Exchange of nitrogen dioxide (NO 2) between plants and the atmosphere under laboratory and field conditions

Nitrogen is an essential nutrient. It is for human, animal and plants a constituent element of proteins and nucleic acids. Although the majority of the Earth’s atmosphere consists of elemental nitrogen (N2, 78 %) only a few microorganisms can use it directly. To be useful for higher plants and animals elemental nitrogen must be converted to a reactive oxidized form. This conversion happens within the nitrogen cycle by free-living microorganisms, symbiotic living Rhizobium bacteria or by lightning. Humans are able to synthesize reactive nitrogen through the Haber-Bosch process since the beginning of the 20th century. As a result food security of the world population could be improved noticeably. On the other side the increased nitrogen input results in acidification and eutrophication of ecosystems and in loss of biodiversity. Negative health effects arose for humans such as fine particulate matter and summer smog. Furthermore, reactive nitrogen plays a decisive role at atmospheric chemistry and global cycles of pollutants and nutritive substances.rnNitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) belong to the reactive trace gases and are grouped under the generic term NOx. They are important components of atmospheric oxidative processes and influence the lifetime of various less reactive greenhouse gases. NO and NO2 are generated amongst others at combustion process by oxidation of atmospheric nitrogen as well as by biological processes within soil. In atmosphere NO is converted very quickly into NO2. NO2 is than oxidized to nitrate (NO3-) and to nitric acid (HNO3), which bounds to aerosol particles. The bounded nitrate is finally washed out from atmosphere by dry and wet deposition. Catalytic reactions of NOx are an important part of atmospheric chemistry forming or decomposing tropospheric ozone (O3). In atmosphere NO, NO2 and O3 are in photosta¬tionary equilibrium, therefore it is referred as NO-NO2-O3 triad. At regions with elevated NO concentrations reactions with air pollutions can form NO2, altering equilibrium of ozone formation.rnThe essential nutrient nitrogen is taken up by plants mainly by dissolved NO3- entering the roots. Atmospheric nitrogen is oxidized to NO3- within soil via bacteria by nitrogen fixation or ammonium formation and nitrification. Additionally atmospheric NO2 uptake occurs directly by stomata. Inside the apoplast NO2 is disproportionated to nitrate and nitrite (NO2-), which can enter the plant metabolic processes. The enzymes nitrate and nitrite reductase convert nitrate and nitrite to ammonium (NH4+). NO2 gas exchange is controlled by pressure gradients inside the leaves, the stomatal aperture and leaf resistances. Plant stomatal regulation is affected by climate factors like light intensity, temperature and water vapor pressure deficit. rnThis thesis wants to contribute to the comprehension of the effects of vegetation in the atmospheric NO2 cycle and to discuss the NO2 compensation point concentration (mcomp,NO2). Therefore, NO2 exchange between the atmosphere and spruce (Picea abies) on leaf level was detected by a dynamic plant chamber system under labo¬ratory and field conditions. Measurements took place during the EGER project (June-July 2008). Additionally NO2 data collected during the ECHO project (July 2003) on oak (Quercus robur) were analyzed. The used measuring system allowed simultaneously determina¬tion of NO, NO2, O3, CO2 and H2O exchange rates. Calculations of NO, NO2 and O3 fluxes based on generally small differences (∆mi) measured between inlet and outlet of the chamber. Consequently a high accuracy and specificity of the analyzer is necessary. To achieve these requirements a highly specific NO/NO2 analyzer was used and the whole measurement system was optimized to an enduring measurement precision.rnData analysis resulted in a significant mcomp,NO2 only if statistical significance of ∆mi was detected. Consequently, significance of ∆mi was used as a data quality criterion. Photo-chemical reactions of the NO-NO2-O3 triad in the dynamic plant chamber’s volume must be considered for the determination of NO, NO2, O3 exchange rates, other¬wise deposition velocity (vdep,NO2) and mcomp,NO2 will be overestimated. No significant mcomp,NO2 for spruce could be determined under laboratory conditions, but under field conditions mcomp,NO2 could be identified between 0.17 and 0.65 ppb and vdep,NO2 between 0.07 and 0.42 mm s-1. Analyzing field data of oak, no NO2 compensation point concentration could be determined, vdep,NO2 ranged between 0.6 and 2.71 mm s-1. There is increasing indication that forests are mainly a sink for NO2 and potential NO2 emissions are low. Only when assuming high NO soil emissions, more NO2 can be formed by reaction with O3 than plants are able to take up. Under these circumstance forests can be a source for NO2.

Räumliche und jahreszeitliche Verteilung von OH- und HO 2-Radikalen in der Troposphäre über Europa

