Can we trust simple marine DMS parameterisations within complex climate models?

Dimethylsulphide (DMS) is a globally important aerosol precurser. In 1987 Charlson and others proposed that an increase in DMS production by certain phytoplankton species in response to a warming climate could stimulate increased aerosol formation, increasing the lower-atmosphere's albedo, and promoting cooling. Despite two decades of research, the global significance of this negative climate feedback remains contentious. It is therefore imperative that schemes are developed and tested, which allow for the realistic incorporation of phytoplankton DMS production into Earth System models. Using these models we can investigate the DMS-climate feedback and reduce uncertainty surrounding projections of future climate. Here we examine two empirical DMS parameterisations within the context of an Earth System model and find them to perform marginally better than the standard DMS climatology at predicting observations from an independent global dataset. We then question whether parameterisations based on our present understanding of DMS production by phytoplankton, and simple enough to incorporate into global climate models, can be shown to enhance the future predictive capacity of those models. This is an important question to ask now, as results from increasingly complex Earth System models lead us into the 5th assessment of climate science by the Intergovernmental Panel on Climate Change. Comparing observed and predicted inter-annual variability, we suggest that future climate projections may underestimate the magnitude of surface ocean DMS change. Unfortunately this conclusion relies on a relatively small dataset, in which observed inter-annual variability may be exaggerated by biases in sample collection. We therefore encourage the observational community to make repeat measurements of sea-surface DMS concentrations an important focus, and highlight areas of apparent high inter-annual variability where sampling might be carried out. Finally, we assess future projections from two similarly valid empirical DMS schemes, and demonstrate contrasting results. We therefore conclude that the use of empirical DMS parameterisations within simulations of future climate should be undertaken only with careful appreciation of the caveats discussed.

Results from the CERN pilot CLOUD experiment

During a 4-week run in October–November 2006, a pilot experiment was performed at the CERN Proton Synchrotron in preparation for the Cosmics Leaving OUtdoor Droplets (CLOUD) experiment, whose aim is to study the possible influence of cosmic rays on clouds. The purpose of the pilot experiment was firstly to carry out exploratory measurements of the effect of ionising particle radiation on aerosol formation from trace H2SO4 vapour and secondly to provide technical input for the CLOUD design. A total of 44 nucleation bursts were produced and recorded, with formation rates of particles above the 3 nm detection threshold of between 0.1 and 100 cm−3 s−1, and growth rates between 2 and 37 nm h−1. The corresponding H2SO4 concentrations were typically around 106 cm−3 or less. The experimentally-measured formation rates and H2SO4 concentrations are comparable to those found in the atmosphere, supporting the idea that sulphuric acid is involved in the nucleation of atmospheric aerosols. However, sulphuric acid alone is not able to explain the observed rapid growth rates, which suggests the presence of additional trace vapours in the aerosol chamber, whose identity is unknown. By analysing the charged fraction, a few of the aerosol bursts appear to have a contribution from ion-induced nucleation and ion-ion recombination to form neutral clusters. Some indications were also found for the accelerator beam timing and intensity to influence the aerosol particle formation rate at the highest experimental SO2 concentrations of 6 ppb, although none was found at lower concentrations. Overall, the exploratory measurements provide suggestive evidence for ion-induced nucleation or ion-ion recombination as sources of aerosol particles. However in order to quantify the conditions under which ion processes become significant, improvements are needed in controlling the experimental variables and in the reproducibility of the experiments. Finally, concerning technical aspects, the most important lessons for the CLOUD design include the stringent requirement of internal cleanliness of the aerosol chamber, as well as maintenance of extremely stable temperatures (variations below 0.1 _C).

The climatic effects of the direct injection of water vapour into the stratosphere by large volcanic eruptions

We describe a novel mechanism that can significantly lower the amplitude of the climatic response to certain large volcanic eruptions and examine its impact with a coupled ocean-atmosphere climate model. If sufficiently large amounts of water vapour enter the stratosphere, a climatically significant amount of water vapour can be left over in the lower stratosphere after the eruption, even after sulphate aerosol formation. This excess stratospheric humidity warms the tropospheric climate, and acts to balance the climatic cooling induced by the volcanic aerosol, especially because the humidity anomaly lasts for a period that is longer than the residence time of aerosol in the stratosphere. In particular, northern hemisphere high latitude cooling is reduced in magnitude. We discuss this mechanism in the context of the discrepancy between the observed and modelled cooling following the Krakatau eruption in 1883. We hypothesize that moist coignimbrite plumes caused by pyroclastic flows travelling over ocean rather than land, resulting from an eruption close enough to the ocean, might provide the additional source of stratospheric water vapour.

