Variability and trends in stratospheric NO2 in Antarctic summer, and implications for stratospheric NOy

NO2 measurements during 1990–2007, obtained from a zenith-sky spectrometer in the Antarctic, are analysed to determine the long-term changes in NO2. An atmospheric photochemical box model and a radiative transfer model are used to improve the accuracy of determination of the vertical columns from the slant column measurements, and to deduce the amount of NOy from NO2. We find that the NO2 and NOy columns in midsummer have large inter-annual variability superimposed on a broad maximum in 2000, with little or no overall trend over the full time period. These changes are robust to a variety of alternative settings when determining vertical columns from slant columns or determining NOy from NO2. They may signify similar changes in speed of the Brewer-Dobson circulation but with opposite sign, i.e. a broad minimum around 2000. Multiple regressions show significant correlation with solar and quasi-biennial-oscillation indices, and weak correlation with El Nino, but no significant overall trend, corresponding to an increase in Brewer-Dobson circulation of 1.4±3.5%/decade. There remains an unexplained cycle of amplitude and period at least 15% and 17 years, with minimum speed in about 2000.

Meteorological factors controlling low-level continental pollutant outflow across a coast

Coastal outflow describes the horizontal advection of pollutants from the continental boundary layer across a coastline into a layer above the marine boundary layer. This process can ventilate polluted continental boundary layers and thus regulate air quality in highly populated coastal regions. This paper investigates the factors controlling coastal outflow and quantifies its importance as a ventilation mechanism. Tracers in the Met Office Unified Model (MetUM) are used to examine the magnitude and variability of coastal outflow over the eastern United States for a 4 week period during summer 2004. Over the 4 week period, ventilation of tracer from the continental boundary layer via coastal outflow occurs with the same magnitude as vertical ventilation via convection and advection. The relative importance of tracer decay rate, cross-coastal advection rate, and a parameter based on the relative continental and marine boundary layer heights, on coastal outflow is assessed by reducing the problem to a time-dependent box-model. The ratio of the advection rate and decay rate is a dimensionless parameter which determines whether tracers are long-lived or short-lived. Long- and short-lived tracers exhibit different behaviours with respect to coastal outflow. For short-lived tracers, increasing the advection rate increases the diurnally averaged magnitude of coastal outflow, but has the opposite effect for very long-lived tracers. Short-lived tracers exhibit large diurnal variability in coastal outflow but long-lived tracers do not. By combining the MetUM and box-model simulations a landwidth is determined which represents the distance inland over which emissions contribute significantly to coastal outflow. A landwidth of between 100 and 400 km is found to be representative for a tracer with a lifetime of 24 h.

Ten years of NO2 comparisons between ground-based SAOZ and satellite instruments (GOME, SCIAMACHY, OMI)

SAOZ (Systeme d'Analyse par Observations Zenithales) is a ground-based UV-Visible zenith-sky spectrometer installed between 1988 and 1995 at a number of NDSC stations at various latitudes on the globe. The instrument is providing ozone and NO2 vertical columns at sunrise and sunset using the Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) technique in the visible spectral range. The ERS-2 GOME Ozone Monitoring Experiment (GOME) in 1995 was the first satellite mission to provide a global picture of atmospheric NO 2 with reasonable spatial and temporal resolution. It was then followed by SCanning ImAging spectroMeter for Atmospheric ChartographY (SCIAMACHY) onboard ENVISAT in 2002, and Ozone Monitoring Instrument (OMI) onboard EOS-AURA in 2004, with a similar capacity to monitor total NO 2. All these instruments are nadir viewing mapping spectrometers, applying the DOAS technique in the visible for deriving the NO2 total column. Here we present the results of NO2 long-term comparisons between GOME and SAOZ for the whole period of GOME operation since 1995 at all latitudes - tropics, mid-latitudes and polar regions - in both hemispheres. Comparisons are also shown with the most recently available SCIAMACHY and OMI data in 2004-2005. Overall, the daytime satellite measurements (around noon) are found consistent with sunrise ground-based data, with an average smaller difference at the tropics and mid-latitudes than in the polar areas in the summer. The agreement is even improved after correcting for the NO2 photochemical change between sunrise and the satellite overpass using a box model. However, some seasonal dependence of the difference between ground-based and satellite total NO2 still remains, related to the accuracy of photochemical simulations and the set of NO2 air mass factors used in the retrievals of both systems.