Durch geologische Prozesse freigesetzte sowie biogen und anthropogen emittierte Gase werden hauptsächlich von der untersten Atmosphärenschicht, der Troposphäre, aufgenommen und abgebaut. Durch in die Troposphä¬re einfallende solare Strahlung wird ein Abbau des Großteils der emittierten Spurengase durch reaktive Radikale initiiert. Der wichtigste Vertreter dieser reaktiven Radikale in der Troposphäre ist das Hydroxylradikal (OH-Radikal), welches im schnellen Gleichgewicht mit Hydroperoxyradikalen (HO2-Radikal) vorliegt, sodass die Summe aus OH- und HO2-Radikalen oft als HOx zusammengefasst wird. HOx-Radikale bilden tagsüber den Hauptteil der Oxidationskapazität der Troposphäre und sind somit verantwortlich für den oxidativen Abbau vieler, auch chemisch und photolytisch stabiler, Spurengase. Daher wird die Oxidationskapazität als Selbstreinigungskraft der Troposphäre verstanden. rnIm Rahmen meiner Arbeit wurde die wissenschaftliche Fragestellung auf die Oxidationskapazität der Troposphäre über Europa fokussiert. Die Höhen- und Breitenverteilung der OH- und HO2-Mischungsverhältnisse und ihre jahreszeitliche Variation wurde während der flugzeuggestützten HOOVER-Kampagnen (HOOVER 1 & 2) charakterisiert, wobei ein Fokus auf der oberen Troposphäre lag. Es wird gezeigt, welchen Einfluss die einfallende Strahlung, die Variation von HOx-Vorläufersubstanzen (wie z. B. Ozon) und die Variation von Substanzen, die das HOx-Gleichgewicht beeinflussen (z. B. Stickstoffmonoxid), auf das HOx-Budget haben. rnEs wird beispielhaft für den Höhenbereich zwischen 8 und 9.5 km gezeigt, dass die Oxidationskapazität in der oberen Troposphäre des Sommers im Ver¬gleich zu der des Herbstes aufgrund von einer verstärkten HO2-Zyklierung im Mittel deutlich erhöht ist (500 %). rnDurch konvektiven Transport werden im Sommer im Gegensatz zum Herbst regelmäßig Luftmassen aus der planetaren Grenzschicht in die obere Troposphäre eingemischt. Daher wurden der konvektive Luftmassentransport und der Einfluss der eingemischten Spurengase auf die Oxidationskapazität der oberen Troposphäre anhand eines konvektiven Elements über Südostdeutschland untersucht. Wie in dieser Arbeit berichtet wird, wurden in den Luftmassen der Ausströmregion mit bis zu 3.5 pmol/mol (Maximum 10 s-Mittelwert) sehr hohe OH-Mischungsverhältnisse gefunden, die aus der HO2-Konversion mit NO gebildet wurden. Das modellierte HOx-Budget zeigt, dass die HOx-Chemie - unter den beobachteten Bedingungen in der Ausströmregion - durch HOx-Zyklierungsreaktionen beherrscht wird. rnDie gemessenen OH-Mischungsverhältnisse in der Ausströmregion liegen etwa um einen Faktor fünf höher, als die während dieses Fluges in der konvektiv unbeeinflussten oberen Troposphäre gemessenen OH-Mischungsverhältnisse. Am Beispiel der NO2- und CH4-Lebensdauer wird ein schnellerer Abbau von Spurengasen aufgrund der erhöhten Oxidationskapazität nachgewiesen. Aus der NO2-Lebensdauer wird abgeschätzt, wie lange die Oxidationskapazität aufgrund des konvektiven Transports von NOx in den Luftmassen des Ausströmgebietes erhöht ist.rnDie während den Kampagnen durchgeführten Messungen wurden genutzt, um Modellberechnungen des vertikalen HOx-Budgets (über Südschweden) und des meridionalen HOx-Budgets zwischen Nordeuropa und Korsika durchzuführen. Es wurde gezeigt, dass das Modell die OH- und HO2-Mischungsverhältnisse im Allgemeinen gut reproduziert (Modell/Messung: OH im Sommer 94 %, HO2 im Sommer 93 % im Herbst 95 %), wohingegen die vergleichsweise kleinen OH-Mischungsverhältnisse im Herbst aufgrund von einer überschätzten H2O2 abhängigen OH-Produktion stark überschätzt wurden (Modell/Messung: 147 %). rnZur Charakterisierung der Oxidationskapazität innerhalb der planetaren Grenzschicht wurden die DOMINO-Kampagnen durchgeführt. Dabei wurde die Zusammensetzung unterschiedlicher Luftmassen untersucht, die aus verschiedenen Herkunftsorten zum Messort transportiert wurden und aufgrund ihres Ursprungs kaum prozessierte bis prozessierte anthropogen emittierte Spurengase enthielten. Zusätzlich enthielt ein Teil der Luftmassen biogen emittierte Spurengase. Komplementäre Messungen ermöglichen die Berechnung der totalen OH-Produktion und den Vergleich mit den bekannten OH-Quellen. Der Vergleich zeigt, dass offenbar wichtige OH-Produktionskanäle durch die gemessenen Spurengase oder die durchgeführten Berechnungen nicht abgebildet werden. Es wird gezeigt, dass die Stärke der unbekannten OH-Quellen, vor allem unter niedrigen NO-Bedingungen, groß ist und mit den Isopren-, RO2- und HO2-Mischungsverhältnissen korreliert.rn

Additions- und Umlagerungsreaktionen des Lewis-aciden Dihypersilylplumbandiyls in Umsetzungen mit monodenten und ambidenten Lewis-Basen

Die chemische Reaktivität des Dihypersilylplumbylens Pb[Si(Si(CH3)3)3]2 wird durch seine besondere elektronische Struktur bestimmt. Im Unterschied zu Carbenen (Triplett-Grundzustand) liegen Plumbylene im Grundzustand als Singulett vor, mit einem energetisch hochliegenden HOMO (freies Elektronenpaar mit hohem s-Charakter) und einem tiefliegenden LUMO (näherungsweise: freies p-Orbital des Pb-Atoms). Daraus resultiert das amphotere Lewis-Säure/Lewis-Base-Verhalten der Verbindung, mit der Besonderheit, dass sich die beiden Lewis-Zentren am selben Atom befinden. rnIn Umsetzungen mit monodenten und ambidenten Lewis-Basen wurden die Lewis-aciden Eigenschaften des Dihypersilylplumbandiyls Pb[Si(Si(CH3)3)3]2 untersucht. Reaktionen mit den sterisch anspruchsvollen O-Nucleophilen KOtBu (Kalium-tert-Butanolat) und KOiPrPh (4-Kaliumisopropylphenolat) führten bei tiefen Temperaturen zur primären Adduktbildung. Die aus der Strukturanalyse erhaltenen Bindungsdaten zeigen die extreme sterische Überfrachtung des zentralen Blei-Atoms. Der Abbau der sterischen Spannung ist möglicherweise die Ursache für offensichtlich stattfindende Umlagerungsfolgereaktionen (bei Reaktionsführungen bei T>-60°C), die aufgrund spektroskopische Untersuchungen zu vermuten sind.rnEingehender wurden diese Umlagerungsreaktionen in Umsetzungen des Pb[Si(Si(CH3)3)3]2 mit ambidenten Lewis-Basen untersucht. In Übereinstimmung und Erweiterung mit früheren Ergebnissen von Klinkhammer (K. Klinkhammer, Polyhedron, 2002, 21, 587) konnte beispielsweise die Migration einer (mit der ambidenten Lewis-Base tert-Butylisonitril) bzw. beider Hypersilylgruppen (mit p-Tolylisocyanat) unter Bildung hetero- bzw. homoleptischer Plumbylene nachgewiesen werden.rnReaktionen des Pb[Si(Si(CH3)3)3]2 mit den anorganischen ambidenten Salz-Ionen CN-, OCN-, SCN-, N3-, NO2- führen zur Bildung salzartiger Plumbanide der Zusammensetzung Me{Pb[Si(Si(CH3)3)3]2}Nu (Me: Na bzw. K, Nu: CN, OCN, SCN, N3, NO2). Die Verbindungen liegen im Kristall monomer als Kontaktionenpaar vor. Auf diese Weise gelang erstmalig die gezielte Synthese eines Blei(II)cyanids sowie die Darstellung eines Blei(II)isocyanats. rn