An analysis of diurnal cycles in the mass of ambient aerosols derived from biomass burning and agro-industry

Strong diurnal cycles in ambient aerosol mass were observed in a rural region of Southeast Brazil where the trace composition of the lower troposphere is governed mainly by emissions from agro-industry. An optical particle counter was used to record size-segregated aerosol number concentrations between 13 May 2010 and 15 March 2011. The data were collected every 10 min and used to calculate aerosol mass concentrations. Aerosol samples were also collected onto filters during daytime (10:00-16:00 local time) and nighttime (20:00-06:00) periods, for subsequent analysis of soluble ions and water-soluble organic carbon. Biomass burning aerosols predominated during the dry winter, while secondary aerosols were most important in the summer rainy season. In both seasons, diurnal cycles in calculated aerosol mass concentrations were due to the uptake of water by the aerosols and, to a lesser extent, to emissions and secondary aerosol formation. In neither season could the observed mass changes be explained by changes in the depth of the boundary layer. In the summer, nighttime increases in aerosol mass ranged from 2.7-fold to 81-fold, depending on particle size, while in the winter, the range was narrower, from 2.2-fold to 9.5-fold, supporting the possibility that the presence of particles derived from biomass burning reduced the overall ability of the aerosols to absorb water. Key Points Diurnal cycle of agro-industrial aerosol mass governed by humidity Biomass burning emissions act to suppress particle growth Need to consider diurnal mass cycles in aerosol dry deposition models ©2013. American Geophysical Union. All Rights Reserved.

Entwicklung einer GC-MS-Methode zur Bestimmung von Iodspezies in wässrigen und gasförmigen Umweltproben

