Microbial formation of nitrous acid and its exchange processes between soils and atmosphere

Salpetrige Säure (HONO) ist eine wichtige Form von reaktivem Stickstoff, die aufgrund ihrer Photolyse zu Stickstoffmonoxid (NO) und dem Hydroxylradikal (OH), sehr kurzlebig ist. Ein genaues Verständnis der Quellen und Senken von HONO ist eine grundlegende Voraussetzung, um dessen Einfluss auf die Umwelt zu beurteilen. Allerdings wird immer noch nach einer starken HONO-Quelle am Tag gesucht und nächtliche HONO-Deposition auf den Boden wurde bisher stets nur postuliert. Diese Dissertation folgt der Zielsetzung die Prozesse der HONO-Aufnahme und Freisetzung von Böden aufzudecken und die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen.rnUm die Rolle von HONO-Bodenemissionen zu quantifizieren, wurden 17 Böden in einem dynamischen Kammersystem untersucht. Es konnten HONO-Emissionen derselben Größenordnung wie die bereits gut untersuchten NO-Emissionen festgestellt werden. Unerwarteter Weise wurden die stärksten Emissionen bei Böden mit neutralem pH aus ariden und landwirt¬schaftlichen Gebieten beobachtet. Die Temperaturabhängigkeit der Bodenemissionen von HONO und NO führten zu der Annahme einer mikrobiellen Freisetzung von HONO, welche durch Reinkulturexperimente mit dem ammoniumoxidierenden Bakterium Nitrosomonas europaea bestätigt werden konnte. Ein konzeptionelles Model für die Freisetzung reaktiver Stickstoffverbindungen aus Böden in Abhängigkeit des Bodenwassergehaltes wurde um HONO-Emissionen erweitert.rnDurch Nachweise mittels Reinkultur- und Inhibitionsexperimenten konnten weitere Untersuchungen der bakteriellen Freisetzung von HONO aus Böden zeigen, dass innerhalb der bakteriellen Nitrifikation nur ammoniumoxidierende Bakterien zur Emission von HONO fähig sind. Durch kontrolliert initiierte Zelllyse konnte gezeigt werden, dass intrazellulär akkumuliertes Hydroxylamin (NH2OH) für die HONO-Freisetzung verantwortlich sind. Zum ersten Mal wurde NH2OH in der Gasphase nachgewiesen und dass dieses über den gesamten Bodenfeuchtebereich von ammoniumoxidierenden Bakterien freigesetzt wird. Es wurde gezeigt, dass die heterogene Reaktion von NH2OH mit Wasserdampf auf einer Glasperlenoberfläche HONO bildet. Diese Reaktion erklärt die beobachtete Freisetzung von HONO bei niedrigen Bodenfeuchten, da nur dann die Oberfläche zur Reaktion zur Verfügung steht und nicht von Wasser bedeckt ist.rnEine 15N Isotopenmarkierungsmethode wurde entwickelt um isotopenmarkiertes gasförmiges HONO zu messen, was die Untersuchung der Bildungsprozesse von HONO und dessen Rolle in biogeochemischen Zyklen ermöglicht. Die Anwendung dieser neuen Methode auf eine Bodenprobe die mit 15N Harnstoff angereichert und in einem dynamischen Kammersystem untersucht wurde, bestätigt die obigen Ergebnisse einer starken mikrobiellen Beteiligung von Bodenbakterien zur HONO Freisetzung.rnBidirektionale Flüsse von HONO wurden für sechs untersuchte Bodenproben gefunden. Die Richtung der Flüsse hängt dabei vom Umgebungsmischungsverhältnis von HONO und dem Bodenwassergehalt ab. Eine wichtige Größe, die die bidirektionalen Flüsse von HONO beschreibt, ist das „Ökosystem spezifische Kompensationsmischungsverhältnis von HONO“, χcomp. Dieser neue Begriff wurde definiert und eingeführt, da die verschiedenen in den Bodenaustausch von HONO involvierten Prozesse nicht mit dem klassischen Kompensationspunktkonzept kompatibel sind. Die Untersuchungen bestätigen neueste Feldbeobachtungen, dass HONO, welches bei hohen Umgebungsmischungsverhältnissen vom Boden adsorbiert wird, bei niedrigen Mischungsverhält-nissen wieder vom Boden desorbiert wird. Folglich wird nächtlich akkumuliertes HONO tagsüber in eine Quelle für HONO umgewandelt. Vier Prozesse - Verteilung von HONO zwischen Gas- und Flüssigphase nach Henrys Gesetz, bakterielle HONO Bildung aus NH2OH, Adsorption und Desorption von HONO - und deren Dominanz in speziellen Bodenfeuchtebereichen wurden identifiziert. Dadurch wurde ein konzeptionelles Model für die Prozesse, die in Aufnahme und Freisetzung von HONO aus Böden involviert sind, als Funktion der Bodenfeuchte entwickelt.rnZusammenfassend hat diese Dissertation die entscheidenden Prozesse im Austausch von HONO zwischen Boden und Atmosphäre aufgeklärt und den der bakteriellen HONO Bildung zugrunde liegenden Mechanismus aufgedeckt. Es konnte gezeigt werden, dass Böden sowohl eine wichtige Quelle als auch eine Senke für HONO sind und sollten folglich in zukünftigen Feldmessungen stärker berücksichtigt werden.rn