Synthesis and conformational analysis of heteroaromatic atropisomeric systems

The research work reported in this Thesis was held along two main lines of research. The first and main line of research is about the synthesis of heteroaromatic compounds with increasing steric hindrance, with the aim of preparing stable atropisomers. The main tools used for the study of these dynamic systems, as described in the Introduction, are DNMR, coupled with line shape simulation and DFT calculations, aimed to the conformational analysis for the prediction of the geometries and energy barriers to the trasition states. This techniques have been applied to the research projects about: • atropisomers of arylmaleimides; • atropisomers of 4-arylpyrazolo[3,4-b]pyridines; • study of the intramolecular NO2/CO interaction in solution; • study on 2-arylpyridines. Parallel to the main project, in collaboration with other groups, the research line about determination of the absolute configuration was followed. The products, deriving form organocatalytic reactions, in many cases couldn’t be analyzed by means of X-Ray diffraction, making necessary the development of a protocol based on spectroscopic methodologies: NMR, circular dichroism and computational tools (DFT, TD-DFT) have been implemented in this scope. In this Thesis are reported the determination of the absolute configuration of: • substituted 1,2,3,4-tetrahydroquinolines; • compounds from enantioselective Friedel-Crafts alkylation-acetalization cascade of naphthols with α,β-unsaturated cyclic ketones; • substituted 3,4-annulated indoles.

Formation and surface exchange of nitrous acid

Die salpetrige Säure (HONO) ist eine der reaktiven Stickstoffkomponenten der Atmosphäre und Pedosphäre. Die genauen Bildungswege von HONO, sowie der gegenseitige Austausch von HONO zwischen Atmosphäre und Pedosphäre sind noch nicht vollständig aufgedeckt. Bei der HONO-Photolyse entsteht das Hydroxylradikal (OH) und Stickstoffmonooxid (NO), was die Bedeutsamkeit von HONO für die atmosphärische Photochemie widerspiegelt.rnUm die genannte Bildung von HONO im Boden und dessen anschließenden Austausch mit der Atmosphäre zu untersuchen, wurden Messungen von Bodenproben mit dynamischen Kammern durchgeführt. Im Labor gemessene Emissionsflüsse von Wasser, NO und HONO zeigen, dass die Emission von HONO in vergleichbarem Umfang und im gleichen Bodenfeuchtebereich wie die für NO (von 6.5 bis 56.0 % WHC) stattfindet. Die Höhe der HONO-Emissionsflüsse bei neutralen bis basischen pH-Werten und die Aktivierungsenergie der HONO-Emissionsflüsse führen zu der Annahme, dass die mikrobielle Nitrifikation die Hauptquelle für die HONO-Emission darstellt. Inhibierungsexperimente mit einer Bodenprobe und die Messung einer Reinkultur von Nitrosomonas europaea bestärkten diese Theorie. Als Schlussfolgerung wurde das konzeptionelle Model der Bodenemission verschiedener Stickstoffkomponenten in Abhängigkeit von dem Wasserhaushalt des Bodens für HONO erweitert.rnIn einem weiteren Versuch wurde zum Spülen der dynamischen Kammer Luft mit erhöhtem Mischungsverhältnis von HONO verwendet. Die Messung einer hervorragend charakterisierten Bodenprobe zeigte bidirektionale Flüsse von HONO. Somit können Böden nicht nur als HONO-Quelle, sondern auch je nach Bedingungen als effektive Senke dienen. rnAußerdem konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis von HONO- zu NO-Emissionen mit dem pH-Wert des Bodens korreliert. Grund könnte die erhöhte Reaktivität von HONO bei niedrigem pH-Wert und die längere Aufenthaltsdauer von HONO verursacht durch reduzierte Gasdiffusion im Bodenporenraum sein, da ein niedriger pH-Wert mit erhöhter Bodenfeuchte am Maximum der Emission einhergeht. Es konnte gezeigt werden, dass die effektive Diffusion von Gasen im Bodenporenraum und die effektive Diffusion von Ionen in der Bodenlösung die HONO-Produktion und den Austausch von HONO mit der Atmosphäre begrenzen. rnErgänzend zu den Messungen im Labor wurde HONO während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 im borealen Nadelwald simultan in der Höhe von 1 m über dem Boden und 2 bis 3 m über dem Blätterdach gemessen. Die Budgetberechnungen für HONO zeigen, dass für HONO sämtliche bekannte Quellen und Senken in Bezug auf die übermächtige HONO-Photolyserate tagsüber vernachlässigbar sind (< 20%). Weder Bodenemissionen von HONO, noch die Photolyse von an Oberflächen adsorbierter Salpetersäure können die fehlende Quelle erklären. Die lichtinduzierte Reduktion von Stickstoffdioxid (NO2) an Oberflächen konnte nicht ausgeschlossen werden. Es zeigte sich jedoch, dass die fehlende Quelle stärker mit der HONO-Photolyserate korreliert als mit der entsprechenden Photolysefrequenz, die proportional zur Photolysefrequenz von NO2 ist. Somit lässt sich schlussfolgern, dass entweder die Photolyserate von HONO überschätzt wird oder dass immer noch eine unbekannte, HONO-Quelle existiert, die mit der Photolyserate sehr stark korreliert. rn rn