In der Vergangenheit wurde die Wichtigkeit von Iodverbindungen im Bezug auf die Aerosolbildung in Küstennähe wiederholt bestätigt. Durch Photolyse von flüchtigen iodorganischen Verbindungen (VOIs) können in der Atmosphäre Iodatome gebildet werden. Diese hochreaktiven Radikale wiederum können mit Ozon und/oder OH-Radikalen reagieren. Es werden so unter anderem schwerflüchtige Iodoxide gebildet, die in die Partikelphase übergehen können. Um ein Verständnis für die Mechanismen und chemischen Reaktionen zu bekommen, die zur Bildung von iodhaltigen Aerosolpartikeln führen, müssen auch Vorläufersubstanzen qualitativ und quanitativ bestimmt werden. Ob diese Reaktionen und chemischen Verbindungen auch über dem offenen Ozean einen Beitrag zu Aerosolbildung und somit zur Beeinflussung des weltweitem Klimas leisten, soll in dem EU-Projekt MAP geklärt werden, diese Arbeit ist Teil dieses Projekts. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, die es zum einen möglich macht, anorganisches Iod in Meerwasser zu bestimmen. Zum anderen sollte eine Methode entwickelt werden, um elementares Iod in der maritimen Atmosphäre zu bestimmen. Es wurde eine Derivatisierungsmethode entwickelt, die es möglich macht elementares Iod in Anwesenheit von Stärke, a-Cyclodextrin oder RAMEA zu derivatisieren. Die Derivatisierung erfolgt zu 4-Iodo-N,N-Dimethylanilin. Durch Extraktion wird der Analyt in die organische Phase überführt. Die Quantifizierung erfolgt anschließend über die Analyse mit GC/MS und externer Kalibrierung. Die absolute Nachweisgrenze für Iod in Wasser beträgt 0,57nmol, für Iodid 0,014nmol und für Iodat 0,115nmol. Die absoluten Nachweisgrenzen für Iod in Anwesenheit eines Absorptionsmittel betragen für Stärke 0,24nmol, für a-Cyclodextrin 0,9nmol und für RAMEA 0,35nmol. Die Analysenmethoden wurden zunächst im Labor entwickelt und anschließend zur Analyse von Realproben verwendet. An verschiedenen Orten wurden Meerwasserproben (auf der Celtic Explorer und in der Nähe der Mace Head Messstation) genommen und deren Iod-, Iodid- und Iodatgehalt bestimmt. Keine der Proben enthielt elementares Iod. Iodid konnte in allen Proben detektiert werden. In Proben, die auf dem offenen Ozean an Bord der Celtic Explorer genommen wurden variierte die Menge zwischen 12µg/L und 90µg/L. Auffällig war hierbei, dass die Proben, die in Küstennähe genommen wurden höhere Iodidkonzentrationen aufwiesen. Ein Einfluss der Küste und der dort vorhandenen Makroalgen ist sehr wahrscheinlich. Meerwasserproben, die in der Nähe der MHARS genommen wurden wiesen höhere Konzentrationen und einen größeren dynamischen Bereich der Iodidkonzentrationen auf. Die Konzentrationen variierten von 29µg/L bis 630 µg/L. Der Iodatgehalt der Meerwasserproben wurde ebenfalls bestimmt. 1µg/L bis 90µg/L Iodat konnte in den Proben vom offenen Ozean detektiert werden. Die Küstenproben wiesen mit 150µg/L bis 230µg/L deutlich höhere Iodatkonzentrationen auf. Es konnte kein Zusammenhang zwischen der Tageszeit und den Iodid- oder Iodatkonzentrationen gefunden werden. Es konnte ebenso kein Zusammenhang zwischen der Fluoreszenz des Meerwassers und den Iodid- oder Iodatkonzentrationen gefunden werden. Auf der Celtic Explorer, wie auch in Mace Head wurden außerdem beschichtete Denuder zur Anreicherung von elementarem Iod aus Luft eingesetzt. Die Denuder, die auf dem Schiff verwendet wurden waren mit Stärke bzw. mit a-CD beschichtet. Die mit Stärke beschichteten Denuder geben so einen Überblick über die Iodkonzentration in Luft über einen längeren Zeitraum (ca. 2-3h), während die mit Cyclodextrin beschichteten Denuder die Iodkonzentration in der letzten halben Stunde der Probennahme widerspiegeln. In fast allen Denudern, die mit Stärke beschichtet waren, konnte mehr Iod nachgewiesen werden, als in denen, die mit a-CD beschichtet waren. Im Allgemeinen konnten in den Proben höhere Iodkonzentrationen gefunden werden, die nachts genommen wurden. Der Grund hierfür liegt in der sehr hohen Photolyserate des elementaren Iods während des Tages. Ein Zusammenhang zwischen der Konzentration von VOIs und dem Iodgehalt konnte nicht gefunden werden. Anhand der genommen Denuderproben von Mace Head konnte festgestellt werden, dass die Iodkonzentration in Denudern, deren Probenahme während Ebbe beendet wurde hoch deutlich höher sind, als die in anderen Denudern. Das lässt sich dadurch erklären, dass Makroalgen während Ebbe in direktem Kontakt zur Luft sind und somit mehr Iod in der Luft zu finden ist. Eine wichtige Frage, die im Zusammenhang mit der Iodchemie in maritimer Umgebung steht konnte im Rahmen dieser Arbeit geklärt werden. In der maritimen Grenzschicht über dem Nordatlantik konnte elementares Iod detektiert werden, d.h. es deutet sich an, dass Iod auch auf dem offenen Ozean einen Beitrag zur Partikelbildung liefern kann und es sich nicht ausschließlich um einen Küsteneffekt handelt.

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

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

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

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

Laboratory and field measurements of enantiomeric and non-enantiomeric biogenic VOCs and anthropogenic BTEX compounds