Synthesis and surface modification of semiconductor nanocrystals

The last decade has witnessed an exponential growth of activities in the field of nanoscience and nanotechnology worldwide, driven both by the excitement of understanding new science and by the potential hope for applications and economic impacts. The largest activity in this field up to date has been in the synthesis and characterization of new materials consisting of particles with dimensions in the order of a few nanometers, so-called nanocrystalline materials. [1-8] Semiconductor nanomaterials such as III/V or II/VI compound semiconductors exhibit strong quantum confinement behavior in the size range from 1 to 10 nm. Therefore, preparation of high quality semiconductor nanocrystals has been a challenge for synthetic chemists, leading to the recent rapid progress in delivering a wide variety of semiconducting nanomaterials. Semiconductor nanocrystals, also called quantum dots, possess physical properties distinctly different from those of the bulk material. Typically, in the size range from 1 to 10 nm, when the particle size is changed, the band gap between the valence and the conduction band will change, too. In a simple approximation a particle in a box model has been used to describe the phenomenon[9]: at nanoscale dimensions the degenerate energy states of a semiconductor separate into discrete states and the system behaves like one big molecule. The size-dependent transformation of the energy levels of the particles is called “quantum size-effect”. Quantum confinement of both the electron and hole in all three dimensions leads to an increase in the effective bandgap of the material with decreasing crystallite size. Consequently, both the optical absorption and emission of semiconductor nanaocrystals shift to the blue (higher energies) as the size of the particles gets smaller. This color tuning is well documented for CdSe nanocrystals whose absorption and emission covers almost the whole visible spectral range. As particle sizes become smaller the ratio of surface atoms to those in the interior increases, which has a strong impact on particle properties, too. Prominent examples are the low melting point [8] and size/shape dependent pressure resistance [10] of semiconductor nanocrystals. Given the size dependence of particle properties, chemists and material scientists now have the unique opportunity to change the electronic and chemical properties of a material by simply controlling the particle size. In particular, CdSe nanocrystals have been widely investigated. Mainly due to their size-dependent optoelectronic properties [11, 12] and flexible chemical processibility [13], they have played a distinguished role for a number of seminal studies [11, 12, 14, 15]. Potential technical applications have been discussed, too. [8, 16-27] Improvement of the optoelectronic properties of semiconductor nanocrystals is still a prominent research topic. One of the most important approaches is fabricating composite type-I core-shell structures which exhibit improved properties, making them attractive from both a fundamental and a practical point of view. Overcoating of nanocrystallites with higher band gap inorganic materials has been shown to increase the photoluminescence quantum yields by eliminating surface nonradiative recombination sites. [28] Particles passivated with inorganic shells are more robust than nanocrystals covered by organic ligands only and have greater tolerance to processing conditions necessary for incorporation into solid state structures or for other applications. Some examples of core-shell nanocrystals reported earlier include CdS on CdSe [29], CdSe on CdS, [30], ZnS on CdS, [31] ZnS on CdSe[28, 32], ZnSe on CdSe [33] and CdS/HgS/CdS [34]. The characterization and preparation of a new core-shell structure, CdSe nanocrystals overcoated by different shells (CdS, ZnS), is presented in chapter 4. Type-I core-shell structures as mentioned above greatly improve the photoluminescence quantum yield and chemical and photochemical stability of nanocrystals. The emission wavelengths of type-I core/shell nanocrystals typically only shows a small red-shift when compared to the plain core nanocrystals. [30, 31, 35] In contrast to type-I core-shell nanocrystals, only few studies have been conducted on colloidal type-II core/shell structures [36-38] which are characterized by a staggered alignment of conduction and valence bands giving rise to a broad tunability of absorption and emission wavelengths, as was shown for CdTe/CdSe core-shell nanocrystals. [36] The emission of type-II core/shell nanocrystals mainly originates from the radiative recombination of electron-hole pairs across the core-shell interface leading to a long photoluminescence lifetime. Type-II core/shell nanocrystals are promising with respect to photoconduction or photovoltaic applications as has been discussed in the literature.[39] Novel type-II core-shell structures with ZnTe cores are reported in chapter 5. The recent progress in the shape control of semiconductor nanocrystals opens new fields of applications. For instance, rod shaped CdSe nanocrystals can enhance the photo-electro conversion efficiency of photovoltaic cells, [40, 41] and also allow for polarized emission in light emitting diodes. [42, 43] Shape control of anisotropic nanocrystals can be achieved by the use of surfactants, [44, 45] regular or inverse micelles as regulating agents, [46, 47] electrochemical processes, [48] template-assisted [49, 50] and solution-liquid-solution (SLS) growth mechnism. [51-53] Recently, formation of various CdSe nanocrystal shapes has been reported by the groups of Alivisatos [54] and Peng, [55] respectively. Furthermore, it has been reported by the group of Prasad [56] that noble metal nanoparticles can induce anisotropic growth of CdSe nanocrystals at lower temperatures than typically used in other methods for preparing anisotropic CdSe structures. Although several approaches for anisotropic crystal growth have been reported by now, developing new synthetic methods for the shape control of colloidal semiconductor nanocrystals remains an important goal. Accordingly, we have attempted to utilize a crystal phase control approach for the controllable synthesis of colloidal ZnE/CdSe (E = S, Se, Te) heterostructures in a variety of morphologies. The complex heterostructures obtained are presented in chapter 6. The unique optical properties of nanocrystals make them appealing as in vivo and in vitro fluorophores in a variety of biological and chemical investigations, in which traditional fluorescence labels based on organic molecules fall short of providing long-term stability and simultaneous detection of multiple emission colours [References]. The ability to prepare water soluble nanocrystals with high stability and quantum yield has led to promising applications in cellular labeling, [57, 58] deep-tissue imaging, [59, 60] and assay labeling [61, 62]. Furthermore, appropriately solubilized nanocrystals have been used as donors in fluorescence resonance energy transfer (FRET) couples. [63-65] Despite recent progress, much work still needs to be done to achieve reproducible and robust surface functionalization and develop flexible (bio-) conjugation techniques. Based on multi-shell CdSe nanocrystals, several new solubilization and ligand exchange protocols have been developed which are presented in chapter 7. The organization of this thesis is as follows: A short overview describing synthesis and properties of CdSe nanocrystals is given in chapter 2. Chapter 3 is the experimental part providing some background information about the optical and analytical methods used in this thesis. The following chapters report the results of this work: synthesis and characterization of type-I multi-shell and type-II core/shell nanocrystals are described in chapter 4 and chapter 5, respectively. In chapter 6, a high–yield synthesis of various CdSe architectures by crystal phase control is reported. Experiments about surface modification of nanocrystals are described in chapter 7. At last, a short summary of the results is given in chapter 8.