Analisi del microclima e valutazione integrata del rischio per ambienti confinati e sensibili: il caso della Biblioteca Classense

Il presente lavoro nasce dall’esigenza maturata, oramai da diversi decenni, di conoscere l’ambiente che circonda i beni culturali, in virtù della loro intrinseca natura non rinnovabile. La ricerca si compone di due parti: l’analisi microclimatica e lo sviluppo di una metodologia innovativa di analisi relativa del rischio, che vede come bersagli i beni culturali, con particolare riferimento a quelli librari. In particolare, sulla base dei dati di temperatura, umidità relativa, concentrazioni di NO2 e O3, misurati in alcune sale della Biblioteca Classense di Ravenna, nel periodo dal 21 luglio al 7 agosto 2014, è stato possibile caratterizzare diversi ambienti confinati, tra loro eterogenei, e confrontare le dinamiche che s’instaurano tra l’ambiente indoor e quello outdoor, mediante, ad esempio, il calcolo del cosiddetto rapporto Indoor/Outdoor (I/O) e la stima del tasso di ventilazione. È stata poi proposta una metodologia di analisi del rischio che valuta i suddetti parametri microclimatici, come fattori di rischio. Attraverso tale metodologia, che identifica gli eventuali stati anomali nel sistema, è possibile giungere ad una definizione delle priorità per quegli aspetti esaminati che potrebbero discostarsi dalle condizioni di benessere, provocando un’accelerazione dei processi di degrado dei beni librari. Tale metodologia, infine, è stata applicata alle sale oggetto dell’analisi microclimatica, allo scopo di identificare eventuali fattori di rischio microclimatici.

The sensitivity of the photostationary state of NOx and its implication for the oxidation capacity in a semi-rural and boreal forest region

Für das Vermögen der Atmosphäre sich selbst zu reinigen spielen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) eine bedeutende Rolle. Diese Spurengase bestimmen die photochemische Produktion von Ozon (O3) und beeinflussen das Vorkommen von Hydroxyl- (OH) und Nitrat-Radikalen (NO3). Wenn tagsüber ausreichend Solarstrahlung und Ozon vorherrschen, stehen NO und NO2 in einem schnellen photochemischen Gleichgewicht, dem „Photostationären Gleichgewichtszustand“ (engl.: photostationary state). Die Summe von NO und NO2 wird deshalb als NOx zusammengefasst. Vorhergehende Studien zum photostationären Gleichgewichtszustand von NOx umfassen Messungen an unterschiedlichsten Orten, angefangen bei Städten (geprägt von starken Luftverschmutzungen), bis hin zu abgeschiedenen Regionen (geprägt von geringeren Luftverschmutzungen). Während der photochemische Kreislauf von NO und NO2 unter Bedingungen erhöhter NOx-Konzentrationen grundlegend verstanden ist, gibt es in ländlicheren und entlegenen Regionen, welche geprägt sind von niedrigeren NOx-Konzetrationen, signifikante Lücken im Verständnis der zugrundeliegenden Zyklierungsprozesse. Diese Lücken könnten durch messtechnische NO2-Interferenzen bedingt sein - insbesondere bei indirekten Nachweismethoden, welche von Artefakten beeinflusst sein können. Bei sehr niedrigen NOx-Konzentrationen und wenn messtechnische NO2-Interferenzen ausgeschlossen werden können, wird häufig geschlussfolgert, dass diese Verständnislücken mit der Existenz eines „unbekannten Oxidationsmittels“ (engl.: unknown oxidant) verknüpft ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird der photostationäre Gleichgewichtszustand von NOx analysiert, mit dem Ziel die potenzielle Existenz bislang unbekannter Prozesse zu untersuchen. Ein Gasanalysator für die direkte Messung von atmosphärischem NO¬2 mittels laserinduzierter Fluoreszenzmesstechnik (engl. LIF – laser induced fluorescence), GANDALF, wurde neu entwickelt und während der Messkampagne PARADE 2011 erstmals für Feldmessungen eingesetzt. Die Messungen im Rahmen von PARADE wurden im Sommer 2011 in einem ländlich geprägten Gebiet in Deutschland durchgeführt. Umfangreiche NO2-Messungen unter Verwendung unterschiedlicher Messtechniken (DOAS, CLD und CRD) ermöglichten einen ausführlichen und erfolgreichen Vergleich von GANDALF mit den übrigen NO2-Messtechniken. Weitere relevante Spurengase und meteorologische Parameter wurden gemessen, um den photostationären Zustand von NOx, basierend auf den NO2-Messungen mit GANDALF in dieser Umgebung zu untersuchen. Während PARADE wurden moderate NOx Mischungsverhältnisse an der Messstelle beobachtet (10^2 - 10^4 pptv). Mischungsverhältnisse biogener flüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen (BVOC, engl.: biogenic volatile organic compounds) aus dem umgebenden Wald (hauptsächlich Nadelwald) lagen in der Größenordnung 10^2 pptv vor. Die Charakteristiken des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx bei niedrigen NOx-Mischungsverhältnissen (10 - 10^3 pptv) wurde für eine weitere Messstelle in einem borealen Waldgebiet während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 untersucht. HUMPPA–COPEC–2010 wurde im Sommer 2010 in der SMEARII-Station in Hyytiälä, Süd-Finnland, durchgeführt. Die charakteristischen Eigenschaften des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx in den beiden Waldgebieten werden in dieser Arbeit verglichen. Des Weiteren ermöglicht der umfangreiche Datensatz - dieser beinhaltet Messungen von relevanten Spurengasen für die Radikalchemie (OH, HO2), sowie der totalen OH-Reaktivität – das aktuelle Verständnis bezüglich der NOx-Photochemie unter Verwendung von einem Boxmodell, in welches die gemessenen Daten als Randbedingungen eingehen, zu überprüfen und zu verbessern. Während NOx-Konzentrationen in HUMPPA-COPEC 2010 niedriger sind, im Vergleich zu PARADE 2011 und BVOC-Konzentrationen höher, sind die Zyklierungsprozesse von NO und NO2 in beiden Fällen grundlegend verstanden. Die Analyse des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx für die beiden stark unterschiedlichen Messstandorte zeigt auf, dass potenziell unbekannte Prozesse in keinem der beiden Fälle vorhanden sind. Die aktuelle Darstellung der NOx-Chemie wurde für HUMPPA-COPEC 2010 unter Verwendung des chemischen Mechanismus MIM3* simuliert. Die Ergebnisse der Simulation sind konsistent mit den Berechnungen basierend auf dem photostationären Gleichgewichtszustand von NOx.

