinction of aerosols, their chemical composition and hygroscopicity for particles with different degrees of absorption was studied. The extinction cross-section (σext) at 532nm for different mobility diameters was measured at 80% and 90% relative humidity (RH), and at an RH<10%. The ratio of the humidified aerosols to the dry ones, fRHext(%RH,Dry), is presented. For purely scattering aerosols, fRHext(%RH,Dry) is inversely proportional with size; this dependence was suppressed for lightly absorbing ones. In addition, the validity of the mixing rules for water soluble absorbing aerosols is explored. The difference between the derived and calculated real parts of the complex RIs were less than 5.3% for all substances, wavelengths, and RHs. The obtained imaginary parts for the retrieved and calculated RIs were in good agreement with each other, and well within the measurement errors of retrieval from pulsed CRD spectroscopy measurements. Finally, a core-shell structure model is also used to explore the differences between the models, for substances with low growth factors, under these hydration conditions. It was found that at 80% RH and for size parameters less than 2.5, there is less than a 5 % difference between the extinction efficiencies calculated with both models. This difference is within measurement errors; hence, there is no significant difference between the models in this case. However, for greater size parameters the difference can be up to 10%. For 90% RH the differences below a size parameter of 2.5 were up to 7%.rn Finally, the fully characterized PAS together with a cavity ring down spectrometer (CRD), were used to study the optical properties of soot and secondary organic aerosol (SOA) during the SOOT-11 project in the AIDA chamber in Karlsruhe, Germany. The fresh fractal-like soot particles were allowed to coagulate for 28 hours before stepwise coating them with SOA. The single scattering albedo for fresh fractal-like soot was measured to be 0.2 (±0.03), and after allowing the soot to coagulate for 28 hours and coating it with SOA, it increased to 0.71(±0.01). An absorption enhancement of the coated soot of up to 1.71 (±0.03) times from the non-coated coagulated soot was directly measured with the PAS. Monodisperse measurements of SOA and soot coated with SOA were performed to derive the complex refractive index (m) of both aerosols. A complex refractive index of m = 1.471(±0.008) + i0.0(±0.002) for the SOA-αO3 was retrieved. For the compact coagulated soot a preliminary complex refractive index of m = 2.04(+0.21/-0.14) + i0.34(+0.18/-0.06) with 10nm(+4/-6) coating thickness was retrieved.rn These detail properties can be use by modelers to decrease uncertainties in assessing climatic impacts of the different species and to improve weather forecasting.rn

Using sulfur isotope fractionation to understand the atmospheric oxidation of SO 2

Sulfate aerosol plays an important but uncertain role in cloud formation and radiative forcing of the climate, and is also important for acid deposition and human health. The oxidation of SO2 to sulfate is a key reaction in determining the impact of sulfate in the environment through its effect on aerosol size distribution and composition. This thesis presents a laboratory investigation of sulfur isotope fractionation during SO2 oxidation by the most important gas-phase and heterogeneous pathways occurring in the atmosphere. The fractionation factors are then used to examine the role of sulfate formation in cloud processing of aerosol particles during the HCCT campaign in Thuringia, central Germany. The fractionation factor for the oxidation of SO2 by ·OH radicals was measured by reacting SO2 gas, with a known initial isotopic composition, with ·OH radicals generated from the photolysis of water at -25, 0, 19 and 40°C (Chapter 2). The product sulfate and the residual SO2 were collected as BaSO4 and the sulfur isotopic compositions measured with the Cameca NanoSIMS 50. The measured fractionation factor for 34S/32S during gas phase oxidation is αOH = (1.0089 ± 0.0007) − ((4 ± 5) × 10−5 )T (°C). Fractionation during oxidation by major aqueous pathways was measured by bubbling the SO2 gas through a solution of H2 O2

Development and application of an analytical method for the determination of total atmospheric biogenic non-methane organic carbon

