Räumliche und jahreszeitliche Verteilung von OH- und HO 2-Radikalen in der Troposphäre über Europa

Durch geologische Prozesse freigesetzte sowie biogen und anthropogen emittierte Gase werden hauptsächlich von der untersten Atmosphärenschicht, der Troposphäre, aufgenommen und abgebaut. Durch in die Troposphä¬re einfallende solare Strahlung wird ein Abbau des Großteils der emittierten Spurengase durch reaktive Radikale initiiert. Der wichtigste Vertreter dieser reaktiven Radikale in der Troposphäre ist das Hydroxylradikal (OH-Radikal), welches im schnellen Gleichgewicht mit Hydroperoxyradikalen (HO2-Radikal) vorliegt, sodass die Summe aus OH- und HO2-Radikalen oft als HOx zusammengefasst wird. HOx-Radikale bilden tagsüber den Hauptteil der Oxidationskapazität der Troposphäre und sind somit verantwortlich für den oxidativen Abbau vieler, auch chemisch und photolytisch stabiler, Spurengase. Daher wird die Oxidationskapazität als Selbstreinigungskraft der Troposphäre verstanden. rnIm Rahmen meiner Arbeit wurde die wissenschaftliche Fragestellung auf die Oxidationskapazität der Troposphäre über Europa fokussiert. Die Höhen- und Breitenverteilung der OH- und HO2-Mischungsverhältnisse und ihre jahreszeitliche Variation wurde während der flugzeuggestützten HOOVER-Kampagnen (HOOVER 1 & 2) charakterisiert, wobei ein Fokus auf der oberen Troposphäre lag. Es wird gezeigt, welchen Einfluss die einfallende Strahlung, die Variation von HOx-Vorläufersubstanzen (wie z. B. Ozon) und die Variation von Substanzen, die das HOx-Gleichgewicht beeinflussen (z. B. Stickstoffmonoxid), auf das HOx-Budget haben. rnEs wird beispielhaft für den Höhenbereich zwischen 8 und 9.5 km gezeigt, dass die Oxidationskapazität in der oberen Troposphäre des Sommers im Ver¬gleich zu der des Herbstes aufgrund von einer verstärkten HO2-Zyklierung im Mittel deutlich erhöht ist (500 %). rnDurch konvektiven Transport werden im Sommer im Gegensatz zum Herbst regelmäßig Luftmassen aus der planetaren Grenzschicht in die obere Troposphäre eingemischt. Daher wurden der konvektive Luftmassentransport und der Einfluss der eingemischten Spurengase auf die Oxidationskapazität der oberen Troposphäre anhand eines konvektiven Elements über Südostdeutschland untersucht. Wie in dieser Arbeit berichtet wird, wurden in den Luftmassen der Ausströmregion mit bis zu 3.5 pmol/mol (Maximum 10 s-Mittelwert) sehr hohe OH-Mischungsverhältnisse gefunden, die aus der HO2-Konversion mit NO gebildet wurden. Das modellierte HOx-Budget zeigt, dass die HOx-Chemie - unter den beobachteten Bedingungen in der Ausströmregion - durch HOx-Zyklierungsreaktionen beherrscht wird. rnDie gemessenen OH-Mischungsverhältnisse in der Ausströmregion liegen etwa um einen Faktor fünf höher, als die während dieses Fluges in der konvektiv unbeeinflussten oberen Troposphäre gemessenen OH-Mischungsverhältnisse. Am Beispiel der NO2- und CH4-Lebensdauer wird ein schnellerer Abbau von Spurengasen aufgrund der erhöhten Oxidationskapazität nachgewiesen. Aus der NO2-Lebensdauer wird abgeschätzt, wie lange die Oxidationskapazität aufgrund des konvektiven Transports von NOx in den Luftmassen des Ausströmgebietes erhöht ist.rnDie während den Kampagnen durchgeführten Messungen wurden genutzt, um Modellberechnungen des vertikalen HOx-Budgets (über Südschweden) und des meridionalen HOx-Budgets zwischen Nordeuropa und Korsika durchzuführen. Es wurde gezeigt, dass das Modell die OH- und HO2-Mischungsverhältnisse im Allgemeinen gut reproduziert (Modell/Messung: OH im Sommer 94 %, HO2 im Sommer 93 % im Herbst 95 %), wohingegen die vergleichsweise kleinen OH-Mischungsverhältnisse im Herbst aufgrund von einer überschätzten H2O2 abhängigen OH-Produktion stark überschätzt wurden (Modell/Messung: 147 %). rnZur Charakterisierung der Oxidationskapazität innerhalb der planetaren Grenzschicht wurden die DOMINO-Kampagnen durchgeführt. Dabei wurde die Zusammensetzung unterschiedlicher Luftmassen untersucht, die aus verschiedenen Herkunftsorten zum Messort transportiert wurden und aufgrund ihres Ursprungs kaum prozessierte bis prozessierte anthropogen emittierte Spurengase enthielten. Zusätzlich enthielt ein Teil der Luftmassen biogen emittierte Spurengase. Komplementäre Messungen ermöglichen die Berechnung der totalen OH-Produktion und den Vergleich mit den bekannten OH-Quellen. Der Vergleich zeigt, dass offenbar wichtige OH-Produktionskanäle durch die gemessenen Spurengase oder die durchgeführten Berechnungen nicht abgebildet werden. Es wird gezeigt, dass die Stärke der unbekannten OH-Quellen, vor allem unter niedrigen NO-Bedingungen, groß ist und mit den Isopren-, RO2- und HO2-Mischungsverhältnissen korreliert.rn

