Characterisation and field deployment of a novel quantitative Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS)

Das Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS) der Firma Aerodyne ist eine Weiterentwicklung des Aerodyne Aerosolmassenspektrometers (Q-AMS). Dieses ist gut charakterisiert und kommt weltweit zum Einsatz. Beide Instrumente nutzen eine aerodynamische Linse, aerodynamische Partikelgrößenbestimmung, thermische Verdampfung und Elektronenstoß-Ionisation. Im Gegensatz zum Q-AMS, wo ein Quadrupolmassenspektrometer zur Analyse der Ionen verwendet wird, kommt beim ToF-AMS ein Flugzeit-Massenspektrometer zum Einsatz. In der vorliegenden Arbeit wird anhand von Laborexperimenten und Feldmesskampagnen gezeigt, dass das ToF-AMS zur quantitativen Messung der chemischen Zusammensetzung von Aerosolpartikeln mit hoher Zeit- und Größenauflösung geeignet ist. Zusätzlich wird ein vollständiges Schema zur ToF-AMS Datenanalyse vorgestellt, dass entwickelt wurde, um quantitative und sinnvolle Ergebnisse aus den aufgenommenen Rohdaten, sowohl von Messkampagnen als auch von Laborexperimenten, zu erhalten. Dieses Schema basiert auf den Charakterisierungsexperimenten, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Es beinhaltet Korrekturen, die angebracht werden müssen, und Kalibrationen, die durchgeführt werden müssen, um zuverlässige Ergebnisse aus den Rohdaten zu extrahieren. Beträchtliche Arbeit wurde außerdem in die Entwicklung eines zuverlässigen und benutzerfreundlichen Datenanalyseprogramms investiert. Dieses Programm kann zur automatischen und systematischen ToF-AMS Datenanalyse und –korrektur genutzt werden.

Characterization of inclusions and their distribution in natural and artificial samples by synchrotron cryo-micro-tomography (SCXRT)

Zur geometrischen Vermessung und Beschreibung von Einschlüssen in natürlichen sowie im Labor geschaffenen Eispartikeln wurde ein neuartiger Versuchaufbau an der Tomographie-Endstation der Material Science Beam Line an der Swiss Light Source (SLS, Paul Scherrer Institut, Villigen, Schweiz) entwickelt. Dieser besteht aus einer Plexiglas-Tasse und einem doppelwandigen Kaptonfolien-Käfig, der wiederum auf die Düse eines CryojetXL (Oxford Instruments) montiert wurde. Abgesehen von dem hohen Maß an Flexibilit¨at bez¨uglich der Installation erlaubt es dieser Aufbau, die Temperatur des Experiments mit einer Genauigkeit von ± 1 K über einen Bereich von 271 K bis 220 K zu regeln. In den hier beschriebenen Experimenten wurde eine räumliche Auflösung von 1.4 µm erzielt.

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

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

Diffusivity and enzymatic activity control the exchange of carbonyl sulfide (COS) between soils and the atmosphere

