Einflüsse von Folienqualität und Blister-Design auf die Funktionalität von Blisterverpackungen

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Einflüsse von Blister-Design und Folienqualität auf die Funktionalität von Blisterverpackungen. Hierzu werden analytische Methoden mittels Interferometrie, IR-Spektroskopie, Betarückstreuverfahren, Wirbelstromverfahren und Impedanzspektroskopie entwickelt, die zur quantitativen Bestimmung von Heißsiegellacken und Laminatbeschichtungen von Aluminium-Blisterfolien geeignet sind. Ein Vergleich der Methoden zeigt, dass sich das Betarückstreuverfahren, die Interferometrie und IR-Messungen für die Heißsiegellackbestimmung, die Interferometrie und das Wirbelstromverfahren für die Bestimmung von Kunststofflaminaten eignen.rnIm zweiten Abschnitt der Arbeit werden Einflüsse des Heißsiegellack-Flächengewichtes von Deckfolien auf die Qualität von Blisterverpackungen untersucht. Mit Zunahme des Flächengewichtes zeigt sich eine Erhöhung der Siegelnahtfestigkeit aber auch der Wasserdampfdurchlässigkeit von Blistern. Die untersuchten Heißsiegellacke zeigen Permeationskoeffizienten vergleichbar mit Polyvinylchlorid. In Untersuchungen zur Siegelprozessvalidität zeigt das Heißsiegellack-Flächengewicht nur geringfügige Auswirkungen auf diese. rnIm dritten Abschnitt der Arbeit werden Einflüsse des Blister-Designs auf die Benutzerfreundlichkeit von Blisterverpackungen durch eine Handlingstudie untersucht. Variationen der Öffnungskräfte von Durchdrück-Blistern wirken sich deutlich auf die Bewertungen der Blister durch die Probanden aus. Während die meisten Probanden alle getesteten Durchdrück-Blister innerhalb der Testdauer von 4 Minuten öffnen können (>84%), treten beim Peel-Blister und Peel-off-push-through-Blister deutlich mehr Handlingprobleme auf. Die Handlingprobleme korrelieren mit dem Alter, der Lebenssituation, der gesundheitlichen Verfassung und der Sehfähigkeit der Probanden. rn