Kinetische Studien zur OH-Bildung über die Reaktionen von HO 2 mit organischen Peroxyradikalen

Es wurde untersucht, wie sich das Substitutionsmuster organischer Peroxyradikale (RO2) auf die Ratenkonstante k1 und die Verzweigungsverhältnisse α, β und γ der Reaktionen von RO2 mit HO2 auswirkt. Die Effekte der Deuterierung von HO2 wurden ebenfalls studiert. Für zwei RO2 wurde zusätzlich das UV-Absorptionsspektrum bestimmt.rnrn αrnRO2 + HO2 → RO + OH + O2 R1arnrn βrn → RO2H + O2 R1brnrn γrn → ROH + O3 R1crnrnIn dieser Arbeit wurde ein neues Experiment aufgebaut. Für die direkte und zeitaufgelöste Messung der OH-Konzentration wurde das Verfahren der Laser-induzierten Fluoreszenz angewendet. Die Radikalerzeugung erfolgte mittels gepulster Laserphotolyse, wodurch unerwünschte Nebenreaktionen weitgehend unterdrückt werden konnten. Mittels transienter Absorptionsspektroskopie konnten die Menge der photolytisch erzeugten Radikale bestimmt und die Ozonbildung über R1c quantifiziert werden. Für die Auswertung wurden kinetische Modelle numerisch an die Messdaten angepasst. Um die experimentellen Unsicherheiten abzuschätzen, wurde ein Monte-Carlo-Ansatz gewählt.rnrnk1 und α reagieren sehr empfindlich auf Veränderungen des RO2-Substitutionsmusters. Während sich eine OH-Bildung für das unsubstituierte C2H5O2 (EtP) mit α EtP ≤ 5 % nicht nachweisen lässt, stellt R1a bei den α-Oxo-substituierten H3CC(O)O2 (AcP) und HOCH2C(O)O2 (HAP) mit α AcP = (63 ± 11) % bzw. α HAP = (69 ± 12) % den Hauptkanal dar. Wie die mit α HEP = (10 ± 4) % geringfügige OH-Bildung bei HOC2H4O2 (HEP) zeigt, nimmt die OH-Gruppe in β-Stellung weniger Einfluss auf den Wert von α als die Oxogruppe in α-Stellung. Bei der Erzeugung α-Oxo-substituierter RO2 kann ebenfalls OH entstehen (R+O2→RO2/OH). Die Druckabhängigkeit dieser OH-Quelle wurde mit einem innovativen Ansatz bestimmt. Mit γ AcP = (15+5-6) % bzw. γ HAP = (10+2-3) % lässt sich für die Reaktionen der α-Oxo-substituierten RO2 eine erhebliche Ozonbildung nachweisen. Durch die Einführung der α-Oxogruppe steigt k1 jeweils um 1,3 • 10-11 cm3s-1 an, der Effekt der β-Hydroxygruppe ist halb so groß (k1 AcP = (2,0 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1, k1 HAP = (2,6 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1). Das Verzweigungsverhältnis α steigt weiter, wenn das HO2 deuteriert wird (α AcP,iso = (80 ± 14) %, k1 AcP,iso = (2,1 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1). Vergleiche mit älteren Studien zeigen, dass die OH-Bildung über R1a bislang deutlich unterschätzt worden ist. Die möglichen Ursachen für die Unterschiede zwischen den Studien werden ebenso diskutiert wie die Hintergründe der beobachteten Substituenteneffekte.