Synthese und Charakterisierung einer Hydrogelmatrix für die Multianalyt-Sensorik

Gegenstand und Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese und Charakterisierung einer Hydrogelmatrix, welche für die Herstellung eines vielseitig verwendbaren Sensors, der mehrere Analyten (Proteine, DNA etc.) in hoher Verdünnung (c0 < 50 fM) aus kleinsten Probenmengen (Volumina <20 nl) schnell (t < 1 min) und parallel nachweisen kann, Verwendung finden soll. Der Fokus der Arbeit lag dabei in der Synthese und Charakterisierung von Copolymeren als Hydrogelmatrix, welche geeignetes temperaturabhängiges Verhalten zeigen. Die Copolymere wurden in eine dreidimensionale Netzwerkstruktur überführt und auf einer Goldoberfläche kovalent angebunden, um Delamination zu vermeiden und die Untersuchung mittels Oberflächenplasmonenresonanz-Spektroskopie (SPR) und Optischer Wellenleiter-Spektroskopie (OWS) zu erlauben. Weiterhin wurde das temperaturabhängige Verhalten der Polymernetzwerke in Wasser mittels optischen Messungen (SPR/OWS) untersucht, um Erkenntnisse über die Quell- und Kollabiereigenschaften des Hydrogels zu gewinnen. Um temperaturschaltbare Hydrogele herzustellen, wurden auf N-Isopropylacrylamid (NIPAAm) basierende Polymere synthetisiert. Es wurde sowohl die für Hydrogele übliche Methode der freien radikalischen Vernetzungspolymerisation in Wasser, wie eine neue, auf Benzophenoneinheiten basierende Syntheseroute, welche die freie radikalische Polymerisation in organischem Medium nutzt, verwendet. Die synthetisierten Polymere sind Copolymere aus N‑Isopropylacrylamid (NIPAAm) und 4-Methacryloyloxybenzophenon (MABP). NIPAAm ist dabei für das temperaturschaltbare Verhalten der Gele verantwortlich und MABP dient als Photovernetzer. Weitere Copolymere, die neben den genannten Monomeren noch andere Funktionen, wie z.B. ionische Gruppen oder Aktivesterfunktionen enthalten, wurden ebenfalls synthetisiert. Das temperaturabhängige Quellverhalten in Bezug auf die chemische Zusammensetzung wurde mit der Oberflächenplasmonenresonanz-Spektroskopie (SPR) und Optischen Wellenleiter-Spektroskopie (OWS) untersucht. Es zeigte sich, dass die Anwesenheit von Salz im Hydrogel (Natriumacrylat als Monomer, P4S) Inhomogenität, in Form eines Brechungsindexgradienten senkrecht zur Substratoberfläche, hervorruft. Dies ist nicht der Fall, wenn statt des Salzes die Säure (Methacrylsäure als Monomer, P4A) verwendet wird. Durch die Inhomogenität lassen sich die Filme mit dem Natriummethacrylat nicht mehr mit dem, üblicherweise zur Auswertung genutzten, Kastenmodell beschreiben. Die Anwendung der Wentzel-Kramers-Brillouin-Näherung (WKB) auf die Messdaten führt hingegen zu dem gewünschten Ergebnis. Man findet ein kastenähnliches Brechungsindexprofil für das Hydrogel mit der Säure (P4A) und ein Gradientenprofil für das Gel mit dem Salz (P4S). Letzteres ist nicht nur hydrophiler und insgesamt stärker gequollen, sondern ragt auch weiter in die überstehende Wasserphase hinein. Anhand eines säurehaltigen Hydrogels (P8A) konnte der quellungshemmende Einfluss von hohen Salzkonzentrationen gezeigt werden. Weiterhin wurde während des Quellvorgangs eine gewisse Anisotropie gefunden, die aber im vollständig gequollenen und vollständig kollabierten Zustand nicht mehr vorliegt. Anhand eines Hydrogels ohne ionisierbare Gruppen (P9) wurde die Reversibilität des Quell- und Kollabiervorgangs gezeigt. Bei einem Vergleich zwischen einem säurehaltigen Hydrogel (P8A, Quellgrad von 7,3) und einem ohne ionisierbare Gruppen (P9, Quellgrad von 6,1), hat die Anwesenheit der 8 mol% Säuregruppen eine leichte Verstärkung der Quellung um den Faktor 1,2 bewirkt. Rasterkraftmikroskopische Untersuchungen (AFM) an diesen beiden Hydrogelen im getrockneten Zustand, haben gezeigt, dass nach dem Quellen, Kollabieren und Trocknen bei beiden Gelen Porenstrukturen sehr unterschiedlicher Ausmaße vorliegen.