Species specific nitrogen isotope analysis by NanoSIMS

Der atmosphärische Kreislauf reaktiver Stickstoffverbindungen beschäftigt sowohl die Naturwissenschaftler als auch die Politik. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass reaktive Stickoxide die Bildung von bodennahem Ozon kontrollieren. Reaktive Stickstoffverbindungen spielen darüber hinaus als gasförmige Vorläufer von Feinstaubpartikeln eine wichtige Rolle und der Transport von reaktivem Stickstoff über lange Distanzen verändert den biogeochemischen Kohlenstoffkreislauf des Planeten, indem er entlegene Ökosysteme mit Stickstoff düngt. Die Messungen von stabilen Stickstoffisotopenverhältnissen (15N/14N) bietet ein Hilfsmittel, welches es erlaubt, die Quellen von reaktiven Stickstoffverbindungen zu identifizieren und die am Stickstoffkeislauf beteiligten Reaktionen mithilfe ihrer reaktionsspezifischen Isotopenfraktionierung genauer zu untersuchen. rnIn dieser Doktorarbeit demonstriere ich, dass es möglich ist, mit Hilfe von Nano-Sekundärionenmassenspektrometrie (NanoSIMS) verschiedene stickstoffhaltige Verbindungen, die üblicherweise in atmosphärischen Feinstaubpartikeln vorkommen, mit einer räumlichen Auflösung von weniger als einem Mikrometer zu analysieren und zu identifizieren. Die Unterscheidung verschiedener stickstoffhaltiger Verbindungen erfolgt anhand der relativen Signalintensitäten der positiven und negativen Sekundärionensignale, die beobachtet werden, wenn die Feinstaubproben mit einem Cs+ oder O- Primärionenstrahl beschossen werden. Die Feinstaubproben können direkt auf dem Probenahmesubstrat in das Massenspektrometer eingeführt werden, ohne chemisch oder physikalisch aufbereited zu werden. Die Methode wurde Mithilfe von Nitrat, Nitrit, Ammoniumsulfat, Harnstoff, Aminosären, biologischen Feinstaubproben (Pilzsporen) und Imidazol getestet. Ich habe gezeigt, dass NO2 Sekundärionen nur beim Beschuss von Nitrat und Nitrit (Salzen) mit positiven Primärionen entstehen, während NH4+ Sekundärionen nur beim Beschuss von Aminosäuren, Harnstoff und Ammoniumsalzen mit positiven Primärionen freigesetzt werden, nicht aber beim Beschuss biologischer Proben wie z.B. Pilzsporen. CN- Sekundärionen werden beim Beschuss aller stickstoffhaltigen Verbindungen mit positiven Primärionen beobachtet, da fast alle Proben oberflächennah mit Kohlenstoffspuren kontaminiert sind. Die relative Signalintensität der CN- Sekundärionen ist bei kohlenstoffhaltigen organischen Stickstoffverbindungen am höchsten.rnDarüber hinaus habe ich gezeigt, dass an reinen Nitratsalzproben (NaNO3 und KNO3), welche auf Goldfolien aufgebracht wurden speziesspezifische stabile Stickstoffisotopenverhältnisse mithilfe des 15N16O2- / 14N16O2- - Sekundärionenverhältnisses genau und richtig gemessen werden können. Die Messgenauigkeit auf Feldern mit einer Rastergröße von 5×5 µm2 wurde anhand von Langzeitmessungen an einem hausinternen NaNO3 Standard als ± 0.6 ‰ bestimmt. Die Differenz der matrixspezifischen instrumentellen Massenfraktionierung zwischen NaNO3 und KNO3 betrug 7.1 ± 0.9 ‰. 23Na12C2- Sekundärionen können eine ernst zu nehmende Interferenz darstellen wenn 15N16O2- Sekundärionen zur Messung des nitratspezifischen schweren Stickstoffs eingesetzt werden sollen und Natrium und Kohlenstoff im selben Feinstaubpartikel als interne Mischung vorliegt oder die natriumhaltige Probe auf einem kohlenstoffhaltigen Substrat abgelegt wurde. Selbst wenn, wie im Fall von KNO3, keine derartige Interferenz vorliegt, führt eine interne Mischung mit Kohlenstoff im selben Feinstaubpartikel zu einer matrixspezifischen instrumentellen Massenfraktionierung die mit der folgenden Gleichung beschrieben werden kann: 15Nbias = (101 ± 4) ∙ f − (101 ± 3) ‰, mit f = 14N16O2- / (14N16O2- + 12C14N-). rnWird das 12C15N- / 12C14N- Sekundärionenverhältnis zur Messung der stabilen Stickstoffisotopenzusammensetzung verwendet, beeinflusst die Probematrix die Messungsergebnisse nicht, auch wenn Stickstoff und Kohlenstoff in den Feinstaubpartikeln in variablen N/C–Verhältnissen vorliegen. Auch Interferenzen spielen keine Rolle. Um sicherzustellen, dass die Messung weiterhin spezifisch auf Nitratspezies eingeschränkt bleibt, kann eine 14N16O2- Maske bei der Datenauswertung verwendet werden. Werden die Proben auf einem kohlenstoffhaltigen, stickstofffreien Probennahmesubstrat gesammelt, erhöht dies die Signalintensität für reine Nitrat-Feinstaubpartikel.