This doctoral thesis was focused on the investigation of enantiomeric and non-enantiomeric biogenic organic compound (BVOC) emissions from both leaf and canopy scales in different environments. In addition, the anthropogenic compounds benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes (BTEX) were studied. BVOCs are emitted into the lower troposphere in large quantities (ca. 1150 Tg C ·yr-1), approximately an order of magnitude greater than the anthropogenic VOCs. BVOCs are particularly important in tropospheric chemistry because of their impact on ozone production and secondary organic aerosol formation or growth. The BVOCs examined in this study were: isoprene, (-)/ (+)-α-pinene, (-)/ (+)-ß-pinene, Δ-3-carene, (-)/ (+)-limonene, myrcene, eucalyptol and camphor, as these were the most abundant BVOCs observed both in the leaf cuvette study and the ambient measurements. In the laboratory cuvette studies, the sensitivity of enantiomeric enrichment change from the leaf emission has been examined as a function of light (0-1600 PAR) and temperature (20-45°C). Three typical Mediterranean plant species (Quercus ilex L., Rosmarinus officinalis L., Pinus halepensis Mill.) with more than three individuals of each have been investigated using a dynamic enclosure cuvette. The terpenoid compound emission rates were found to be directly linked to either light and temperature (e.g. Quercus ilex L.) or mainly to temperature (e.g. Rosmarinus officinalis L., Pinus halepensis Mill.). However, the enantiomeric signature showed no clear trend in response to either the light or temperature; moreover a large variation of enantiomeric enrichment was found during the experiment. This enantiomeric signature was also used to distinguish chemotypes beyond the normal achiral chemical composition method. The results of nineteen Quercus ilex L. individuals, screened under standard conditions (30°C and 1000 PAR) showed four different chemotypes, whereas the traditional classification showed only two. An enclosure branch cuvette set-up was applied in the natural boreal forest environment from four chemotypes of Scots pine (Pinus sylvestris) and one chemotype of Norway spruce (Picea abies) and the direct emissions compared with ambient air measurements above the canopy during the HUMPPA-COPEC 2010 summer campaign. The chirality of a-pinene was dominated by (+)-enantiomers from Scots pine while for Norway spruce the chirality was found to be opposite (i.e. Abstract II (-)-enantiomer enriched) becoming increasingly enriched in the (-)-enantiomer with light. Field measurements over a Spanish stone pine forest were performed to examine the extent of seasonal changes in enantiomeric enrichment (DOMINO 2008). These showed clear differences in chirality of monoterpene emissions. In wintertime the monoterpene (-)-a-pinene was found to be in slight enantiomeric excess over (+)-a-pinene at night but by day the measured ratio was closer to one i.e. racemic. Samples taken the following summer in the same location showed much higher monoterpene mixing ratios and revealed a strong enantiomeric excess of (-)-a-pinene. This indicated a strong seasonal variance in the enantiomeric emission ratio which was not manifested in the day/night temperature cycles in wintertime. A clear diurnal cycle of enantiomeric enrichment in a-pinene was also found over a French oak forest and the boreal forest. However, while in the boreal forest (-)-a-pinene enrichment increased around the time of maximum light and temperature, the French forest showed the opposite tendency with (+)-a-pinene being favored. For the two field campaigns (DOMINO 2008 and HUMPPA-COPEC 2010), the BTEX were also investigated. For the DOMINO campaign, mixing ratios of the xylene isomers (meta- and para-) and ethylbenzene, which are all well resolved on the ß-cyclodextrin column, were exploited to estimate average OH radical exposures to VOCs from the Huelva industrial area. These were compared to empirical estimates of OH based on JNO2 measured at the site. The deficiencies of each estimation method are discussed. For HUMPPA-COPEC campaign, benzene and toluene mixing ratios can clearly define the air mass influenced by the biomass burning pollution plume from Russia.

Thermodynamics of the Hydroxyl Radical Addition to Isoprene

Oxidation of isoprene by the hydroxyl radical leads to tropospheric ozone formation. Consequently, a more complete understanding of this reaction could lead to better models of regional air quality, a better understanding of aerosol formation, and a better understanding of reaction kinetics and dynamics. The most common first step in the oxidation of isoprene is the formation of an adduct, with the hydroxyl radical adding to one of four unsaturated carbon atoms in isoprene. In this paper, we discuss how the initial conformations of isoprene, s-trans and s-gauche, influences the pathways to adduct formation. We explore the formation of pre-reactive complexes at low and high temperatures, which are often invoked to explain the negative temperature dependence of this reaction’s kinetics. We show that at higher temperatures the free energy surface indicates that a pre-reactive complex is unlikely, while at low temperatures the complex exists on two reaction pathways. The theoretical results show that at low temperatures all eight pathways possess negative reaction barriers, and reaction energies that range from −36.7 to −23.0 kcal·mol−1. At temperatures in the lower atmosphere, all eight pathways possess positive reaction barriers that range from 3.8 to 6.0 kcal·mol−1 and reaction energies that range from −28.8 to −14.4 kcal·mol−1.

