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.

Untersuchungen zur troposphärischen Photochemie am GAW-Observatorium Izana

Im Rahmen dieser Promotionsarbeit wurden Fragestellungen der troposphärischen Ozonproduktion, des photostationären Gleichgewicht des NO2-NO-O3-ROx-Systems, des Einflusses von heterogenen Reaktionen an Mineralstauboberflächen und der Bedeutung lokaler anthropogener Emissionen für Spurengasmessungen an einem Gebirgsobservatorium untersucht. Dazu wurde insbesondere ein atmosphärenchemisch-meteorologischer Datensatz ausgewertet, welcher während der Feldmesskampagne MINATROC II im Juli/August 2002 am Global Atmosphere Watch (GAW) Observatorium Izana (2360m über NN) auf Teneriffa gewonnen wurde. Der Datensatz enthält Messdaten von Aerosolen, Spurengasen, Strahlungsgrößen und meteorologischen Parametern. Eine dichte Sahara-Staubwolke passierte die Messstation zwischen dem 28. und 31.07.2002. Die Mischungsverhältnisse von O3, H2O2, NOx und ROx zeigten während dieses Ereignisses Abnahmen zwischen 10% und 50%. Insbesondere infolge der Reduktion von NO und HO2 wurde eine deutliche Verringerung der Netto-Ozon-Produktion in der Staubwolke berechnet. Die Bewertung der verschiedenen Terme der Ozonproduktion bzw. –vernichtung zeigte relativ geringe Beiträge der einzelnen photochemischen Verlustreaktionen am Ozonbudget. Im Rahmen einer Boxmodellstudie, welche die Eingangsdaten von MINATROC II verwendete, wurde ein Vergleich zwischen Simulation und Messung kurzlebiger Spurengase angestellt. Die Modellrechnungen weisen darauf hin, dass die reduzierten H2O2-Mischungsverhältnisse in der Sahara-Staubwolke unter Berücksichtigung heterogener Reaktionen von HO2 bzw. H2O2 an Stauboberflächen erklärt werden können. Die Betrachtungen zum photostationären Gleichgewicht des NO2-NO-O3-ROx-Systems ergeben hauptsächlich stark überhöhte Leighton-Verhältnisse. Die Abweichungen der Messdaten vom photostationären Gleichgewichtszustand sind dabei zum Verschmutzungsgrad der Atmosphäre antikorreliert. Eine Reihe potentieller Einflüsse auf das NO2-NO-O3-ROx-System wurde diskutiert, wobei gezeigt werden konnte, dass das bisherige Betrachtungsmodell nicht ausreicht, um die beobachteten Abweichungen vom photostationären Gleichgewicht zu erklären. Während für die Nachtmessungen von MINATROC II Bedingungen der freien Troposphäre vorlagen, waren die Messungen am Tage von der Kopplung zwischen photochemischer Aktivität und thermisch getriebener Hangströmung betroffen. Die zum Messort gelangte anthropogen beeinflusste Grenzschichtluft konnte dabei auf maximalen Mischungsanteilen zwischen 15% und 85% quantifiziert werden. Abschließend wurden verschiedene Aspekte der Quellen und der Verteilung anthropogener Verschmutzungen auf Teneriffa im Zusammenhang der zuvor behandelten Fragen diskutiert.