Carbonylsulfid (COS) ist eines der stabilsten reduzierten schwefelhaltigen Spurengase in der Atmosphäre. In der gut durchmischten Troposphäre bewegt sich seine Konzentration um 500 ppt. COS spielt eine wichtige Rolle in der Produktion von stratosphärischem Aerosol und im Ozon Zyklus. Dieses Spurengas hat eine Vielfalt an natürlichen und anthropogenen Quellen, denen gleichstarke Senken, darunter die dominanten wie Vegetation und Boden, gegenüber stehen. Die Stärke der Senken ist trotz langjähriger Forschungen immer noch Gegenstand der Diskussionen. Daher ist es wichtig die kontrollierenden Parameter zu charakterisieren. Alle Austauschmessungen vor 1990 vermuteten Böden als Quelle von COS, was aber durch Castro and Galloway (1991) klar widerlegt wurde. Heute werden Böden in Ergänzung zur Vegetation grundsätzlich als Senke betrachtet. Vor diesem Hintergrund wurden Bodenproben auf den Austausch von Carbonylsulfid mit der Atmosphäre unter verschiedenen Umgebungsbedingungen untersucht. Drei Ackerböden aus Deutschland, China und Finnland und zwei Waldböden aus Sibirien und Surinam konnten parametrisiert werden in Relation zur atmosphärischen Umgebungskonzentration, Temperatur und Bodenfeuchte (WC). Neben Umgebungskonzentration und Bodenfeuchte, scheinen Bodenstruktur und enzymatische Aktivität die Richtung und Größe des Austauschflusses zu kontrollieren. Die übereinstimmenden Optima für boreale Böden in Relation zum wassergefüllten Porenvolumen des Bodens (WFPS) und die Linearität zwischen Depositionsgeschwindigkeit (Vd) und Bulk density lassen auf eine Dominanz der Abhängigkeit der COS-Aufnahme von der durch WFPS bestimmten Diffusionsfähigkeit schließen. WFPS ist abhängig von WC, Bodenstruktur und Bodenporosität. In Ergänzung zu diesen eher physikalischen Parametern konnte die Carboanhydrase (CA) als kontrollierendes Enzym in Böden identifiziert werden. Erste Versuche zur direkten Bestimmung der CA in den untersuchten Böden erlaubten eine erste, aber noch sehr ungenaue Abschätzung der Enzymaktivität.

Entwicklung und Charakterisierung eines Laserablationsmassenspektrometers zur Echtzeit-Analyse von atmosphärischen Aerosolpartikeln

Das Aerosolmassenspektrometer SPLAT (Single Particle Laser Ablation Time-of-Flight Mass Spectrometer) ist in der Lage, die Größe einzelner Aerosolpartikel in einem Größenbereich von 0,3 µm bis 3 µm zu bestimmen und gleichzeitig chemisch zu analysieren. Die Größenbestimmung erfolgt durch Streulichtmessung und Bestimmung der Flugzeit der Partikel zwischen zwei kontinuierlichen Laserstrahlen. Durch Kalibrationsmessungen kann auf den aerodynamischen Durchmesser der Partikel geschlossen werden. Kurzzeitig nach der Streulichtdetektion werden die Partikel durch einen hochenergetischen gepulsten UV-Laser verdampft und ionisiert. Die Flugzeit der Partikel zwischen den kontinuierlichen Laserstrahlen wird dazu benutzt, die Ankunftszeit der Partikel in der Ionenquelle zu berechnen und den UV-Laserpuls zu zünden. Die entstandenen Ionen werden in einem bipolaren Flugzeitmassen¬spektrometer nachgewiesen. Durch die Laserablation/Ionisation ist das SPLAT in der Lage, auch schwer verdampfbare Komponenten des atmosphärischen Aerosols - wie etwa Minerale oder Metalle - nachzuweisen. Das SPLAT wurde während dieser Arbeit vollständig neu entwickelt und aufgebaut. Dazu gehörten das Vakuum- und Einlasssystem, die Partikeldetektion, die Ionenquelle und das Massen-spektrometer. Beim Design des SPLAT wurde vor allem auf den späteren Feldeinsatz Wert gelegt, was besondere Anforderungen an Mechanik und Elektronik stellte. Die Charakterisierung der einzelnen Komponenten sowie des gesamten Instruments wurde unter Laborbedingungen durchgeführt. Dabei wurde u.a. Detektionseffizienzen des Instruments ermittelt, die abhängig von der Größe der Partikel sind. Bei sphärischen Partikeln mit einem Durchmesser von 600 nm wurden ca. 2 % der Partikel die in das Instrument gelangten, detektiert und chemisch analysiert. Die Fähigkeit zum Feldeinsatz hat das SPLAT im Februar/März 2006 während einer internationalen Messkampagne auf dem Jungfraujoch in der Schweiz bewiesen. Auf dieser hochalpinen Forschungsstation in einer Höhe von ca. 3580 m fand das SPLAT mineralische und metallische Komponenten in den Aerosolpartikeln. Das SPLAT ist ein vielfältig einsetzbares Instrument und erlaubt vor allem in Kombination mit Aerosolmassenspektrometern, die mit thermischer Verdampfung und Elektronenstoßionisation arbeiten, einen Erkenntnisgewinn in der Analytik atmosphärischer Aerosolpartikel.