Quantum Mechanical Study of Sulfuric Acid Hydration: Atmospheric Implications

The role of the binary nucleation of sulfuric acid in aerosol formation and its implications for global warming is one of the fundamental unsettled questions in atmospheric chemistry. We have investigated the thermodynamics of sulfuric acid hydration using ab initio quantum mechanical methods. For H2SO4(H2O)n where n = 1–6, we used a scheme combining molecular dynamics configurational sampling with high-level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster size. For each isomer, we extrapolated the Møller–Plesset perturbation theory (MP2) energies to their complete basis set (CBS) limit and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled harmonic vibrational frequencies. We found that ionic pair (HSO4–·H3O+)(H2O)n−1 clusters are competitive with the neutral (H2SO4)(H2O)n clusters for n ≥ 3 and are more stable than neutral clusters for n ≥ 4 depending on the temperature. The Boltzmann averaged Gibbs free energies for the formation of H2SO4(H2O)n clusters are favorable in colder regions of the troposphere (T = 216.65–273.15 K) for n = 1–6, but the formation of clusters with n ≥ 5 is not favorable at higher (T > 273.15 K) temperatures. Our results suggest the critical cluster of a binary H2SO4–H2O system must contain more than one H2SO4 and are in concert with recent findings(1) that the role of binary nucleation is small at ambient conditions, but significant at colder regions of the troposphere. Overall, the results support the idea that binary nucleation of sulfuric acid and water cannot account for nucleation of sulfuric acid in the lower troposphere.

Quantum Mechanical Study of Sulfuric Acid Hydration: Atmospheric Implications

The role of the binary nucleation of sulfuric acid in aerosol formation and its implications for global warming is one of the fundamental unsettled questions in atmospheric chemistry. We have investigated the thermodynamics of sulfuric acid hydration using ab initio quantum mechanical methods. For H2SO4(H2O)n where n = 1–6, we used a scheme combining molecular dynamics configurational sampling with high-level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster size. For each isomer, we extrapolated the Møller–Plesset perturbation theory (MP2) energies to their complete basis set (CBS) limit and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled harmonic vibrational frequencies. We found that ionic pair (HSO4–·H3O+)(H2O)n−1clusters are competitive with the neutral (H2SO4)(H2O)n clusters for n ≥ 3 and are more stable than neutral clusters for n ≥ 4 depending on the temperature. The Boltzmann averaged Gibbs free energies for the formation of H2SO4(H2O)n clusters are favorable in colder regions of the troposphere (T = 216.65–273.15 K) for n = 1–6, but the formation of clusters with n ≥ 5 is not favorable at higher (T > 273.15 K) temperatures. Our results suggest the critical cluster of a binary H2SO4–H2O system must contain more than one H2SO4 and are in concert with recent findings(1) that the role of binary nucleation is small at ambient conditions, but significant at colder regions of the troposphere. Overall, the results support the idea that binary nucleation of sulfuric acid and water cannot account for nucleation of sulfuric acid in the lower troposphere.

Red mangroves emit hydrocarbons

The objective of this study is to investigate hydrocarbon species and amounts released by red mangrove foliage and determine if these quantities warrant future research on atmospheric chemical processing of these compounds. The field investigation took place during July 2001 at Key Largo, Florida Bay, Florida. Foliage still attached to plants was enclosed in cuvettes while air of known flow rates circulated around leaves to study, hydrocarbon emissions. Cuvette air samples underwent gas chromatographic analyses to determine species and amounts of hydrocarbons released by mangrove foliage. Red mangrove foliage emits isoprene and trace amounts of the monoterpenes of alpha-pinene, beta-pinene, camphene, and d-limonene. The mangrove flowers released these latter compounds in amounts ranging from 0.5 to 10 mg (monoterpene) per gram of dry biomass per hour. These fluxes are normalized to, the foliage temperature of 30 degreesC. When normalized to the foliage temperature of 30 degreesC and light levels of 1000 mumol m(-2) s(-1), isoprene emission rates as high as 0.092 +/- 0.109 mug (isoprene) per gram of dry biomass per hour were measured. Compared to terrestrial forest ecosystems, red mangroves are low isoprene emitters. During peak flowering periods in the summertime, however, red mangroves may emit sufficient amounts of monoterpenes to alter ground-level ozone concentrations and contribute to biogenic aerosol formation.