OH- und HO 2-Radikale über dem tropischen Regenwald

Beständig werden Spurenstoffe in die Atmosphäre emittiert, die ihren Ursprung in biogenen oder anthropogenen Quellen haben. Daß es dennoch im allgemeinen nicht zu einer Anreicherung bis hin zu toxischen Konzentrationen kommt, liegt an dem Vermögen der Atmosphäre sich durch Oxidationsprozesse selbst zu reinigen. Eine wichtige Aufgabe kommt dabei dem Hydroxylradikal OH zu, welches tagsüber die Oxidationskapazität der Atmosphäre bestimmt. Hierbei spielen die tropischen Regionen mit einer der höchsten OH-Produktionsraten eine zentrale Rolle. Gleichzeitig sind die tropischen Regenwälder eine bedeutende globale Quelle für Kohlenwasserstoffe, die durch Reaktion mit OH-Radikalen dessen Konzentration und damit die Oxidationskapazität der Atmosphäre herabsetzen. Während der GABRIEL-Meßkampagne 2005 im äquatorialen Südamerika wurde der Einfluß der Regenwaldemissionen auf das HOx-Budget (HOx = OH+HO2) untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Radikalmeßinstrument HORUS entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Komponenten des Gerätes optimiert, der Meßaufbau ins Flugzeug integriert und Methoden zur Kalibrierung entwickelt. Bei der internationalen Vergleichskampagne HOxComp2005 zeigte HORUS seine Eignung zur Messung von troposphärischen OH- und HO2-Radikalen.rnrnDie durchgeführten HOx-Messungen während der GABRIEL-Meßkampagne sind die ersten ihrer Art, die über einem tropischen Regenwald stattgefunden haben. Im Gegensatz zu den Vorhersagen globaler Modelle wurden unerwartet hohe OH- und HO2-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht des tropischen Regenwalds beobachtet. Der Vergleich der berechneten OH-Produktions- und Verlustraten, die aus dem umfangreichen Datensatz von GABRIEL ermittelt wurden, zeigte, daß hierbei eine wichtige OH-Quelle unberücksichtigt blieb. Mit Hilfe des Boxmodells MECCA, in welchem die gemessenen Daten als Randbedingungen in die Simulationen eingingen, wurden die modellierten OH- und HO2- Konzentrationen im Gleichgewichtszustand den beobachteten Konzentrationen gegenübergestellt. Luftmassen der freien Troposphäre und der maritimen Grenzschicht zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Modell. Über dem tropischen Regenwald jedoch wurden die beobachteten HOx-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht durch das Modell, vor allem am Nachmittag, signifikant unterschätzt. Dabei lag die Diskrepanz zwischen den beobachteten und simulierten Konzentrationen bei einem mittleren Wert von OHobs/OHmod = 12.2 ± 3.5 und HO2obs/HO2mod = 4.1 ± 1.4. Die Abweichung zwischen Messung und Modell korrelieren hierbei mit der Isoprenkonzentration. Während für niedrige Isoprenmischungsverhältnisse, wie sie über dem Ozean oder in Höhen > 3 km vorherrschten, die Beobachtungen mit den Simulationen innerhalb eines Faktors 1.6±0.7 übereinstimmten, nahm die Unterschätzung durch das Modell für steigende Isoprenmischungsverhältnisse > 200 pptV über dem tropischen Regenwald zu.rnrnDer kondensierte chemische Mechanismus von MECCA wurde mit der ausführlichen Isoprenchemie des ”Master Chemical Mechanism“ überprüft, welches vergleichbare HOx-Konzentrationen lieferte. OH-Simulationen, durchgeführt mit der gemessenen HO2-Konzentration als zusätzliche Randbedingung, zeigten, daß die Konversion zwischen HO2 und OH innerhalb des Modells nicht ausreichend ist. Durch Vernachlässigung der gesamten Isoprenchemie konnte dagegen eine Übereinstimmung zwischen Modell und Messung erreicht werden. Eine OH-Quelle in der gleichen Größenordnung wie die OH-Senke durch Isopren, ist somit zur Beschreibung der beobachteten OH-Konzentration notwendig. Reaktionsmechanismen, die innerhalb der Isoprenchemie die gleiche Anzahl an OH-Radikalen erzeugen wie sie verbrauchen, könnten eine mögliche Ursache sein. Unterschiedliche zusätzliche Reaktionen wurden in die Isoprenabbaumechanismen des Modells implementiert, die zur Erhöhung der OH-Quellstärke führen sollten. Diese bewirkten eine Zunahme der simulierten HO2-Konzentrationen um einen maximalen Faktor von 5 für OH und 2 für HO2. Es wird eine OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit r von bis zu 94% gefordert, wie sie für die GABRIEL-Messungen erreicht wurde. Die geringe OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit von 38% des Modells zeigte, daß wichtige Zyklierungsvorgänge im chemischen Mechanismus bislang nicht berücksichtigt werden. Zusätzliche Zyklierungsreaktionen innerhalb des Isoprenmechanismus, die auch unter niedrigen NO-Konzentrationen zur Rückbildung von OHRadikalen führen, könnten eine Erklärung für die über dem Regenwald beobachteten hohen OH-Konzentration liefern.rn

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.