Oxidation photochemistry in the remote marine boundary layer

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

Photochemie der Troposphäre in niedrigen und mittleren Breiten: Die Rolle von Konvektion

Ozon (O3) ist in der Atmosphäre ein wichtiges Oxidanz und Treibhausgas. Während die höchsten Konzentrationen in der Stratosphäre beobachtet werden und die vor der gefährlichen UV-Strahlung schützende Ozonschicht bilden, können sich signifikante Änderungen der Ozon-Konzentration in der Region der Tropopause auf das Klima der Erde auswirken. Des Weiteren ist Ozon eine der Hauptquellen für das Hydroxylradikal (OH) und nimmt damit entscheidend Einfluss auf die Oxidationskraft der Atmosphäre. Der konvektive Transport von Ozon und seinen Vorläufergasen aus Regionen nahe der Erdoberfläche in die freie Troposphäre beeinflusst das Budget dieser Spezies in der Tropopausenregion.rnDie Datengrundlage der Studie in der vorliegenden Arbeit basiert auf den flugzeuggetragenen Messkampagnen GABRIEL 2005 (Suriname, Südamerika) sowie HOOVER I 2006 und HOOVER II 2007 (beide in Europa). Mit dem zur Verfügung stehenden Datensatz wird das Ozonbudget in der freien, unbelasteten Hintergrundatmosphäre und in der durch hochreichende Konvektion gestörten, oberen Troposphäre untersucht. Anhand der auf in-situ Messungen von O3, NO, OH, HO2 und dem aktinischen Strahlungsfluss basierten Berechnung der Netto-Ozonproduktionsrate (NOPR) werden für das Messgebiet Ozontendenzen in der unbelasteten Troposphäre abgeleitet und mit Simulationen des globalen Chemie-Transport-Modells MATCH-MPIC verglichen. Mit Hilfe zweier Fallstudien in den Tropen in Südamerika und den mittleren Breiten in Europa werden die Auswirkungen von hochreichender Konvektion auf die obere Troposphäre quantifiziert.rnDie Ergebnisse zeigen für die Grenzschicht in niedrigen und mittleren Breiten eine eindeutige Tendenz zur Produktion von Ozon, was für den tropischen Regenwald in der Messregion nicht der allgemeinen Erwartung entsprach, nach der diese Region durch die Zerstörung von Ozon charakterisiert sein sollte. In der oberen Troposphäre ab etwa 7 km wird für die beiden Regionen eine leichte Tendenz zur Ozonproduktion beobachtet. Signifikante Unterschiede zeigen die Ergebnisse für die mittlere Troposphäre. Während die Tropen in dieser Region durch eine eindeutige Tendenz zur Zerstörung von Ozon charakterisiert sind, lässt sich über den mittleren Breiten zwar eine hohe photochemische Aktivität aber keine derart klare Tendenz feststellen. Die hohen Breiten zeichnen sich durch eine neutrale Troposphäre in Bezug auf die Ozontendenz aus und weisen kaum photochemische Aktivität auf. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit dem MATCH-MPIC Modell zeigt in weiten Teilen der Messregionen eine grundlegende Übereinstimmung in der Tendenz zur Produktion oder Zerstörung von Ozon. Die absoluten Werte werden vom Modell aber generell unterschätzt. Signifikante Unterschiede zwischen in-situ Daten und Modellsimulationen werden in der Grenzschicht über dem tropischen Regenwald identifiziert.rnDer Einfluss der Konvektion ist durch eine signifikant