Riduzione selettiva della 2-furaldeide ad alcol furfurilico e metil furano con catalizzatori a base di Mg/M/O e metanolo come fonte di idrogeno

Le biomasse sono attualmente la più promettente alternativa ai combustibili fossili per la produzione di sostanze chimiche e fuels. A causa di problematiche di natura etica la ricerca oggi si sta muovendo verso l'uso delle biomasse che sfruttano terreni non coltivabili e materie prime non commestibili, quali la lignocellulosa. Attualmente sono state identificate diverse molecole piattaforma derivanti da biomasse lignocellulosiche. Tra queste ha suscitato grande interesse la 2-furaldeide o furfurale (FU). Tale molecola può essere ottenuta mediante disidratazione di monosaccaridi pentosi e possiede elevate potenzialità; è infatti considerata un intermedio chiave per la sintesi di un’ampia varietà di combustibili alternativi come il metilfurano (MFU) e prodotti ad elevato valore aggiunto per l’industria polimerica e la chimica fine come l’alcol furfurilico (FAL). In letteratura tali prodotti vengono principalmente ottenuti in processi condotti in fase liquida mediante l’utilizzo di catalizzatori eterogenei a base di metalli nobili come: Ni-Co-Ru-Pd, Pt/C o Pt/Al2O3, NiMoB/γ-Al2O3, in presenza di idrogeno molecolare come agente riducente. La riduzione del gruppo carbonilico mediante l’utilizzo di alcoli come fonti di idrogeno e catalizzatori a base di metalli non nobili tramite la reazione di Meerwein–Ponndorf–Verley (MPV), rappresenta un approccio alternativo che limita il consumo di H2 e permette di utilizzare bio-alcoli come donatori di idrogeno. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di mettere a punto un processo continuo, in fase gas, di riduzione della FU a FAL e MFU, utilizzando metanolo come fonte di idrogeno tramite un meccanismo di H-transfer. In dettaglio il lavoro svolto può essere così riassunto: Sintesi dei sistemi catalitici MgO e Mg/Fe/O e loro caratterizzazione mediante analisi XRD, BET, TGA/DTA, spettroscopia RAMAN. Studio dell’attività catalitica dei catalizzatori preparati nella reazione di riduzione in fase gas di FU a FAL e MFU utilizzando metanolo come fonte di idrogeno.

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.

Crystal chemistry and hydrogen bonding of rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)(OH)2Cl2 with variable OH, Cl, F

Three samples of the skarn mineral rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)(OH)2Cl2, space group C2/c, a ≈7.6, b ≈ 18.5, c ≈ 15.5 Å, β ≈ 104°, with variable OH, Cl, F content were investigated by electron microprobe, single-crystal X-ray structure refinements, and Raman spectroscopy. “Rust1LCl” is a low chlorine rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)(OH1.88F0.12)(Cl1.28,OH0.72) from skarns associated with the Rize batholith near Ikizedere, Turkey. “Rust2F” is a F-bearing rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)(OH1.13F0.87) (Cl1 96OH0.04) from xenoliths in ignimbrites of the Upper Chegem Caldera, Northern Caucasus, Russia. “Rust3LClF” represents a low-Cl, F-bearing rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)0.87(H4O4)0.13(OH1.01F0.99) (Cl1.00 OH1.00) from altered merwinite skarns of the Birkhin massif, Baikal Lake area, Eastern Siberia, Russia. Rustumite from Birkhin massif is characterized by a significant hydrogarnet-like or fluorine substitution at the apices of the orthosilicate group, leading to specific atomic displacements. The crystal structures including hydrogen positions have been refined from single-crystal X-ray data to R1 = 0.0205 (Rust1_LCl), R1 = 0.0295 (Rust2_F), and R1 = 0.0243 (Rust3_LCl_F), respectively. Depletion in Cl and replacement by OH is associated with smaller unit-cell dimensions. The substitution of OH by F leads to shorter hydrogen bonds O-H⋯F instead of O-H⋯OH. Raman spectra for all samples have been measured and confirm slight strengthening of the hydrogen bonds with uptake of F.This study discusses the complex crystal chemistry of the skarn mineral rustumite and may provide a wider understanding of the chemical reactions related to contact metamorphism of limestones.