Messungen von salpetriger Säure und Eispartikeln im Nachlauf von Flugzeugen

Ziel dieser Arbeit war der Aufbau und Einsatz des Atmosphärischen chemischen Ionisations-Massenspektrometers AIMS für boden- und flugzeuggetragene Messungen von salpetriger Säure (HONO). Für das Massenspektrometer wurden eine mit Gleichspannung betriebene Gasentladungsionenquelle und ein spezielles Druckregelventil entwickelt. Während der Instrumentenvergleichskampagne FIONA (Formal Intercomparisons of Observations of Nitrous Acid) an einer Atmosphären-Simulationskammer in Valencia (Spanien) wurde AIMS für HONO kalibriert und erstmals eingesetzt. In verschiedenen Experimenten wurden HONO-Mischungsverhältnisse zwischen 100 pmol/mol und 25 nmol/mol erzeugt und mit AIMS interferenzfrei gemessen. Innerhalb der Messunsicherheit von ±20% stimmen die massenspektrometrischen Messungen gut mit den Methoden der Differenziellen Optischen Absorptions-Spektrometrie und der Long Path Absorption Photometrie überein. Die Massenspektrometrie kann somit zum schnellen und sensitiven Nachweis von HONO in verschmutzter Stadtluft und in Abgasfahnen genutzt werden.rnErste flugzeuggetragene Messungen von HONO mit AIMS wurden 2011 bei der Messkampagne CONCERT (Contrail and Cirrus Experiment) auf dem DLR Forschungsflugzeug Falcon durchgeführt. Hierbei konnte eine Nachweisgrenze von < 10 pmol/mol (3σ, 1s) erreicht werden. Bei Verfolgungsflügen wurden im jungen Abgasstrahl von Passagierflugzeugen molare HONO zu Stickoxid-Verhältnisse (HONO/NO) von 2.0 bis 2.5% gemessen. HONO wird im Triebwerk durch die Reaktion von NO mit OH gebildet. Ein gemessener abnehmender Trend der HONO/NO Verhältnisse mit zunehmendem Stickoxid-Emissionsindex wurde bestätigt und weist auf eine OH Limitierung im jungen Abgasstrahl hin.rnNeben den massenspektrometrischen Messungen wurden Flugzeugmessungen der Partikelsonde Forward Scattering Spectrometer Probe FSSP-300 in jungen Kondensstreifen ausgewertet und analysiert. Aus den gemessenen Partikelgrößenverteilungen wurden Extinktions- und optische Tiefe-Verteilungen abgeleitet und für die Untersuchung verschiedener wissenschaftlicher Fragestellungen, z.B. bezüglich der Partikelform in jungen Kondensstreifen und ihrer Klimawirkung, zur Verfügung gestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss des Flugzeug- und Triebwerktyps auf mikrophysikalische und optische Eigenschaften von Kondensstreifen untersucht. Unter ähnlichen meteorologischen Bedingungen bezüglich Feuchte, Temperatur und stabiler thermischer Schichtung wurden 2 Minuten alte Kondensstreifen der Passagierflugzeuge vom Typ A319-111, A340-311 und A380-841 verglichen. Im Rahmen der Messunsicherheit wurde keine Änderung des Effektivdurchmessers der Partikelgrößenverteilungen gefunden. Hingegen nehmen mit zunehmendem Flugzeuggewicht die Partikelanzahldichte (162 bis 235 cm-3), die Extinktion (2.1 bis 3.2 km-1), die Absinktiefe des Kondensstreifens (120 bis 290 m) und somit die optische Tiefe der Kondensstreifen (0.25 bis 0.94) zu. Der gemessene Trend wurde durch Vergleich mit zwei unabhängigen Kondensstreifen-Modellen bestätigt. Mit den Messungen wurde eine lineare Abhängigkeit der totalen Extinktion (Extinktion mal Querschnittsfläche des Kondensstreifens) vom Treibstoffverbrauch pro Flugstrecke gefunden und bestätigt.