erhöhte NOPR gekennzeichnet. In dieser Arbeit wird in den Tropen mit einem Median-Wert von 0.20 ppbv h−1 eine um den Faktor 3.6 erhöhte NOPR im Vergleich zur ungestörten oberen Troposphäre abgeschätzt. In den mittleren Breiten führt die um eine Größenordnung höhere NO-Konzentration zu einem Wert von 1.89 ppbv h−1, was einer Überhöhung um einen Faktor 6.5 im Vergleich zum ungestörten Zustand entspricht. Diese Ergebnisse zeigen für beide Regionen in der oberen Troposphäre eine erhöhte Ozonproduktion als Folge konvektiver Aktivität. rnrnHochreichende Konvektion ist zudem ein sehr effektiver Mechanismus für den Vertikaltransport aus der Grenzschicht in die obere Troposphäre. Die schnelle Hebung in konvektiven Wolken führt bei Spurengasen mit Quellen an der Erdoberfläche zu einer Erhöhung ihrer Konzentration in der oberen Troposphäre. Die hochgradig löslichen Spurenstoffe Formaldehyd (HCHO) und Wasserstoffperoxid (H2O2) sind wichtige Vorläufergase der HOx-Radikale. Es wird angenommen, dass sie aufgrund ihrer Löslichkeit in Gewitterwolken effektiv ausgewaschen werden.rnIn der vorliegenden Arbeit wird eine Fallstudie von hochreichender Konvektion im Rahmen des HOOVER II Projekts im Sommer 2007 analysiert. Am 19.07.2007 entwickelten sich am Nachmittag am Südostrand eines in nordöstlicher Richtung ziehenden mesoskaligen konvektiven Systems drei zunächst isolierte konvektive Zellen. Flugzeuggetragene Messungen in der Aus- und der Einströmregion einer dieser Gewitterzellen stellen einen exzellenten Datensatz bereit, um die Auswirkungen von hochreichender Konvektion auf die Verteilung verschiedener Spurengase in der oberen Troposphäre zu untersuchen. Der Vergleich der Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid (CO) und Methan (CH4) zwischen der oberen Troposphäre und der Grenzschicht deutet auf einen nahezu unverdünnten Transport dieser langlebigen Spezies in der konvektiven Zelle hin. Die Verhältnisse betragen (0.94±0.04) für CO und (0.99±0.01) für CH4. Für die löslichen Spezies HCHO und H2O2 beträgt dieses Verhältnis in der Ausströmregion (0.55±0.09) bzw. (0.61±0.08). Dies ist ein Indiz dafür, dass diese Spezies nicht so effektiv ausgewaschen werden wie angenommen. Zum besseren Verständnis des Einflusses der Konvektion auf die Budgets dieser Spezies in der oberen Troposphäre wurden im Rahmen dieser Arbeit Boxmodell-Studien für den Beitrag der photochemischen Produktion in der Ausströmregion durchgeführt, wobei die gemessenen Spezies und Photolysefrequenzen als Randbedingungen dienten. Aus den Budgetbetrachtungen für HCHO und H2O2 wird eine Auswascheffizienz von (67±24) % für HCHO und (41±18) % für H2O2 abgeschätzt. Das für H2O2 überraschende Ergebnis lässt darauf schließen, dass dieses Molekül in einer Gewitterwolke deutlich effektiver transportiert werden kann, als aufgrund seiner hohen Löslichkeit aus der Henry-Konstanten zu erwarten wäre. Das Ausgasen von gelöstem H2O2 beim Gefrieren eines Wolkentropfens, d.h. ein Retentionskoeffizient kleiner 1, ist ein möglicher Mechanismus, der zum beobachteten Mischungsverhältnis dieser löslichen Spezies in der Ausströmregion beitragen kann.