Ein wesentlicher Anteil an organischem Kohlenstoff, der in der Atmosphäre vorhanden ist, wird als leichtflüchtige organische Verbindungen gefunden. Diese werden überwiegend durch die Biosphäre freigesetzt. Solche biogenen Emissionen haben einen großen Einfluss auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre, indem sie zur Bildung von bodennahem Ozon und sekundären organischen Aerosolen beitragen. Um die Bildung von bodennahem Ozon und von sekundären organischen Aerosolen besser zu verstehen, ist die technische Fähigkeit zur genauen Messung der Summe dieser flüchtigen organischen Substanzen notwendig. Häufig verwendete Methoden sind nur auf den Nachweis von spezifischen Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffverbindungen fokussiert. Die Summe dieser Einzelverbindungen könnte gegebenenfalls aber nur eine Untergrenze an atmosphärischen organischen Kohlenstoffkonzentrationen darstellen, da die verfügbaren Methoden nicht in der Lage sind, alle organischen Verbindungen in der Atmosphäre zu analysieren. Einige Studien sind bekannt, die sich mit der Gesamtkohlenstoffbestimmung von Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffverbindung in Luft beschäftigt haben, aber Messungen des gesamten organischen Nicht-Methan-Verbindungsaustauschs zwischen Vegetation und Atmosphäre fehlen. Daher untersuchten wir die Gesamtkohlenstoffbestimmung organische Nicht-Methan-Verbindungen aus biogenen Quellen. Die Bestimmung des organischen Gesamtkohlenstoffs wurde durch Sammeln und Anreichern dieser Verbindungen auf einem festen Adsorptionsmaterial realisiert. Dieser erste Schritt war notwendig, um die stabilen Gase CO, CO2 und CH4 von der organischen Kohlenstofffraktion zu trennen. Die organischen Verbindungen wurden thermisch desorbiert und zu CO2 oxidiert. Das aus der Oxidation entstandene CO2 wurde auf einer weiteren Anreicherungseinheit gesammelt und durch thermische Desorption und anschließende Detektion mit einem Infrarot-Gasanalysator analysiert. Als große Schwierigkeiten identifizierten wir (i) die Abtrennung von CO2 aus der Umgebungsluft von der organischen Kohlenstoffverbindungsfaktion während der Anreicherung sowie (ii) die Widerfindungsraten der verschiedenen Nicht-Methan-Kohlenwasserstoff-verbindungen vom Adsorptionsmaterial, (iii) die Wahl des Katalysators sowie (iiii) auftretende Interferenzen am Detektor des Gesamtkohlenstoffanalysators. Die Wahl eines Pt-Rd Drahts als Katalysator führte zu einem bedeutenden Fortschritt in Bezug auf die korrekte Ermittlung des CO2-Hintergrund-Signals. Dies war notwendig, da CO2 auch in geringen Mengen auf der Adsorptionseinheit während der Anreicherung der leichtflüchtigen organischen Substanzen gesammelt wurde. Katalytische Materialien mit hohen Oberflächen stellten sich als unbrauchbar für diese Anwendung heraus, weil trotz hoher Temperaturen eine CO2-Aufnahme und eine spätere Abgabe durch das Katalysatormaterial beobachtet werden konnte. Die Methode wurde mit verschiedenen leichtflüchtigen organischen Einzelsubstanzen sowie in zwei Pflanzenkammer-Experimenten mit einer Auswahl an VOC-Spezies getestet, die von unterschiedlichen Pflanzen emittiert wurden. Die Pflanzenkammer-messungen wurden durch GC-MS und PTR-MS Messungen begleitet. Außerdem wurden Kalibrationstests mit verschiedenen Einzelsubstanzen aus Permeations-/Diffusionsquellen durchgeführt. Der Gesamtkohlenstoffanalysator konnte den tageszeitlichen Verlauf der Pflanzenemissionen bestätigen. Allerdings konnten Abweichungen für die Mischungsverhältnisse des organischen Gesamtkohlenstoffs von bis zu 50% im Vergleich zu den begleitenden Standardmethoden beobachtet werden.