Massenspektrometrische Wasserdampfmessung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung des flugzeuggetragenen Atmosphärischen Ionisations-Massenspektrometers AIMS-H2O zur Messung von Wasserdampf in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) und erste Flugzeugmessungen mit dem Instrument. Wasserdampf beeinflusst das Klima in der UTLS aufgrund seiner Strahlungseigenschaften und agiert als wichtiger Parameter bei der Bildung von Zirruswolken und Kondensstreifen. Deshalb sind genaue Wasserdampfmessungen für das Verständnis vieler atmosphärischer Prozesse unerlässlich. Instrumentenvergleiche wie sie im SPARC Report No. 2 und dem Bericht der AUQAVIT Kampagne zusammengefasst sind, haben gezeigt, dass große Abweichungen zwischen einzelnen Methoden und Instrumenten bestehen. Diese Unsicherheiten limitieren das Verständnis des Einflusses von Wasserdampf auf die Dynamik und die Strahlungseigenschaften in der UTLS. Die in dieser Arbeit vorgestellte Entwicklung einer neuen Messmethode für Wasserdampf mit dem Massenspektrometer AIMS-H2O ist deshalb auf die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen in der UTLS fokussiert. Mit AIMS H2O wird Umgebungsluft in einer neu entwickelten Gasentladungsquelle ionisiert. Durch eine Reihe von Ionen-Molekül-Reaktionen entstehen H3O+(H2O) und H3O+(H2O)2 Ionen. Diese Ionen werden genutzt, um die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre zu bestimmen. Um die erforderliche hohe Genauigkeit zu erzielen, wird AIMS H2O im Flug kalibriert. In dem zu diesem Zweck aufgebauten Kalibrationsmodul wird die katalytische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff auf einer Platinoberfläche genutzt, um definierte Wasserdampfkonzentrationen für die Kalibration im Flug zu erzeugen. Bei ersten Messungen auf der Falcon während der Kampagne CONCERT 2011 konnte dabei eine Genauigkeit von 8 bis 15% für die Messung der Wasserdampfkonzentration in einem Messbereich von 0,5 bis 250 ppmv erreicht werden. Die Messfrequenz betrug 4 Hz, was einer räumlichen Auflösung von etwa 50 m entspricht. Der Vergleich der Messung des Massenspektrometers mit dem Laserhygrometer Waran zeigt eine sehr gute Übereinstimmung im Rahmen der Unsicherheiten. Anhand zweier Fallstudien werden die Messungen von AIMS H2O während CONCERT 2011 detailliert analysiert. In der ersten Studie werden zwei Flüge in eine stratosphärische Intrusion über Nordeuropa untersucht. In dieser Situation wurde stratosphärische Luft bis hinunter auf 6 km Höhe transportiert und war dadurch mit der Falcon erreichbar. Es konnte gezeigt werden, dass AIMS-H2O sehr gut für die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen, in diesem Fall bis etwa 3,5 ppmv, geeignet ist. Der Vergleich der Messung mit Analysen des ECMWF Integrated Forecast Systems zeigt eine gute Übereinstimmung der gemessenen Wasserdampfstrukturen mit der dynamischen Tropopause. Unterschiede tauchen dagegen beim Vergleich der Wasserdampfkonzentrationen in der unteren Stratosphäre auf. Hier prognostiziert das Modell deutlich höhere Feuchten. Die zweite Fallstudie beschäftigt sich mit der Verteilung der relativen Feuchte in jungen Kondensstreifen im Vergleich zu ihrer direkten Umgebung. Dabei wurde für drei Messsequenzen im Abgasstrahl von Flugzeugen beobachtet, dass die relative Feuchte innerhalb des Kondensstreifens im Vergleich zur Umgebung sowohl bei unter- als auch übersättigten Umgebungsbedingungen in Richtung Sättigung verschoben ist. Die hohe Anzahl an Eispartikeln und die damit verbundene große Eisoberfläche in jungen Kondensstreifen führt also zu einer schnellen Relaxation von Gasphase und Eis in Richtung Gleichgewicht. In der Zukunft soll AIMS-H2O auch auf HALO für die genaue Messung von Wasserdampf bei ML-CIRRUS und weiteren Kampagnen eingesetzt werden.

Charakterisierung von optischen Partikelspektrometern und in-situ Messungen zur Mikrophysik der polaren Stratosphärenwolken