Design and prototyping of electronic PCBs for the study of the atmosphere in harsh environmental conditions

Progettazione, test e creazione di schede elettroniche per lo studio dell'atmosfera in condizioni ambientali difficili.

Retrieval simulations of the vertical profiles of water vapour and other chemical species in the Martian atmosphere using PACS

Water vapour, despite being a minor constituent in the Martian atmosphere with its precipitable amount of less than 70 pr. μm, attracts considerable attention in the scientific community because of its potential importance for past life on Mars. The partial pressure of water vapour is highly variable because of its seasonal condensation onto the polar caps and exchange with a subsurface reservoir. It is also known to drive photochemical processes: photolysis of water produces H, OH, HO2 and some other odd hydrogen compounds, which in turn destroy ozone. Consequently, the abundance of water vapour is anti-correlated with ozone abundance. The Herschel Space Observatory provides for the first time the possibility to retrieve vertical water profiles in the Martian atmosphere. Herschel will contribute to this topic with its guaranteed-time key project called "Water and related chemistry in the solar system". Observations of Mars by Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) and Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) onboard Herschel are planned in the frame of the programme. HIFI with its high spectral resolution enables accurate observations of vertically resolved H2O and temperature profiles in the Martian atmosphere. Unlike HIFI, PACS is not capable of resolving the line-shape of molecular lines. However, our present study of PACS observations for the Martian atmosphere shows that the vertical sensitivity of the PACS observations can be improved by using multiple-line observations with different line opacities. We have investigated the possibility of retrieving vertical profiles of temperature and molecular abundances of minor species including H2O in the Martian atmosphere using PACS. In this paper, we report that PACS is able to provide water vapour vertical profiles for the Martian atmosphere and we present the expected spectra for future PACS observations. We also show that the spectral resolution does not allow the retrieval of several studied minor species, such as H2O2, HCl, NO, SO2, etc.

Do Hydroxyl Radical−Water Clusters, OH(H2O)n, n = 1−5, Exist in the Atmosphere?

It has been speculated that the presence of OH(H2O)n clusters in the troposphere could have significant effects on the solar absorption balance and the reactivity of the hydroxyl radical. We have used the G3 and G3B3 model chemistries to model the structures and predict the frequencies of hydroxyl radical/water clusters containing one to five water molecules. The reaction between hydroxyl radical clusters and methane was examined as a function of water cluster size to gain an understanding of how cluster size affects the hydroxyl radical reactivity.