Modeling contaminant behavior in Lake Superior : a comparison of PCBs, PBDEs, and mercury

A mass‐balance model for Lake Superior was applied to polychlorinated biphenyls (PCBs), polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), and mercury to determine the major routes of entry and the major mechanisms of loss from this ecosystem as well as the time required for each contaminant class to approach steady state. A two‐box model (water column, surface sediments) incorporating seasonally adjusted environmental parameters was used. Both numerical (forward Euler) and analytical solutions were employed and compared. For validation, the model was compared with current and historical concentrations and fluxes in the lake and sediments. Results for PCBs were similar to prior work showing that air‐water exchange is the most rapid input and loss process. The model indicates that mercury behaves similarly to a moderately‐chlorinated PCB, with air‐water exchange being a relatively rapid input and loss process. Modeled accumulation fluxes of PBDEs in sediments agreed with measured values reported in the literature. Wet deposition rates were about three times greater than dry particulate deposition rates for PBDEs. Gas deposition was an important process for tri‐ and tetra‐BDEs (BDEs 28 and 47), but not for higher‐brominated BDEs. Sediment burial was the dominant loss mechanism for most of the PBDE congeners while volatilization was still significant for tri‐ and tetra‐BDEs. Because volatilization is a relatively rapid loss process for both mercury and the most abundant PCBs (tri‐ through penta‐), the model predicts that similar times (from 2 ‐ 10 yr) are required for the compounds to approach steady state in the lake. The model predicts that if inputs of Hg(II) to the lake decrease in the future then concentrations of mercury in the lake will decrease at a rate similar to the historical decline in PCB concentrations following the ban on production and most uses in the U.S. In contrast, PBDEs are likely to respond more slowly if atmospheric concentrations are reduced in the future because loss by volatilization is a much slower process for PBDEs, leading to lesser overall loss rates for PBDEs in comparison to PCBs and mercury. Uncertainties in the chemical degradation rates and partitioning constants of PBDEs are the largest source of uncertainty in the modeled times to steady‐state for this class of chemicals. The modeled organic PBT loading rates are sensitive to uncertainties in scavenging efficiencies by rain and snow, dry deposition velocity, watershed runoff concentrations, and uncertainties in air‐water exchange such as the effect of atmospheric stability.

Study of particle movement in the nearshore region of Lake Superior with radioisotope tracers

Biogeochemical processes in the coastal region, including the coastal area of the Great Lakes, are of great importance due to the complex physical, chemical and biological characteristics that differ from those on either the adjoining land or open water systems. Particle-reactive radioisotopes, both naturally occurring (210Pb, 210Po and 7Be) and man-made (137Cs), have proven to be useful tracers for these processes in many systems. However, a systematic isotope study on the northwest coast of the Keweenaw Peninsula in Lake Superior has not yet been performed. In this dissertation research, field sampling, laboratory measurements and numerical modeling were conducted to understand the biogeochemistry of the radioisotope tracers and some particulate-related coastal processes. In the first part of the dissertation, radioisotope activities of 210Po and 210Pb in a variability of samples (dissolved, suspended particle, sediment trap materials, surficial sediment) were measured. A completed picture of the distribution and disequilibrium of this pair of isotopes was drawn. The application of a simple box model utilizing these field observations reveals short isotope residence times in the water column and a significant contribution of sediment resuspension (for both particles and isotopes). The results imply a highly dynamic coastal region. In the second part of this dissertation, this conclusion is examined further. Based on intensive sediment coring, the spatial distribution of isotope inventories (mainly 210Pb, 137Cs and 7Be) in the nearshore region was determined. Isotope-based focusing factors categorized most of the sampling sites as non- or temporary depositional zones. A twodimensional steady-state box-in-series model was developed and applied to individual transects with the 210Pb inventories as model input. The modeling framework included both water column and upper sediments down to the depth of unsupported 210Pb penetration. The model was used to predict isotope residence times and cross-margin fluxes of sediments and isotopes at different locations along each transect. The time scale for sediment focusing from the nearshore to offshore regions of the transect was on the order of 10 years. The possibility of sediment longshore movement was indicated by high inventory ratios of 137Cs: 210Pb. Local deposition of fine particles, including fresh organic carbon, may explain the observed distribution of benthic organisms such as Diporeia. In the last part of this dissertation, isotope tracers, 210Pb and 210Po, were coupled into a hydrodynamic model for Lake Superior. The model was modified from an existing 2-D finite difference physical-biological model which has previously been successfully applied on Lake Superior. Using the field results from part one of this dissertation as initial conditions, the model was used to predict the isotope distribution in the water column; reasonable results were achieved. The modeling experiments demonstrated the potential for using a hydrodynamic model to study radioisotope biogeochemistry in the lake, although further refinements are necessary.