Polare Stratosphärenwolken (PSC), die unterhalb einer Temperatur von etwa -78 °C in polaren Regionen auftreten, üben einen starken Einfluss auf die stratosphärische Ozonschicht aus. Dieser Einfluss erfolgt größtenteils über heterogene chemische Reaktionen, die auf den Oberflächen von Wolkenpartikeln stattfinden. Chemische Reaktionen die dabei ablaufen sind eine Voraussetzung für den späteren Ozonabbau. Des Weiteren verändert die Sedimentation der Wolkenpartikel die chemische Zusammensetzung bzw. die vertikale Verteilung der Spurengase in der Stratosphäre. Für die Ozonchemie spielt dabei die Beseitigung von reaktivem Stickstoff durch Sedimentation Salpetersäure-haltiger Wolkenpartikeln (Denitrifizierung) eine wichtige Rolle. Durch gleichen Sedimentationsprozess von PSC Elementen wird der Stratosphäre des weiteren Wasserdampf entzogen (Dehydrierung). Beide Prozesse begünstigen einen länger andauernden stratosphärischen Ozonabbau im polaren Frühling.rnGerade im Hinblick auf die Denitrifikation durch Sedimentation größerer PSC-Partikel werden in dieser Arbeit neue Resultate von in-situ Messungen vorgestellt, die im Rahmen der RECONCILE-Kampagne im Winter des Jahres 2010 an Bord des Höhenforschungs-Flugzeugs M-55 Geophysica durchgeführt wurden. Dabei wurden in fünf Flügen Partikelgrößenverteilungen in einem Größenbereich zwischen 0,5 und 35 µm mittels auf der Lichtstreuung basierender Wolkenpartikel-Spektrometer gemessen. Da polare Stratosphärenwolken in Höhen zwischen 17 und 30 km auftreten, sind in-situ Messungen vergleichsweise selten, so dass noch einige offene Fragen bestehen bleiben. Gerade Partikel mit optischen Durchmessern von bis zu 35µm, die während der neuen Messungen detektiert wurden, müssen mit theoretischen Einschränkungen in Einklang gebracht werden. Die Größe der Partikel wird dabei durch die Verfügbarkeit der beteiligten Spurenstoffe (Wasserdampf und Salpetersäure), die Sedimentationsgeschwindigkeit, Zeit zum Anwachsen und von der Umgebungstemperatur begrenzt. Diese Faktoren werden in der vorliegenden Arbeit diskutiert. Aus dem gemessenen Partikelvolumen wird beispielsweise unter der Annahme der NAT-Zusammensetzung (Nitric Acid Trihydrate) die äquivalente Konzentration des HNO 3 der Gasphase berechnet. Im Ergebnis wird die verfügbare Konzentration von Salpetersäure der Stratosphäre überschritten. Anschließend werden Hypothesen diskutiert, wodurch das gemessene Partikelvolumen überschätzt worden sein könnte, was z.B. im Fall einer starken Asphärizität der Partikel möglich wäre. Weiterhin wurde eine Partikelmode unterhalb von 2-3µm im Durchmesser aufgrund des Temperaturverhaltens als STS (Supercooled Ternary Solution droplets) identifiziert.rnUm die Konzentration der Wolkenpartikel anhand der Messung möglichst genau berechnen zu können, muss das Messvolumen bzw. die effektive Messfläche der Instrumente bekannt sein. Zum Vermessen dieser Messfläche wurde ein Tröpfchengenerator aufgebaut und zum Kalibrieren von drei Instrumenten benutzt. Die Kalibration mittels des Tröpfchengenerators konzentrierte sich auf die Cloud Combination Probe (CCP). Neben der Messfläche und der Größenbestimmung der Partikel werden in der Arbeit unter Zuhilfenahme von Messungen in troposphärischen Wolken und an einer Wolkensimulationskammer auch weitere Fehlerquellen der Messung untersucht. Dazu wurde unter anderem die statistische Betrachtung von Intervallzeiten einzelner Messereignisse, die in neueren Sonden aufgezeichnet werden, herangezogen. Letzteres ermöglicht es, Messartefakte wie Rauschen, Koinzidenzfehler oder „Shattering“ zu identifizieren.rn

Formation and surface exchange of nitrous acid

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

Flugzeuggetragene in-situ Messungen zur Eis- und Flüssigphase troposphärischer Wolken