Measurement of volatile organic compounds and total OH reactivity in the atmosphere

Volatile organic compounds play a critical role in ozone formation and drive the chemistry of the atmosphere, together with OH radicals. The simplest volatile organic compound methane is a climatologically important greenhouse gas, and plays a key role in regulating water vapour in the stratosphere and hydroxyl radicals in the troposphere. The OH radical is the most important atmospheric oxidant and knowledge of the atmospheric OH sink, together with the OH source and ambient OH concentrations is essential for understanding the oxidative capacity of the atmosphere. Oceanic emission and / or uptake of methanol, acetone, acetaldehyde, isoprene and dimethyl sulphide (DMS) was characterized as a function of photosynthetically active radiation (PAR) and a suite of biological parameters, in a mesocosm experiment conducted in the Norwegian fjord. High frequency (ca. 1 minute-1) methane measurements were performed using a gas chromatograph - flame ionization detector (GC-FID) in the boreal forests of Finland and the tropical forests of Suriname. A new on-line method (Comparative Reactivity Method - CRM) was developed to directly measure the total OH reactivity (sink) of ambient air. It was observed that under conditions of high biological activity and a PAR of ~ 450 μmol photons m-2 s-1, the ocean acted as a net source of acetone. However, if either of these criteria was not fulfilled then the ocean acted as a net sink of acetone. This new insight into the biogeochemical cycling of acetone at the ocean-air interface has helped to resolve discrepancies from earlier works such as Jacob et al. (2002) who reported the ocean to be a net acetone source (27 Tg yr-1) and Marandino et al. (2005) who reported the ocean to be a net sink of acetone (- 48 Tg yr-1). The ocean acted as net source of isoprene, DMS and acetaldehyde but net sink of methanol. Based on these findings, it is recommended that compound specific PAR and biological dependency be used for estimating the influence of the global ocean on atmospheric VOC budgets. Methane was observed to accumulate within the nocturnal boundary layer, clearly indicating emissions from the forest ecosystems. There was a remarkable similarity in the time series of the boreal and tropical forest ecosystem. The average of the median mixing ratios during a typical diel cycle were 1.83 μmol mol-1 and 1.74 μmol mol-1 for the boreal forest ecosystem and tropical forest ecosystem respectively. A flux value of (3.62 ± 0.87) x 1011 molecules cm-2 s-1 (or 45.5 ± 11 Tg CH4 yr-1 for global boreal forest area) was derived, which highlights the importance of the boreal forest ecosystem for the global budget of methane (~ 600 Tg yr-1). The newly developed CRM technique has a dynamic range of ~ 4 s-1 to 300 s-1 and accuracy of ± 25 %. The system has been tested and calibrated with several single and mixed hydrocarbon standards showing excellent linearity and accountability with the reactivity of the standards. Field tests at an urban and forest site illustrate the promise of the new method. The results from this study have improved current understanding about VOC emissions and uptake from ocean and forest ecosystems. Moreover, a new technique for directly measuring the total OH reactivity of ambient air has been developed and validated, which will be a valuable addition to the existing suite of atmospheric measurement techniques.