PBDEs in the atmosphere over the Asian marginal seas, and the Indian and Atlantic oceans

Air samples were collected from Jan 16 to Mar 14, 2008 onboard the Oceanic II- The Scholar Ship which navigated an east–west transect from Shanghai to Cape Verde, and polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) were analyzed in these samples. PBDE concentrations in the atmosphere over the open seas were influenced by proximity to source areas and land, and air mass origins. The concentrations of Σ21PBDEs over the East and South China Seas, the Bay of Bengal and the Andaman Sea, the Indian Ocean, and the Atlantic Ocean were 10.8 ± 6.13, 3.22 ± 1.57, 5.12 ± 3.56, and 2.87 ± 1.81 pg m−3, respectively. BDE-47 and -99 were the dominant congeners in all the samples, suggesting that the widely used commercial penta-BDE products were the original sources. Over some parts of Atlantic and Indian Ocean, daytime concentrations of BDE-47 and BDE-99 were higher than the concentrations at night. The strong atmospheric variability does not always coincide with a diurnal cycle, but the variability in air concentrations in such remote areas of the ocean remains strong. No significant trends were found for each of PBDE congener with latitude.

Measurements of Humidity in the Atmosphere and Validation Experiments MOHAVE-2009; overview of campaign operations and results

The Measurements of Humidity in the Atmosphere and Validation Experiment (MOHAVE) 2009 campaign took place on 11–27 October 2009 at the JPL Table Mountain Facility in California (TMF). The main objectives of the campaign were to (1) validate the water vapor measurements of several instruments, including, three Raman lidars, two microwave radiometers, two Fourier-Transform spectrometers, and two GPS receivers (column water), (2) cover water vapor measurements from the ground to the mesopause without gaps, and (3) study upper tropospheric humidity variability at timescales varying from a few minutes to several days. A total of 58 radiosondes and 20 Frost-Point hygrometer sondes were launched. Two types of radiosondes were used during the campaign. Non negligible differences in the readings between the two radiosonde types used (Vaisala RS92 and InterMet iMet-1) made a small, but measurable impact on the derivation of water vapor mixing ratio by the Frost-Point hygrometers. As observed in previous campaigns, the RS92 humidity measurements remained within 5% of the Frost-point in the lower and mid-troposphere, but were too dry in the upper troposphere. Over 270 h of water vapor measurements from three Raman lidars (JPL and GSFC) were compared to RS92, CFH, and NOAA-FPH. The JPL lidar profiles reached 20 km when integrated all night, and 15 km when integrated for 1 h. Excellent agreement between this lidar and the frost-point hygrometers was found throughout the measurement range, with only a 3% (0.3 ppmv) mean wet bias for the lidar in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS). The other two lidars provided satisfactory results in the lower and mid-troposphere (2–5% wet bias over the range 3–10 km), but suffered from contamination by fluorescence (wet bias ranging from 5 to 50% between 10 km and 15 km), preventing their use as an independent measurement in the UTLS. The comparison between all available stratospheric sounders allowed to identify only the largest biases, in particular a 10% dry bias of the Water Vapor Millimeter-wave Spectrometer compared to the Aura-Microwave Limb Sounder. No other large, or at least statistically significant, biases could be observed. Total Precipitable Water (TPW) measurements from six different co-located instruments were available. Several retrieval groups provided their own TPW retrievals, resulting in the comparison of 10 different datasets. Agreement within 7% (0.7 mm) was found between all datasets. Such good agreement illustrates the maturity of these measurements and raises confidence levels for their use as an alternate or complementary source of calibration for the Raman lidars. Tropospheric and stratospheric ozone and temperature measurements were also available during the campaign. The water vapor and ozone lidar measurements, together with the advected potential vorticity results from the high-resolution transport model MIMOSA, allowed the identification and study of a deep stratospheric intrusion over TMF. These observations demonstrated the lidar strong potential for future long-term monitoring of water vapor in the UTLS.