Die Mikrophysik in Wolken bestimmt deren Strahlungseigenschaften und beeinflusst somit auch den Strahlungshaushalt des Planeten Erde. Aus diesem Grund werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die mikrophysikalischen Charakteristika von Cirrus-Wolken sowie von arktischen Grenzschicht-Wolken behandelt. Die Untersuchung dieser Wolken wurde mithilfe verschiedener Instrumente verwirklicht, welche Partikel in einem Durchmesserbereich von 250nm bis zu 6.4mm vermessen und an Forschungsflugzeugen montiert werden. Ein Instrumentenvergleich bestätigt, dass innerhalb der Bereiche in denen sich die Messungen dieser Instrumente überlappen, die auftretenden Diskrepanzen als sehr gering einzustufen sind. Das vorrangig verwendete Instrument trägt die Bezeichnung CCP (Cloud Combination Probe) und ist eine Kombination aus einem Instrument, das Wolkenpartikel anhand von vorwärts-gerichtetem Streulicht detektiert und einem weiteren, das zweidimensionale Schattenbilder einzelner Wolkenpartikel aufzeichnet. Die Untersuchung von Cirrus-Wolken erfolgt mittels Daten der AIRTOSS-ICE (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle - Inhomogeneous Cirrus Experiment) Kampagne, welche im Jahr 2013 über der deutschen Nord- und Ostsee stattfand. Parameter wie Partikeldurchmesser, Partikelanzahlkonzentration, Partikelform, Eiswassergehalt, Wolkenhöhe und Wolkendicke der detektierten Cirrus-Wolken werden bestimmt und im Kontext des aktuellen Wissenstandes diskutiert. Des Weiteren wird eine beprobte Cirrus-Wolke im Detail analysiert, welche den typischen Entwicklungsprozess und die vertikale Struktur dieser Wolkengattung widerspiegelt. Arktische Grenzschicht-Wolken werden anhand von Daten untersucht, die während der VERDI (VERtical Distribution of Ice in Arctic Clouds) Kampagne im Jahr 2012 über der kanadischen Beaufortsee aufgezeichnet wurden. Diese Messkampagne fand im Frühling statt, um die Entwicklung von Eis-Wolken über Mischphasen-Wolken bis hin zu Flüssigwasser-Wolken zu beobachten. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen tritt innerhalb von Mischphasen-Wolken der sogenannte Wegener-Bergeron-Findeisen Prozess auf, bei dem Flüssigwassertropfen zugunsten von Eispartikeln verdampfen. Es wird bestätigt, dass dieser Prozess anhand von mikrophysikalischen Messungen, insbesondere den daraus resultierenden Größenverteilungen, nachweisbar ist. Darüber hinaus wird eine arktische Flüssigwasser-Wolke im Detail untersucht, welche im Inneren das Auftreten von monomodalen Tröpfchen-Größenverteilungen zeigt. Mit zunehmender Höhe wachsen die Tropfen an und die Maxima der Größenverteilungen verschieben sich hin zu größeren Durchmessern. Dahingegen findet im oberen Übergangsbereich dieser Flüssigwasser-Wolke, zwischen Wolke und freier Atmosphäre, ein Wechsel von monomodalen zu bimodalen Tröpfchen-Größenverteilungen statt. Diese weisen eine Mode 1 mit einem Tropfendurchmesser von 20μm und eine Mode 2 mit einem Tropfendurchmesser von 10μm auf. Das dieses Phänomen eventuell typisch für arktische Flüssigwasser-Wolken ist, zeigen an dem Datensatz durchgeführte Analysen. Mögliche Entstehungsprozesse der zweiten Mode können durch Kondensation von Wasserdampf auf eingetragenen Aerosolpartikeln, die aus einer Luftschicht oberhalb der Wolke stammen oder durch Wirbel, welche trockene Luftmassen in die Wolke induzieren und Verdampfungsprozesse von Wolkentröpfchen hervorrufen, erklärt werden. Unter Verwendung einer direkten numerischen Simulation wird gezeigt, dass die Einmischung von trockenen Luftmassen in den Übergangsbereich der Wolke am wahrscheinlichsten die Ausbildung von Mode 2 verursacht.

Surface cloud radiative forcing from broadband radiation measurements on the Antarctic plateau

Surface based measurements systems play a key role in defining the ground truth for climate modeling and satellite product validation. The Italian-French station of Concordia is operative year round since 2005 at Dome C (75°S, 123°E, 3230 m) on the East Antarctic Plateau. A Baseline Surface Radiation Network (BSRN) site was deployed and became operational since January 2006 to measure downwelling components of the radiation budget, and successively was expanded in April 2007 to measure upwelling radiation. Hence, almost a decade of measurement is now available and suitable to define a statistically significant climatology for the radiation budget of Concordia including eventual trends, by specifically assessing the effects of clouds and water vapor on SW and LW net radiation. A well known and robust clear sky-id algorithm (Long and Ackerman, 2000) has been operationally applied on downwelling SW components to identify cloud free events and to fit a parametric equation to determine clear-sky reference along the Antarctic daylight periods (September to April). A new model for surface broadband albedo has been developed in order to better describe the features the area. Then, a novel clear-sky LW parametrization, based on a-priori assumption about inversion layer structure, combined with daily and annual oscillations of the surface temperature, have been adopted and validated. The longwave based method is successively exploited to extend cloud radiative forcing studies to nighttime period (winter). Results indicated inter-annual and intra-annual warming behaviour, i.e. 13.70 W/m2 on the average, specifically approaching neutral effect in summer, when SW CRF compensates LW CRF, and warming along the rest of the year due prevalentely to CRF induced on the LW component.