The oxidation capacity of the atmosphere - OH and HO 2 radical measurements in a boreal forest environment using laser induced fluorescence spectroscopy

Das wichtigste Oxidationsmittel für den Abbau flüchtiger Kohlenwasserstoffverbindungen (VOC, engl.: volatile organic compounds) in der Atmosphäre ist das Hydroxylradikal (OH), welches sich in einem schnellen chemischen Gleichgewicht mit dem Hydroperoxylradical (HO2) befindet. Bisherige Messungen und Modellvergleiche dieser Radikalspezies in Waldgebieten haben signifikante Lücken im Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse aufgezeigt.rnIm Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Messungen von OH- und HO2-Radikalen mittelsrnlaserinduzierten Fluoreszensmesstechnik (LIF, engl.: laser-induced fluorescence) in einem Nadelwald in Süd-Finnland während der Messkampagne HUMPPA–COPEC–2010 (Hyytiälä United Measurements of Photochemistry and Particles in Air – Comprehensive Organic Precursor Emission and Concentration study) im Sommer 2010 durchgeführt. Unterschiedliche Komponenten des LIF-Instruments wurden verbessert. Eine modifizierte Methode zur Bestimmung des Hintergrundsignals (engl.: InletPreInjector technique) wurde in den Messaufbaurnintegriert und erstmals zur Messung von atmosphärischem OH verwendet. Vergleichsmessungen zweier Instrumente basierend auf unterschiedlichen Methoden zur Messung von OH-Radikalen, chemische Ionisationsmassenspektrometrie (CIMS - engl.: chemical ionization mass spectrometry) und LIF-Technik, zeigten eine gute Übereinstimmung. Die Vergleichsmessungen belegen das Vermögen und die Leistungsfähigkeit des modifizierten LIF-Instruments atmosphärische OH Konzentrationen akkurat zu messen. Nachfolgend wurde das LIF-Instrument auf der obersten Plattform eines 20m hohen Turmes positioniert, um knapp oberhalb der Baumkronen die Radikal-Chemie an der Schnittstelle zwischen Ökosystem und Atmosphäre zu untersuchen. Umfangreiche Messungen - dies beinhaltet Messungen der totalen OH-Reaktivität - wurden durchgeführt und unter Verwendung von Gleichgewichtszustandsberechnungen und einem Boxmodell, in welches die gemessenen Daten als Randbedingungen eingehen, analysiert. Wenn moderate OH-Reaktivitäten(k′(OH)≤ 15 s−1) vorlagen, sind OH-Produktionsraten, die aus gemessenen Konzentrationen von OH-Vorläuferspezies berechnet wurden, konsistent mit Produktionsraten, die unter der Gleichgewichtsannahme von Messungen des totalen OH Verlustes abgeleitet wurden. Die primären photolytischen OH-Quellen tragen mit einem Anteil von bis zu einem Drittel zur Gesamt-OH-Produktion bei. Es wurde gezeigt, dass OH-Rezyklierung unter Bedingungen moderater OH-Reaktivität hauptsächlich durch die Reaktionen von HO2 mit NO oder O3 bestimmt ist. Während Zeiten hoher OH-Reaktivität (k′(OH) > 15 s−1) wurden zusätzliche Rezyklierungspfade, die nicht über die Reaktionen von HO2 mit NO oder O3, sondern direkt OH bilden, aufgezeigt.rnFür Hydroxylradikale stimmen Boxmodell-Simulationen und Messungen gut übereinrn(OHmod/OHobs=1.04±0.16), während HO2-Mischungsverhältnisse in der Simulation signifikant unterschätzt werden (HO2mod/HO2obs=0.3±0.2) und die simulierte OH-Reaktivität nicht mit der gemessenen OH-Reaktivität übereinstimmt. Die gleichzeitige Unterschätzung der HO2-Mischungsverhältnisse und der OH-Reaktivität, während OH-Konzentrationen von der Simulation gut beschrieben werden, legt nahe, dass die fehlende OH-Reaktivität in der Simulation eine noch unberücksichtigte HO2-Quelle darstellt. Zusätzliche, OH-unabhängigernRO2/HO2-Quellen, wie z.B. der thermische Zerfall von herantransportiertem peroxyacetylnitrat (PAN) und die Photolyse von Glyoxal sind indiziert.

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.

Climate and chemistry effects of a regional scale nuclear conflict

Previous studies have highlighted the severity of detrimental effects for life on earth after an assumed regionally limited nuclear war. These effects are caused by climatic, chemical and radiative changes persisting for up to one decade. However, so far only a very limited number of climate model simulations have been performed, giving rise to the question how realistic previous computations have been. This study uses the coupled chemistry climate model (CCM) SOCOL, which belongs to a different family of CCMs than previously used, to investigate the consequences of such a hypothetical nuclear conflict. In accordance with previous studies, the present work assumes a scenario of a nuclear conflict between India and Pakistan, each applying 50 warheads with an individual blasting power of 15 kt ("Hiroshima size") against the major population centers, resulting in the emission of tiny soot particles, which are generated in the firestorms expected in the aftermath of the detonations. Substantial uncertainties related to the calculation of likely soot emissions, particularly concerning assumptions of target fuel loading and targeting of weapons, have been addressed by simulating several scenarios, with soot emissions ranging from 1 to 12 Tg. Their high absorptivity with respect to solar radiation leads to a rapid self-lofting of the soot particles into the strato- and mesosphere within a few days after emission, where they remain for several years. Consequently, the model suggests earth's surface temperatures to drop by several degrees Celsius due to the shielding of solar irradiance by the soot, indicating a major global cooling. In addition, there is a substantial reduction of precipitation lasting 5 to 10 yr after the conflict, depending on the magnitude of the initial soot release. Extreme cold spells associated with an increase in sea ice formation are found during Northern Hemisphere winter, which expose the continental land masses of North America and Eurasia to a cooling of several degrees. In the stratosphere, the strong heating leads to an acceleration of catalytic ozone loss and, consequently, to enhancements of UV radiation at the ground. In contrast to surface temperature and precipitation changes, which show a linear dependence to the soot burden, there is a saturation effect with respect to stratospheric ozone chemistry. Soot emissions of 5 Tg lead to an ozone column reduction of almost 50% in northern high latitudes, while emitting 12 Tg only increases ozone loss by a further 10%. In summary, this study, though using a different chemistry climate model, corroborates the previous investigations with respect to the atmospheric impacts. In addition to these persistent effects, the present study draws attention to episodically cold phases, which would likely add to the severity of human harm worldwide. The best insurance against such a catastrophic development would be the delegitimization of nuclear weapons.