Use of closed systems in the Hospital Pharmacy

Objective: In the setting of the increasing use of closed systems for reconstitution and preparation of these drugs, we intend to analyze the correct use of these systems in the Hospital Pharmacy, with the objective to minimize the risks of exposure not only for those professionals directly involved, but also for all the staff in the unit, taking also into account efficiency criteria. Method: Since some systems protect against aerosol formation but not from vapours, we decided to review which cytostatics should be prepared using an awl with an air inlet valve, in order to implement a new working procedure. We reviewed the formulations available in our hospital, with the following criteria: method of administration, excipients, and potential hazard for the staff handling them. We measured the diameters of the vials. We selected drugs with Level 1 Risk and also those including alcohol-based excipients, which could generate vapours. Outcomes: Out of the 66 reviewed formulations, we concluded that 11 drugs should be reconstituted with this type of awl: busulfan, cabazitaxel, carmustine, cyclophosphamide, eribulin, etoposide, fotemustine, melphalan, paclitaxel, temsirolimus and thiotepa; these represented an 18% of the total volume of formulations. Conclusions: The selection of healthcare products must be done at the Hospital Pharmacy, because the use of a system with an air valve inlet only for those drugs selected led to an outcome of savings and a more efficient use of materials. In our experience, we confirmed that the use of the needle could only be avoided when the awl could adapt to the different formulations of cytostatics, and this is only possible when different types of awls are available. Besides, connections were only really closed when a single awl was used for each vial. The change in working methodology when handling these drugs, as a result of this study, will allow us to start different studies about environmental contamination as a future line of work.

Development of measurement and modeling techniques to quantify atmospheric deposition of persistent, bioaccumulative and toxic chemicals in the Great Lakes

Measurement and modeling techniques were developed to improve over-water gaseous air-water exchange measurements for persistent bioaccumulative and toxic chemicals (PBTs). Analytical methods were applied to atmospheric measurements of hexachlorobenzene (HCB), polychlorinated biphenyls (PCBs), and polybrominated diphenyl ethers (PBDEs). Additionally, the sampling and analytical methods are well suited to study semivolatile organic compounds (SOCs) in air with applications related to secondary organic aerosol formation, urban, and indoor air quality. A novel gas-phase cleanup method is described for use with thermal desorption methods for analysis of atmospheric SOCs using multicapillary denuders. The cleanup selectively removed hydrogen-bonding chemicals from samples, including much of the background matrix of oxidized organic compounds in ambient air, and thereby improved precision and method detection limits for nonpolar analytes. A model is presented that predicts gas collection efficiency and particle collection artifact for SOCs in multicapillary denuders using polydimethylsiloxane (PDMS) sorbent. An approach is presented to estimate the equilibrium PDMS-gas partition coefficient (Kpdms) from an Abraham solvation parameter model for any SOC. A high flow rate (300 L min-1) multicapillary denuder was designed for measurement of trace atmospheric SOCs. Overall method precision and detection limits were determined using field duplicates and compared to the conventional high-volume sampler method. The high-flow denuder is an alternative to high-volume or passive samplers when separation of gas and particle-associated SOCs upstream of a filter and short sample collection time are advantageous. A Lagrangian internal boundary layer transport exchange (IBLTE) Model is described. The model predicts the near-surface variation in several quantities with fetch in coastal, offshore flow: 1) modification in potential temperature and gas mixing ratio, 2) surface fluxes of sensible heat, water vapor, and trace gases using the NOAA COARE Bulk Algorithm and Gas Transfer Model, 3) vertical gradients in potential temperature and mixing ratio. The model was applied to interpret micrometeorological measurements of air-water exchange flux of HCB and several PCB congeners in Lake Superior. The IBLTE Model can be applied to any scalar, including water vapor, carbon dioxide, dimethyl sulfide, and other scalar quantities of interest with respect to hydrology, climate, and ecosystem science.