Exploration of the Potential Energy Surfaces, Prediction of Atmospheric Concentrations, and Prediction of Vibrational Spectra for the HO2···(H2O)n (n = 1−2) Hydrogen Bonded Complexes

The hydroperoxy radical (HO2) plays a critical role in Earth's atmospheric chemistry as a component of many important reactions. The self-reaction of hydroperoxy radicals in the gas phase is strongly affected by the presence of water vapor. In this work, we explore the potential energy surfaces of hydroperoxy radicals hydrogen bonded to one or two water molecules, and predict atmospheric concentrations and vibrational spectra of these complexes. We predict that when the HO2 concentration is on the order of 108molecules·cm-3 at 298 K, that the number of HO2···H2O complexes is on the order of 107molecules·cm-3 and the number of HO2···(H2O)2 complexes is on the order of 106molecules·cm-3. Using the computed abundance of HO2···H2O, we predict that, at 298 K, the bimolecular rate constant for HO2···H2O + HO2 is about 10 times that for HO2 + HO2.

Computational Study of the Hydration of Sulfuric Acid Dimers: Implications for Acid Dissociation and Aerosol Formation

We have investigated the thermodynamics of sulfuric acid dimer hydration using ab initio quantum mechanical methods. For (H2SO4)2(H2O)n where n = 0−6, we employed high-level ab initio calculations to locate the most stable minima for each cluster size. The results presented herein yield a detailed understanding of the first deprotonation of sulfuric acid as a function of temperature for a system consisting of two sulfuric acid molecules and up to six waters. At 0 K, a cluster of two sulfuric acid molecules and one water remains undissociated. Addition of a second water begins the deprotonation of the first sulfuric acid leading to the di-ionic species (the bisulfate anion HSO4−, the hydronium cation H3O+, an undissociated sulfuric acid molecule, and a water). Upon the addition of a third water molecule, the second sulfuric acid molecule begins to dissociate. For the (H2SO4)2(H2O)3 cluster, the di-ionic cluster is a few kcal mol−1 more stable than the neutral cluster, which is just slightly more stable than the tetra-ionic cluster (two bisulfate anions, two hydronium cations, and one water). With four water molecules, the tetra-ionic cluster, (HSO4−)2(H3O+)2(H2O)2, becomes as favorable as the di-ionic cluster H2SO4(HSO4−)(H3O+)(H2O)3 at 0 K. Increasing the temperature favors the undissociated clusters, and at room temperature we predict that the di-ionic species is slightly more favorable than the neutral cluster once three waters have been added to the cluster. The tetra-ionic species competes with the di-ionic species once five waters have been added to the cluster. The thermodynamics of stepwise hydration of sulfuric acid dimer is similar to that of the monomer; it is favorable up to n = 4−5 at 298 K. A much more thermodynamically favorable pathway forming sulfuric acid dimer hydrates is through the combination of sulfuric acid monomer hydrates, but the low concentration of sulfuric acid relative to water vapor at ambient conditions limits that process.