Impact of geomagnetic excursions on atmospheric chemistry and dynamics

Geomagnetic excursions, i.e. short periods in time with much weaker geomagnetic fields and substantial changes in the position of the geomagnetic pole, occurred repeatedly in the Earth's history, e.g. the Laschamp event about 41 kyr ago. Although the next such excursion is certain to come, little is known about the timing and possible consequences for the state of the atmosphere and the ecosystems. Here we use the global chemistry climate model SOCOL-MPIOM to simulate the effects of geomagnetic excursions on atmospheric ionization, chemistry and dynamics. Our simulations show significantly increased concentrations of nitrogen oxides (NOx) in the entire stratosphere, especially over Antarctica (+15%), due to enhanced ionization by galactic cosmic rays. Hydrogen oxides (HOx) are also produced in greater amounts (up to +40%) in the tropical and subtropical lower stratosphere, while their destruction by reactions with enhanced NOx prevails over the poles and in high altitudes (by −5%). Stratospheric ozone concentrations decrease globally above 20 km by 1–2% and at the northern hemispheric tropopause by up to 5% owing to the accelerated NOx-induced destruction. A 5% increase is found in the southern lower stratosphere and troposphere. In response to these changes in ozone and the concomitant changes in atmospheric heating rates, the Arctic vortex intensifies in boreal winter, while the Antarctic vortex weakens in austral winter and spring. Surface wind anomalies show significant intensification of the southern westerlies at their poleward edge during austral winter and a pronounced northward shift in spring. Major impacts on the global climate seem unlikely.

The coupled atmosphere–chemistry–ocean model SOCOL-MPIOM

The newly developed atmosphere–ocean-chemistry-climate model SOCOL-MPIOM is presented by demonstrating the influence of the interactive chemistry module on the climate state and the variability. Therefore, we compare pre-industrial control simulations with (CHEM) and without (NOCHEM) interactive chemistry. In general, the influence of the chemistry on the mean state and the variability is small and mainly restricted to the stratosphere and mesosphere. The largest differences are found for the atmospheric dynamics in the polar regions, with slightly stronger northern and southern winter polar vortices in CHEM. The strengthening of the vortex is related to larger stratospheric temperature gradients, which are attributed to a parametrization of the absorption of ozone and oxygen in the Lyman-alpha, Schumann–Runge, Hartley, and Higgins bands. This effect is parametrized in the version with interactive chemistry only. A second reason for the temperature differences between CHEM and NOCHEM is related to diurnal variations in the ozone concentrations in the higher atmosphere, which are missing in NOCHEM. Furthermore, stratospheric water vapour concentrations differ substantially between the two experiments, but their effect on the temperatures is small. In both setups, the simulated intensity and variability of the northern polar vortex is inside the range of present day observations. Sudden stratospheric warming events are well reproduced in terms of their frequency, but the distribution amongst the winter months is too uniform. Additionally, the performance of SOCOL-MPIOM under changing external forcings is assessed for the period 1600–2000 using an ensemble of simulations driven by a spectral solar forcing reconstruction. The amplitude of the reconstruction is large in comparison to other state-of-the-art reconstructions, providing an upper limit for the importance of the solar signal. In the pre-industrial period (1600–1850) the simulated surface temperature trends are in reasonable agreement with temperature reconstructions, although the multi-decadal variability is more pronounced. This enhanced variability can be attributed to the variability in the solar forcing. The simulated temperature reductions during the Maunder Minimum are in the lowest probability range of the proxy records. During the Dalton Minimum, when also volcanic forcing is an important driver of temperature variations, the agreement is better. In the industrial period from 1850 onward SOCOL-MPIOM overestimates the temperature increase in comparison to observational data sets. Sensitivity simulations show that this overestimation can be attributed to the increasing trend in the solar forcing reconstruction that is used in this study and an additional warming induced by the simulated ozone changes.

Modeling the formation and aging of secondary organic aerosols during CalNex 2010