Two Stable Equilibria of the Atlantic Subpolar Gyre

The cyclonic circulation of the Atlantic subpolar gyre is a key mechanism for North Atlantic climate variability on a wide range of time scales. It is generally accepted that it is driven by both cyclonic winds and buoyancy forcing, yet the individual importance and dynamical interactions of the two contributions remain unclear. The authors propose a simplified four-box model representing the convective basin of the Labrador Sea and its shallow and deep boundary current system, the western subpolar gyre. Convective heat loss drives a baroclinic flow of relatively light water around the dense center. Eddy salt flux from the boundary current to the center increases with a stronger circulation, favors the formation of dense waters, and thereby sustains a strong baroclinic flow, approximately 10%–25% of the total. In contrast, when the baroclinic flow is not active, surface waters may be too fresh to convect, and a buoyancy-driven circulation cannot develop. This situation corresponds to a second stable circulation mode. A hysteresis is found for variations in surface freshwater flux and the salinity of the near-surface boundary current. An analytical solution is presented and analyzed.

Transport of 234U in the Opalinus Clay on centimetre to decimetre scales

The Opalinus Clay formation in North Switzerland is a potential host rock for a deep underground radioactive waste repository. The distribution of U-238, U-234 and Th-230 was studied in rock samples of the Opalinus Clay from an exploratory borehole at Benken (Canton of Zurich) using MC-ICP-MS. The aim of U-234 was to assess the in situ, long-term migration behaviour in this rock. Very low hydraulic conductivities of the Opalinus Clay, reducing potential of the pore water and its chemical equilibrium with the host rock are expected to render both U-238 and Th-230 immobile. If U is heterogeneously distributed in the Opalinus Clay, gradients in the supply of U-234 from the rock matrix to the pore water by the decay of U-238 will be established. Diffusive redistribution separates U-234 from its immobile parent U-238 resulting in bulk rock U-234/U-238 activity disequilibria. These may provide a means of estimating the mobility of U-234 in the rock if the diffusion rate of U-234 is significant compared to its decay rate. Sampling was carried out on two scales. Drilling of cm-spaced samples from the drill-core was done to study mobility over short distances and elucidate possible small-scale lithological control. Homogenized 25-cm-long portions of a 2-m-long drill-core section were prepared to provide information on transport over a longer distance. Variations in U and/or Th content on the cm-scale between clays and carbonate-sandy layers are revealed by beta-scanning, which shows that the (dominant) clay is richer in both elements. Samples were digested using aqua regia followed by total HF dissolution, yielding two fractions. in all studied samples U was found to be concentrated in the HF digestion fraction. It has a high U/Th ratio and a study by SEM-EDS points to sub-mu m up to several mu m in size zircon grains as the main U-rich phase. This fraction consistently has U-234/U-238 activity ratios below unity. The minute zircon grains constitute the major reservoir of U in the rock and act as constant rate suppliers of U-234 into the rock matrix and the pore water. The aqua regia leach fraction was found to be enriched in Th, and complementary to the HF fraction, having U-234/U-238 activity ratios above unity. It is believed that these U activity ratios reflect the surplus of having U-234 delivered from the zircon grains. Some cm-spaced samples show bulk rock U-234/U-238 activity ratios that are markedly out of equilibrium. In most of them a striking negative correlation between the total U content and the bulk rock U-234/U-238 activity ratios is observed. This is interpreted to indicate net U-234 transfer from regions of higher supply of U-234 towards those of lower supply which is, in most cases, equivalent to transfer from clayey towards carbonate/sandy portions of the rock. In contrast, the 25 cm averaged samples all have uniform bulk rock U-234/U-238 activity ratios in equilibrium, indicating U immobility in the last 1-1.5 Ma on this spatial scale. It is concluded that the small-scale lithological variations which govern U spatial distribution in the Opalinus Clay are the major factor determining U-234 in situ supply rates, regulating its diffusive fluxes and controlling the observed bulk rock U-234/U-238 activity ratios. A simple box-model is presented to simulate the measured bulk rock U-234/U-238 activity ratios and to give an additional insight into the studied system. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A study of electron recombination using highly ionizing particles in the ArgoNeuT Liquid Argon TPC