Observations of middle atmospheric H2O and O3 during the 2010 major sudden stratospheric warming by a network of microwave radiometers

In this study, we present middle atmospheric water vapor (H2O) and ozone (O3) measurements obtained by ground-based microwave radiometers at three European locations in Bern (47° N), Onsala (57° N) and Sodankylä (67° N) during Northern winter 2009/2010. In January 2010, a major sudden stratospheric warming (SSW) occurred in the Northern Hemisphere whose signatures are evident in the ground-based observations of H2O and O3. The observed anomalies in H2O and O3 are mostly explained by the relative location of the polar vortex with respect to the measurement locations. The SSW started on 26 January 2010 and was most pronounced by the end of January. The zonal mean temperature in the middle stratosphere (10 hPa) increased by approximately 25 Kelvin within a few days. The stratospheric vortex weakened during the SSW and shifted towards Europe. In the mesosphere, the vortex broke down, which lead to large scale mixing of polar and midlatitudinal air. After the warming, the polar vortex in the stratosphere split into two weaker vortices and in the mesosphere, a new, pole-centered vortex formed with maximum wind speed of 70 m s−1 at approximately 40° N. The shift of the stratospheric vortex towards Europe was observed in Bern as an increase in stratospheric H2O and a decrease in O3. The breakdown of the mesospheric vortex during the SSW was observed at Onsala and Sodankylä as a sudden increase in mesospheric H2O. The following large-scale descent inside the newly formed mesospheric vortex was well captured by the H2O observations in Sodankylä. In order to combine the H2O observations from the three different locations, we applied the trajectory mapping technique on our H2O observations to derive synoptic scale maps of the H2O distribution. Based on our observations and the 3-D wind field, this method allows determining the approximate development of the stratospheric and mesospheric polar vortex and demonstrates the potential of a network of ground-based instruments.

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.

Differential GPS as a monitoring tool on Volcano Santa Ana (Illamatepec) and the Coatepeque Caldera, El Salvador

We used differential GPS measurements from a 13 station GPS network spanning the Santa Ana Volcano and Coatepeque Caldera to characterize the inter-eruptive activity and tectonic movements near these two active and potentially hazardous features. Caldera-forming events occurred from 70-40 ka and at Santa Ana/Izalco volcanoes eruptive activity occurred as recently as 2005. Twelve differential stations were surveyed for 1 to 2 hours on a monthly basis from February through September 2009 and tied to a centrally located continuous GPS station, which serves as the reference site for this volcanic network. Repeatabilities of the averages from 20-minute sessions taken over 20 hours or longer range from 2-11 mm in the horizontal (north and east) components of the inter-station baselines, suggesting a lower detection limit for the horizontal components of any short-term tectonic or volcanic deformation. Repeatabilities of the vertical baseline component range from 12-34 mm. Analysis of the precipitable water vapor in the troposphere suggests that tropospheric decorrelation as a function of baseline lengths and variable site elevations are the most likely sources of vertical error. Differential motions of the 12 sites relative to the continuous reference site reveal inflation from February through July at several sites surrounding the caldera with vertical displacements that range from 61 mm to 139 mm followed by a lower magnitude deflation event on 1.8-7.4 km-long baselines. Uplift rates for the inflationary period reach 300 mm/yr with 1σ uncertainties of +/- 26 – 119 mm. Only one other station outside the caldera exhibits a similar deformation trend, suggesting a localized source. The results suggest that the use of differential GPS measurements from short duration occupations over short baselines can be a useful monitoring tool at sub-tropical volcanoes and calderas.

QUADRUPOLE LEVITATION OF PARTICLES IN A THERMODYNAMICALLY REALISTIC CLOUD ENVIRONMENT

Understanding clouds and their role in climate depends in part on our ability to understand how individual cloud particles respond to environmental conditions. Keeping this objective in mind, a quadrupole trap with thermodynamic control has been designed and constructed in order to create an environment conducive to studying clouds in the laboratory. The quadrupole trap allows a single cloud particle to be suspended for long times. The temperature and water vapor saturation ratio near the trapped particle is controlled by the flow of saturated air through a tube with a discontinuous wall temperature. The design has the unique aspect that the quadrupole electrodes are submerged in heat transfer fluid, completely isolated from the cylindrical levitation volume. This fluid is used in the thermodynamic system to cool the chamber to realistic cloud temperatures, and a heated section of the tube provides for the temperature discontinuity. Thus far, charged water droplets, ranging from about 30-70 microns in diameter have been levitated. In addition, the thermodynamic system has been shown to create the necessary thermal conditions that will create supersaturated conditions in subsequent experiments. These advances will help lead to the next generation of ice nucleation experiments, moving from hemispherical droplets on a substrate to a spherical droplet that is not in contact with any surface.