Four different literature parameterizations for the formation and evolution of urban secondary organic aerosol (SOA) frequently used in 3-D models are evaluated using a 0-D box model representing the Los Angeles metropolitan region during the California Research at the Nexus of Air Quality and Climate Change (CalNex) 2010 campaign. We constrain the model predictions with measurements from several platforms and compare predictions with particle- and gas-phase observations from the CalNex Pasadena ground site. That site provides a unique opportunity to study aerosol formation close to anthropogenic emission sources with limited recirculation. The model SOA that formed only from the oxidation of VOCs (V-SOA) is insufficient to explain the observed SOA concentrations, even when using SOA parameterizations with multi-generation oxidation that produce much higher yields than have been observed in chamber experiments, or when increasing yields to their upper limit estimates accounting for recently reported losses of vapors to chamber walls. The Community Multiscale Air Quality (WRF-CMAQ) model (version 5.0.1) provides excellent predictions of secondary inorganic particle species but underestimates the observed SOA mass by a factor of 25 when an older VOC-only parameterization is used, which is consistent with many previous model–measurement comparisons for pre-2007 anthropogenic SOA modules in urban areas. Including SOA from primary semi-volatile and intermediate-volatility organic compounds (P-S/IVOCs) following the parameterizations of Robinson et al. (2007), Grieshop et al. (2009), or Pye and Seinfeld (2010) improves model–measurement agreement for mass concentration. The results from the three parameterizations show large differences (e.g., a factor of 3 in SOA mass) and are not well constrained, underscoring the current uncertainties in this area. Our results strongly suggest that other precursors besides VOCs, such as P-S/IVOCs, are needed to explain the observed SOA concentrations in Pasadena. All the recent parameterizations overpredict urban SOA formation at long photochemical ages (3 days) compared to observations from multiple sites, which can lead to problems in regional and especially global modeling. However, reducing IVOC emissions by one-half in the model to better match recent IVOC measurements improves SOA predictions at these long photochemical ages. Among the explicitly modeled VOCs, the precursor compounds that contribute the greatest SOA mass are methylbenzenes. Measured polycyclic aromatic hydrocarbons (naphthalenes) contribute 0.7% of the modeled SOA mass. The amounts of SOA mass from diesel vehicles, gasoline vehicles, and cooking emissions are estimated to be 16–27, 35–61, and 19–35 %, respectively, depending on the parameterization used, which is consistent with the observed fossil fraction of urban SOA, 71(+-3) %. The relative contribution of each source is uncertain by almost a factor of 2 depending on the parameterization used. In-basin biogenic VOCs are predicted to contribute only a few percent to SOA. A regional SOA background of approximately 2.1 μgm-3 is also present due to the long-distance transport of highly aged OA, likely with a substantial contribution from regional biogenic SOA. The percentage of SOA from diesel vehicle emissions is the same, within the estimated uncertainty, as reported in previous work that analyzed the weekly cycles in OA concentrations (Bahreini et al., 2012; Hayes et al., 2013). However, the modeling work presented here suggests a strong anthropogenic source of modern carbon in SOA, due to cooking emissions, which was not accounted for in those previous studies and which is higher on weekends. Lastly, this work adapts a simple two-parameter model to predict SOA concentration and O/C from urban emissions. This model successfully predicts SOA concentration, and the optimal parameter combination is very similar to that found for Mexico City. This approach provides a computationally inexpensive method for predicting urban SOA in global and climate models. We estimate pollution SOA to account for 26 Tg yr-1 of SOA globally, or 17% of global SOA, one third of which is likely to be non-fossil.

Evaluating atmospheric methane inversion model results for Pallas, northern Finland

A state-of-the-art inverse model, CarbonTracker Data Assimilation Shell (CTDAS), was used to optimize estimates of methane (CH4) surface fluxes using atmospheric observations of CH4 as a constraint. The model consists of the latest version of the TM5 atmospheric chemistry-transport model and an ensemble Kalman filter based data assimilation system. The model was constrained by atmospheric methane surface concentrations, obtained from the World Data Centre for Greenhouse Gases (WDCGG). Prior methane emissions were specified for five sources: biosphere, anthropogenic, fire, termites and ocean, of which bio-sphere and anthropogenic emissions were optimized. Atmospheric CH 4 mole fractions for 2007 from northern Finland calculated from prior and optimized emissions were compared with observations. It was found that the root mean squared errors of the posterior esti - mates were more than halved. Furthermore, inclusion of NOAA observations of CH 4 from weekly discrete air samples collected at Pallas improved agreement between posterior CH 4 mole fraction estimates and continuous observations, and resulted in reducing optimized biosphere emissions and their uncertainties in northern Finland.

Effects of Surface Forcing on Interannual Variability of the Fall Phytoplankton Bloom in the Gulf of Maine Revealed Using a Process-Oriented Model

SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor) chlorophyll data revealed strong interannual variability in fall phytoplankton dynamics in the Gulf of Maine, with 3 general features in any one year: (1) rapid chlorophyll increases in response to storm events in fall; (2) gradual chlorophyll increases in response to seasonal wind-and cooling-induced mixing that gradually deepens the mixed layer; and (3) the absence of any observable fall bloom. We applied a mixed-layer box model and a 1-dimensional physical-biological numerical model to examine the influence of physical forcing (surface wind, heat flux, and freshening) on the mixed-layer dynamics and its impact on the entrainment of deep-water nutrients and thus on the appearance of fall bloom. The model results suggest that during early fall, the surface mixed-layer depth is controlled by both wind-and cooling-induced mixing. Strong interannual variability in mixed-layer depth has a direct impact on short-and long-term vertical nutrient fluxes and thus the fall bloom. Phytoplankton concentrations over time are sensitive to initial pre-bloom profiles of nutrients. The strength of the initial stratification can affect the modeled phytoplankton concentration, while the timing of intermittent freshening events is related to the significant interannual variability of fall blooms.