Topical application of 17β-estradiol (E2) improves skin flap survival through activation of endothelial nitric oxide synthase in rats

This study investigates the influence of 17β-estradiol (E2) on nitric oxide (NO) production in endothelial cell cultures and the effect of topical E2 on the survival of skin flap transplants in a rat model. Human umbilical vein endothelial cells were treated with three different E2 concentrations and nitrite (NO2) concentrations, as well as endothelial nitric oxide synthase (eNOS) protein expressions were analyzed. In vivo, random-pattern skin flaps were raised in female Wistar rats 14 days following ovariectomy and treated with placebo ointment (group 1), E2 as gel (group 2), and E2 via plaster (group 3). Flap perfusion, survival, and NO2 levels were measured on postoperative day 7. In vitro, E2 treatment increased NO2 concentration in cell supernatant and eNOS expression in cell lysates (p < 0.05). In vivo, E2 treated (gel and plaster groups) demonstrated significantly increased skin flap survival compared to the placebo group (p < 0.05). E2 plaster-treated animals exhibited higher NO2 blood levels than placebo (p < 0.05) paralleling the in vitro observations. E2 increases NO production in endothelial cells via eNOS activation. Topical E2 application can significantly increase survival of ischemically challenged skin flaps in a rat model and may augment wound healing in other ischemic situations via activation of NO production.

A prospective study of the impact of air pollution on respiratory symptoms and infections in infants

Rationale: There is increasing evidence that short-term exposure to air pollution has a detrimental effect on respiratory health, but data from healthy populations, particularly infants, are scarce. Objectives: To assess the association of air pollution with frequency and severity of respiratory symptoms and infections measured weekly in healthy infants. Methods: In a prospective birth cohort of 366 infants of unselected mothers, respiratory health was assessed weekly by telephone interviews during the first year of life (19,106 total observations). Daily mean levels of particulate matter (PM10), nitrogen dioxide (NO2), and ozone (O3) were obtained from local monitoring stations. We determined the association of the preceding week's pollutant levels with symptom scores and respiratory tract infections using a generalized additive mixed model with an autoregressive component. In addition, we assessed whether neonatal lung function influences this association and whether duration of infectious episodes differed between weeks with normal PM10 and weeks with elevated levels. Measurements and Main Results: We found a significant association between air pollution and respiratory symptoms, particularly in the week after respiratory tract infections (risk ratio, 1.13 [1.02-1.24] per 10 μg/m(3) PM10 levels) and in infants with premorbid lung function. During times of elevated PM10 (>33.3 μg/m(3)), duration of respiratory tract infections increased by 20% (95% confidence interval, 2-42%). Conclusions: Exposure to even moderate levels of air pollution was associated with increased respiratory symptoms in healthy infants. Particularly in infants with premorbid lung function and inflammation, air pollution contributed to longer duration of infectious episodes with a potentially large socioeconomic impact.

Nitrogen oxides in the firn air at Summit, Greenland

Measurements of NOx within the snowpack at Summit, Greenland were carried out from June 2008 to July 2010, using a novel system to sample firn air with minimal disruption of the snowpack. These long-term measurements were motivated by the need of improving the representation of air-snow interactions in global models. Results indicated that the NOx budget within the snowpack was on the order of 550 pptv as maximum, and was constituted primarily for NO2. NOx production was observed within the first 50 cm of the snowpack during the sunlight season between February and August. Presence of NOx at larger depths was attributed to high speed wind and vertical transport processes. Production of NO correlated with the seasonal incoming radiation profile, while NO2 maximum was observed in April. These measurements constitute the larger data set of NOx within the firn and will improve the representation of processes driving snow photochemistry at Summit.

Experimental and modeling study of the filtration and oxidation characteristics of a diesel oxidation catalyst and a catalyzed particulate filter

A diesel oxidation catalyst (DOC) with a catalyzed diesel particulate filter (CPF) is an effective exhaust aftertreatment device that reduces particulate emissions from diesel engines, and properly designed DOC-CPF systems provide passive regeneration of the filter by the oxidation of PM via thermal and NO2/temperature-assisted means under various vehicle duty cycles. However, controlling the backpressure on engines caused by the addition of the CPF to the exhaust system requires a good understanding of the filtration and oxidation processes taking place inside the filter as the deposition and oxidation of solid particulate matter (PM) change as functions of loading time. In order to understand the solid PM loading characteristics in the CPF, an experimental and modeling study was conducted using emissions data measured from the exhaust of a John Deere 6.8 liter, turbocharged and after-cooled engine with a low-pressure loop EGR system and a DOC-CPF system (or a CCRT® - Catalyzed Continuously Regenerating Trap®, as named by Johnson Matthey) in the exhaust system. A series of experiments were conducted to evaluate the performance of the DOC-only, CPF-only and DOC-CPF configurations at two engine speeds (2200 and 1650 rpm) and various loads on the engine ranging from 5 to 100% of maximum torque at both speeds. Pressure drop across the DOC and CPF, mass deposited in the CPF at the end of loading, upstream and downstream gaseous and particulate emissions, and particle size distributions were measured at different times during the experiments to characterize the pressure drop and filtration efficiency of the DOCCPF system as functions of loading time. Pressure drop characteristics measured experimentally across the DOC-CPF system showed a distinct deep-bed filtration region characterized by a non-linear pressure drop rise, followed by a transition region, and then by a cake-filtration region with steadily increasing pressure drop with loading time at engine load cases with CPF inlet temperatures less than 325 °C. At the engine load cases with CPF inlet temperatures greater than 360 °C, the deep-bed filtration region had a steep rise in pressure drop followed by a decrease in pressure drop (due to wall PM oxidation) in the cake filtration region. Filtration efficiencies observed during PM cake filtration were greater than 90% in all engine load cases. Two computer models, i.e., the MTU 1-D DOC model and the MTU 1-D 2-layer CPF model were developed and/or improved from existing models as part of this research and calibrated using the data obtained from these experiments. The 1-D DOC model employs a three-way catalytic reaction scheme for CO, HC and NO oxidation, and is used to predict CO, HC, NO and NO2 concentrations downstream of the DOC. Calibration results from the 1-D DOC model to experimental data at 2200 and 1650 rpm are presented. The 1-D 2-layer CPF model uses a ‘2-filters in series approach’ for filtration, PM deposition and oxidation in the PM cake and substrate wall via thermal (O2) and NO2/temperature-assisted mechanisms, and production of NO2 as the exhaust gas mixture passes through the CPF catalyst washcoat. Calibration results from the 1-D 2-layer CPF model to experimental data at 2200 rpm are presented. Comparisons of filtration and oxidation behavior of the CPF at sample load-cases in both configurations are also presented. The input parameters and selected results are also compared with a similar research work with an earlier version of the CCRT®, to compare and explain differences in the fundamental behavior of the CCRT® used in these two research studies. An analysis of the results from the calibrated CPF model suggests that pressure drop across the CPF depends mainly on PM loading and oxidation in the substrate wall, and also that the substrate wall initiates PM filtration and helps in forming a PM cake layer on the wall. After formation of the PM cake layer of about 1-2 µm on the wall, the PM cake becomes the primary filter and performs 98-99% of PM filtration. In all load cases, most of PM mass deposited was in the PM cake layer, and PM oxidation in the PM cake layer accounted for 95-99% of total PM mass oxidized during loading. Overall PM oxidation efficiency of the DOC-CPF device increased with increasing CPF inlet temperatures and NO2 flow rates, and was higher in the CCRT® configuration compared to the CPF-only configuration due to higher CPF inlet NO2 concentrations. Filtration efficiencies greater than 90% were observed within 90-100 minutes of loading time (starting with a clean filter) in all load cases, due to the fact that the PM cake on the substrate wall forms a very efficient filter. A good strategy for maintaining high filtration efficiency and low pressure drop of the device while performing active regeneration would be to clean the PM cake filter partially (i.e., by retaining a cake layer of 1-2 µm thickness on the substrate wall) and to completely oxidize the PM deposited in the substrate wall. The data presented support this strategy.