Quantification of anandamide and 2-arachidonoylglycerol plasma levels to examine potential influences of tetrahydrocannabinol application on the endocannabinoid system in humans

The effects of tetrahydrocannabinol (THC) and endogenous cannabinoids (endocannabinoids, ECs) are both mediated by activation of the cannabinoid receptors CB1 and CB2. Exogenous activation of these receptors by THC could therefore alter EC levels. We tested this hypothesis in healthy volunteers (n = 25) who received a large intravenous dose of THC (0.10 mg/kg). Effects on the EC system were quantified by serial measurements of plasma ECs after THC administration. Eleven blood samples were drawn during the first 5 h after THC administration and two more samples after 24 and 48 h. THC, its metabolites THC-OH (biologically active) and THC-COOH (non-active), and the ECs anandamide and 2-arachidonoylglycerol (2-AG) were quantified by liquid chromatography-mass spectrometry. EC-plasma levels showed a biphasic response after THC injection reaching maximal values at 30 min. Anandamide increased slightly from 0.58 ± 0.21 ng/ml at baseline to 0.64 ± 0.24 ng/ml (p < 0.05) and 2-AG from 7.60 ± 4.30 ng/ml to 9.50 ± 5.90 ng/ml (p < 0.05). After reaching maximal concentrations, EC plasma levels decreased markedly to a nadir of 300 min after THC administration (to 0.32 ± 0.15 ng/ml for anandamide and to 5.50 ± 3.01 ng/ml for 2-AG, p < 0.05). EC plasma concentrations returned to near baseline levels until 48 h after the experiment. THC (0.76 ± 0.16 ng/ml) and THC-OH (0.36 ± 0.17 ng/ml) were still measurable at 24 h and remained detectible until 48 h after THC administration. Although the underlying mechanism is not clear, high doses of intravenous THC appear to influence endogenous cannabinoid concentrations and presumably EC-signalling.

Interaction of the Trinuclear Triangular Secondary Building Unit [Cu 3 (μ 3 -OH)(μ-pz) 3 ] 2+ with 4,4′-Bipyridine. Structural Characterizations of New Coordination Polymers and Hexanuclear Cu II Clusters. 2°

By reacting 4,4′-bipyridine (bpy) with selected trinuclear triangular CuII complexes, [Cu3(μ3-OH)(μ-pz)3(RCOO)2(LL′)] [pz = pyrazolate anion; R = CH3, CH3CH2, CH2═CH, CH2═C(CH3); L, L′ = Hpz, H2O, MeOH] in MeOH, the substitution of monotopic ligands by ditopic bpy was observed. Depending on the stoichiometric reaction ratios, different compounds were isolated and structurally characterized. One- and two-dimensional coordination polymers (CPs), as well as two hexanuclear CuII clusters were identified. One of the hexanuclear clusters self-assembles into a supramolecular three-dimensional structure, and its crystal packing shows the presence of two intersecting channels, one of which is almost completely occupied by guest bpy, while in the second one guest water molecules are present. This compound also shows a reversible, thermally induced, single-crystal-to-single-crystal transition.

Synthesis and Structural Characterizations of New Coordination Polymers Generated by the Interaction Between the Trinuclear Triangular SBU [Cu 3 (μ 3 -OH)(μ-pz) 3 ] 2+ and 4,4′-Bipyridine. 3°

The reactions of 4,4′-bipyridine with selected trinuclear triangular copper(II) complexes, [Cu3(μ3-OH)(μ-pz)3(RCOO)2Lx], [pz = pyrazolate anion, R = CH3(CH2)n (2 ≤ n ≤ 5); L = H2O, MeOH, EtOH] yielded a series of 1D coordination polymers (CPs) based on the repetition of [Cu3(μ3-OH)(μ-pz)3] secondary building units joined by bipyridine. The CPs were characterized by conventional analytical methods (elemental analyses, ESI-MS, IR spectra) and single crystal XRD determinations. An unprecedented 1D CP, generated through the bipyridine bridging hexanuclear copper clusters moieties, two 1D CPs presenting structural analogies, and two monodimensional tapes having almost exactly superimposable structures, were obtained. In one case, the crystal packing makes evident the presence of small, not-connected pores, accounting for ca. 6% of free cell volume.

(Table 2) B/Ca, d11B, Mg/Ca and d18O record for ODP Hole 130-806B samples

We present the first continuous records from 0 to 5 Ma (in 0.333 m.y. integrated time steps) of paired boron/calcium (B/Ca) ratios and boron isotopes (d11B) in the planktonic foraminifera Globogerinoides sacculifer (without sacc) from a site in the western equatorial Pacific Ocean (Ocean Drilling Program Site 806). These measurements, the first made in conjunction with calcification temperature (magnesium/calcium ratios) and average shell mass measurements, indicate that pH is not the sole environmental variable controlling B in planktonic foraminiferal calcite. Our data are consistent with calcification temperature exerting a primary control on B concentration and isotopic composition in planktonic foraminifera. If so, calcification temperature must be taken into account if pH for past oceans and atmospheric pCO2 are to be estimated from B isotope measurements in foraminiferal calcite. Doing so will substantially increase the uncertainty of pH estimates. Although this work was designed as a temporal study, its results define new aspects of calibrating the d11B paleo-pH tracer.