Selection and hydroponic growth of bread wheat cultivars for bioregenerative life support systems

As part of the ESA-funded MELiSSA program, the suitability, the growth and the development of four bread wheat cultivars were investigated in hydroponic culture with the aim to incorporate such a cultivation system in an Environmental Control and Life Support System (ECLSS). Wheat plants can fulfill three major functions in space: (a) fixation of CO2 and production of O2, (b) production of grains for human nutrition and (c) production of cleaned water after condensation of the water vapor released from the plants by transpiration. Four spring wheat cultivars (Aletsch, Fiorina, Greina and CH Rubli) were grown hydroponically and compared with respect to growth and grain maturation properties. The height of the plants, the culture duration from germination to harvest, the quantity of water used, the number of fertile and non-fertile tillers as well as the quantity and quality of the grains harvested were considered. Mature grains could be harvested after around 160 days depending on the varieties. It became evident that the nutrient supply is crucial in this context and strongly affects leaf senescence and grain maturation. After a first experiment, the culture conditions were improved for the second experiment (stepwise decrease of EC after flowering, pH adjusted twice a week, less plants per m2) leading to a more favorable harvest (higher grain yield and harvest index). Considerably less green tillers without mature grains were present at harvest time in experiment 2 than in experiment 1. The harvest index for dry matter (including roots) ranged from 0.13 to 0.35 in experiment 1 and from 0.23 to 0.41 in experiment 2 with modified culture conditions. The thousand-grain weight for the four varieties ranged from 30.4 to 36.7 g in experiment 1 and from 33.2 to 39.1 g in experiment 2, while market samples were in the range of 39.4–46.9 g. Calcium levels in grains of the hydroponically grown wheat were similar to those from field-grown wheat, while potassium, magnesium, phosphorus, iron, zinc, copper, manganese and nickel levels tended to be higher in the grains of experimental plants. It remains a challenge for future experiments to further adapt the nutrient supply in order to improve senescence of vegetative plant parts, harvest index and the composition of bread wheat grains.

Modeling the heterogeneous ice and gas coma of Comet 103P/Hartley 2

The spectacular images of Comet 103P/Hartley 2 recorded by the Medium Resolution Instrument (MRI) and High Resolution Instrument (HRI) on board of the Extrasolar Planet Observation and Deep Impact Extended Investigation (EPOXI) spacecraft, as the Deep Impact extended mission, revealed that its bi-lobed very active nucleus outgasses volatiles heterogeneously. Indeed, CO2 is the primary driver of activity by dragging out chunks of pure ice out of the nucleus from the sub-solar lobe that appear to be the main source of water in Hartley 2's coma by sublimating slowly as they go away from the nucleus. However, water vapor is released by direct sublimation of the nucleus at the waist without any significant amount of either CO2 or icy grains. The coma structure for a comet with such areas of diverse chemistry differs from the usual models where gases are produced in a homogeneous way from the surface. We use the fully kinetic Direct Simulation Monte Carlo model of Tenishev et al. (Tenishev, V.M., Combi, M.R., Davidsson, B. [2008]. Astrophys. J. 685, 659-677; Tenishev, V.M., Combi, M.R., Rubin, M. [2011]. Astrophys. J. 732, 104-120) applied to Comet 103P/Hartley 2 including sublimating icy grains to reproduce the observations made by EPOXI and ground-based measurements. A realistic bi-lobed nucleus with a succession of active areas with different chemistry was included in the model enabling us to study in details the coma of Hartley 2. The different gas production rates from each area were found by fitting the spectra computed using a line-by-line non-LTE radiative transfer model to the HRI observations. The presence of icy grains with long lifetimes, which are pushed anti-sunward by radiation pressure, explains the observed OH asymmetry with enhancement on the night side of the coma.