Study of the effect of biodiesel fuel on passive oxidation in a catalyzed particulate filter

A 2007 Cummins ISL 8.9L direct-injection common rail diesel engine rated at 272 kW (365 hp) and 317 kW (425 hp) was used to load the filter to 2.2 g/L and passively oxidize particulate matter (PM) within an aftertreatment system consisting of a diesel oxidation catalyst (DOC) and catalyzed particulate filter (CPF). The tests conducted with the engine rated at 365 hp used a 2007 DOC and CPF. The tests conducted with the engine rated at 425 hp used a 2010 DOC and 2007 CPF. Understanding the passive NO2 oxidation kinetics of PM within the CPF allows for reducing the frequency of active regenerations (hydrocarbon injection) and the associated fuel penalties. Modeling the passive oxidation of accumulated PM in the CPF will lead to creating accurate state estimation strategies. The MTU 1-D CPF model will be used to simulate data collected from this study to examine differences in the PM oxidation kinetics when soy methyl ester (SME) biodiesel is used as the source of fuel for the engine, and when the engine is operated at a higher power rating. A test procedure developed by Hutton et al. [1, 2] was modified to improve the ability to model the experimental data and provide additional insight into passively oxidized PM in a partially regenerated CPF. A test procedure was developed to allow PM oxidation rates by NO2 to be determined from engine test cell data. An experimental matrix consisting of CPF inlet temperatures from 250 to 450 °C with varying NOX/PM from 25 to 583and NO2/PM ratios from 5 to 240 was used. SME biodiesel was volumetrically blended with ULSD in 10% (B10) and 20% (B20) portions. This blended fuel was then used to evaluate the effect of biodiesel on passive oxidation rates. Four tests were performed with B10 and four tests with B20. Gathering data to determine the effect of fuel type (ULSD and biodiesel blends) on PM oxidation is the primary goal. The engine used for this testing was then configured to a higher power rating and one of the tests planned was performed. Additional testing is scheduled to take place with ULSD fuel to determine the affect the engine rating has on the PM oxidation. The experimental reaction rates during passive oxidation varied based upon the average CPF temperature, NO2 concentrations, and the NOX/PM ratios for each engine rating and with all fuels. The data analysis requires a high fidelity model that includes NO2 and thermal oxidation mechanisms and back diffusion to determine the details of the PM oxidation process.

Filtration and oxidation characteristics of a diesel oxidation catalyst and a catalyzed particulate filter : development of a 1-D 2-layer model