Electron recombination in highly ionizing stopping protons and deuterons is studied in the ArgoNeuT detector. The data are well modeled by either a Birks model or a modified form of the Box model. The dependence of recombination on the track angle with respect to the electric field direction is much weaker than the predictions of the Jaffe columnar theory and by theoretical-computational simulations.

Isotopic constraints on marine and terrestrial N2O emissions during the last deglaciation

Nitrous oxide (N2O) is an important greenhouse gas and ozone-depleting substance that has anthropogenic as well as natural marine and terrestrial sources. The tropospheric N2O concentrations have varied substantially in the past in concert with changing climate on glacial–interglacial and millennial timescales. It is not well understood, however, how N2O emissions from marine and terrestrial sources change in response to varying environmental conditions. The distinct isotopic compositions of marine and terrestrial N2O sources can help disentangle the relative changes in marine and terrestrial N2O emissions during past climate variations. Here we present N2O concentration and isotopic data for the last deglaciation, from 16,000 to 10,000 years before present, retrieved from air bubbles trapped in polar ice at Taylor Glacier, Antarctica. With the help of our data and a box model of the N2O cycle, we find a 30 per cent increase in total N2O emissions from the late glacial to the interglacial, with terrestrial and marine emissions contributing equally to the overall increase and generally evolving in parallel over the last deglaciation, even though there is no a priori connection between the drivers of the two sources. However, we find that terrestrial emissions dominated on centennial timescales, consistent with a state-of-the-art dynamic global vegetation and land surface process model that suggests that during the last deglaciation emission changes were strongly influenced by temperature and precipitation patterns over land surfaces. The results improve our understanding of the drivers of natural N2O emissions and are consistent with the idea that natural N2O emissions will probably increase in response to anthropogenic warming.

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.

Modern and fossil corals from Palmyra and Christmas islands

The relationship between decadal to centennial changes in ocean circulation and climate is difficult to discern using the sparse and discontinuous instrumental record of climate and, as such, represents a large uncertainty in coupled ocean-atmosphere general circulation models. We present new modern and fossil coral radiocarbon (D14C) records from Palmyra (6°N, 162°W) and Christmas (2°N, 157°W) islands to constrain central tropical Pacific ocean circulation changes during the last millennium. Seasonally to annually resolved coral D14C measurements from the 10th, 12th-17th, and 20th centuries do not contain significant interannual to decadal-scale variations, despite large changes in coral d18O on these timescales. A centennial-scale increase in coral radiocarbon from the Medieval Climate Anomaly (~900-1200 AD) to the Little Ice Age (~1500-1800) can be largely explained by changes in the atmospheric D14C, as determined with a box model of Palmyra mixed layer D14C. However, large 12th century depletions in Palmyra coral D14C may reflect as much as a 100% increase in upwelling rates and/or a significant decrease in the D14C of higher-latitude source waters reaching the equatorial Pacific during this time. SEM photos reveal evidence for minor dissolution and addition of secondary aragonite in the fossil corals, but our results suggest that coral D14C is only compromised after moderate to severe diagenesis for these relatively young fossil corals.