The emissions, filtration and oxidation characteristics of a diesel oxidation catalyst (DOC) and a catalyzed particulate filter (CPF) in a Johnson Matthey catalyzed continuously regenerating trap (CCRT ®) were studied by using computational models. Experimental data needed to calibrate the models were obtained by characterization experiments with raw exhaust sampling from a Cummins ISM 2002 engine with variable geometry turbocharging (VGT) and programmed exhaust gas recirculation (EGR). The experiments were performed at 20, 40, 60 and 75% of full load (1120 Nm) at rated speed (2100 rpm), with and without the DOC upstream of the CPF. This was done to study the effect of temperature and CPF-inlet NO2 concentrations on particulate matter oxidation in the CCRT ®. A previously developed computational model was used to determine the kinetic parameters describing the oxidation characteristics of HCs, CO and NO in the DOC and the pressure drop across it. The model was calibrated at five temperatures in the range of 280 – 465° C, and exhaust volumetric flow rates of 0.447 – 0.843 act-m3/sec. The downstream HCs, CO and NO concentrations were predicted by the DOC model to within ±3 ppm. The HCs and CO oxidation kinetics in the temperature range of 280 - 465°C and an exhaust volumetric flow rate of 0.447 - 0.843 act-m3/sec can be represented by one ’apparent’ activation energy and pre-exponential factor. The NO oxidation kinetics in the same temperature and exhaust flow rate range can be represented by ’apparent’ activation energies and pre-exponential factors in two regimes. The DOC pressure drop was always predicted within 0.5 kPa by the model. The MTU 1-D 2-layer CPF model was enhanced in several ways to better model the performance of the CCRT ®. A model to simulate the oxidation of particulate inside the filter wall was developed. A particulate cake layer filtration model which describes particle filtration in terms of more fundamental parameters was developed and coupled to the wall oxidation model. To better model the particulate oxidation kinetics, a model to take into account the NO2 produced in the washcoat of the CPF was developed. The overall 1-D 2-layer model can be used to predict the pressure drop of the exhaust gas across the filter, the evolution of particulate mass inside the filter, the particulate mass oxidized, the filtration efficiency and the particle number distribution downstream of the CPF. The model was used to better understand the internal performance of the CCRT®, by determining the components of the total pressure drop across the filter, by classifying the total particulate matter in layer I, layer II, the filter wall, and by the means of oxidation i.e. by O2, NO2 entering the filter and by NO2 being produced in the filter. The CPF model was calibrated at four temperatures in the range of 280 – 465 °C, and exhaust volumetric flow rates of 0.447 – 0.843 act-m3/sec, in CPF-only and CCRT ® (DOC+CPF) configurations. The clean filter wall permeability was determined to be 2.00E-13 m2, which is in agreement with values in the literature for cordierite filters. The particulate packing density in the filter wall had values between 2.92 kg/m3 - 3.95 kg/m3 for all the loads. The mean pore size of the catalyst loaded filter wall was found to be 11.0 µm. The particulate cake packing densities and permeabilities, ranged from 131 kg/m3 - 134 kg/m3, and 0.42E-14 m2 and 2.00E-14 m2 respectively, and are in agreement with the Peclet number correlations in the literature. Particulate cake layer porosities determined from the particulate cake layer filtration model ranged between 0.841 and 0.814 and decreased with load, which is about 0.1 lower than experimental and more complex discrete particle simulations in the literature. The thickness of layer I was kept constant at 20 µm. The model kinetics in the CPF-only and CCRT ® configurations, showed that no ’catalyst effect’ with O2 was present. The kinetic parameters for the NO2-assisted oxidation of particulate in the CPF were determined from the simulation of transient temperature programmed oxidation data in the literature. It was determined that the thermal and NO2 kinetic parameters do not change with temperature, exhaust flow rate or NO2 concentrations. However, different kinetic parameters are used for particulate oxidation in the wall and on the wall. Model results showed that oxidation of particulate in the pores of the filter wall can cause disproportionate decreases in the filter pressure drop with respect to particulate mass. The wall oxidation model along with the particulate cake filtration model were developed to model the sudden and rapid decreases in pressure drop across the CPF. The particulate cake and wall filtration models result in higher particulate filtration efficiencies than with just the wall filtration model, with overall filtration efficiencies of 98-99% being predicted by the model. The pre-exponential factors for oxidation by NO2 did not change with temperature or NO2 concentrations because of the NO2 wall production model. In both CPF-only and CCRT ® configurations, the model showed NO2 and layer I to be the dominant means and dominant physical location of particulate oxidation respectively. However, at temperatures of 280 °C, NO2 is not a significant oxidizer of particulate matter, which is in agreement with studies in the literature. The model showed that 8.6 and 81.6% of the CPF-inlet particulate matter was oxidized after 5 hours at 20 and 75% load in CCRT® configuration. In CPF-only configuration at the same loads, the model showed that after 5 hours, 4.4 and 64.8% of the inlet particulate matter was oxidized. The increase in NO2 concentrations across the DOC contributes significantly to the oxidation of particulate in the CPF and is supplemented by the oxidation of NO to NO2 by the catalyst in the CPF, which increases the particulate oxidation rates. From the model, it was determined that the catalyst in the CPF modeslty increases the particulate oxidation rates in the range of 4.5 – 8.3% in the CCRT® configuration. Hence, the catalyst loading in the CPF of the CCRT® could possibly be reduced without significantly decreasing particulate oxidation rates leading to catalyst cost savings and better engine performance due to lower exhaust backpressures.

Dynamic modeling of active regeneration in catalyzed and non-catalyzed diesel particulate filters

Particulate matter (PM) emissions standards set by the US Environmental Protection Agency (EPA) have become increasingly stringent over the years. The EPA regulation for PM in heavy duty diesel engines has been reduced to 0.01 g/bhp-hr for the year 2010. Heavy duty diesel engines make use of an aftertreatment filtration device, the Diesel Particulate Filter (DPF). DPFs are highly efficient in filtering PM (known as soot) and are an integral part of 2010 heavy duty diesel aftertreatment system. PM is accumulated in the DPF as the exhaust gas flows through it. This PM needs to be removed by oxidation periodically for the efficient functioning of the filter. This oxidation process is also known as regeneration. There are 2 types of regeneration processes, namely active regeneration (oxidation of PM by external means) and passive oxidation (oxidation of PM by internal means). Active regeneration occurs typically in high temperature regions, about 500 - 600 °C, which is much higher than normal diesel exhaust temperatures. Thus, the exhaust temperature has to be raised with the help of external devices like a Diesel Oxidation Catalyst (DOC) or a fuel burner. The O2 oxidizes PM producing CO2 as oxidation product. In passive oxidation, one way of regeneration is by the use of NO2. NO2 oxidizes the PM producing NO and CO2 as oxidation products. The passive oxidation process occurs at lower temperatures (200 - 400 °C) in comparison to the active regeneration temperatures. Generally, DPF substrate walls are washcoated with catalyst material to speed up the rate of PM oxidation. The catalyst washcoat is observed to increase the rate of PM oxidation. The goal of this research is to develop a simple mathematical model to simulate the PM depletion during the active regeneration process in a DPF (catalyzed and non-catalyzed). A simple, zero-dimensional kinetic model was developed in MATLAB. Experimental data required for calibration was obtained by active regeneration experiments performed on PM loaded mini DPFs in an automated flow reactor. The DPFs were loaded with PM from the exhaust of a commercial heavy duty diesel engine. The model was calibrated to the data obtained from active regeneration experiments. Numerical gradient based optimization techniques were used to estimate the kinetic parameters of the model.