Laboruntersuchungen zur Aufnahme von NH 3 durch Eiskristalle bei Gleichgewicht und beim Wachstum

In dieser Arbeit wurde in Laborexperimenten die Aufnahme von NH3 durch wachsende Eiskristalle und Eiskristalle, die in eisgesättigter Umgebung mit ihrer mittleren Fallgeschwindigkeit angeströmt wurden, untersucht. So sollten die Verhältnisse innerhalb der Wolke beim Wachstum der Eiskristalle “in cloud scavenging“ und unterhalb der Wolke beim Anströmen mit eisgesättigter NH3 - Luftmischung simuliert werden. Bei längerer Exposition dendritischer Eiskristalle mit eisgesättigter NH3 - Luftmischung ist die Diffusion des gebildeten NH4+ in den Eiskristall hinein, entscheidend für den Anteil an NH3, der aus der Gasphase nach der Adsorption als NH4+ im Eis zurückbleibt. Die experimentellen Daten konnten mit einer einfachen Annahme zur Diffusion in einen “halb unendlichen“ Festkörper beschrieben werden. In weiteren Experimenten konnte gezeigt werden, dass die Aufnahme des NH3 durch nicht wachsende Eiskristalle von anderen Spurenstoffen im Eis beeinflusst wird. Eiskristalle, die im Vorfeld des Strömungsadsorptionsexperiments mit NH3, mit SO2 exponiert wurden, zeigten eine deutliche Zunahme der NH3 - Aufnahme aus der Gasphase. Die Aufnahme von NH3 durch nicht wachsende Eiskristalle ist für typische atmosphärische NH3 - Volumenmischungsverhältnisse nicht relevant. Dagegen zeigten die Experimente zur NH3 Aufnahme beim Eiskristallwachstum, dass dieser Prozess in der Atmosphäre nicht vernachlässigt werden kann.

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.

Interactions between the hydrological cycle and atmospheric chemistry

The land-atmosphere exchange of atmospheric trace gases is sensitive to meteorological conditions and climate change. It contributes in turn to the atmospheric radiative forcing through its effects on tropospheric chemistry. The interactions between the hydrological cycle and atmospheric processes are intricate and often involve different levels of feedbacks. The Earth system model EMAC is used in this thesis to assess the direct role of the land surface components of the terrestrial hydrological cycle in the emissions, deposition and transport of key trace gases that control tropospheric chemistry. It is also used to examine its indirect role in changing the tropospheric chemical composition through the feedbacks between the atmospheric and the terrestrial branches of the hydrological cycle. Selected features of the hydrological cycle in EMAC are evaluated using observations from different data sources. The interactions between precipitation and the water vapor column, from the atmospheric branch of the hydrological cycle, and evapotranspiration, from its terrestrial branch, are assessed specially for tropical regions. The impacts of changes in the land surface hydrology on surface exchanges and the oxidizing chemistry of the atmosphere are assessed through two sensitivity simulations. In the first, a new parametrization for rainfall interception in the densely vegetated areas in the tropics is implemented, and its effects are assessed. The second study involves the application of a soil moisture forcing that replaces the model calculated soil moisture. Both experiments have a large impact on the local hydrological cycle, dry deposition of soluble and insoluble gases, emissions of isoprene through changes in surface temperature and the Planetary Boundary Layer height. Additionally the soil moisture forcing causes changes in local vertical transport and large-scale circulation. The changes in trace gas exchanges affect the oxidation capacity of the atmosphere through changes in OH, O$_3$, NO$_x$ concentrations.

Soil biogenic emissions of nitric oxide from arid and semi-arid ecosystems

The biogenic production of NO in the soil accounts for between 10% and 40% of the global total. A large degree of the uncertainty in the estimation of the biogenic emissions stems from a shortage of measurements in arid regions, which comprise 40% of the earth’s land surface area. This study examined the emission of NO from three ecosystems in southern Africa which cover an aridity gradient from semi-arid savannas in South Africa to the hyper-arid Namib Desert in Namibia. A laboratory method was used to determine the release of NO as a function of the soil moisture and the soil temperature. Various methods were used to up-scale the net potential NO emissions determined in the laboratory to the vegetation patch, landscape or regional level. The importance of landscape, vegetation and climatic characteristics is emphasized. The first study occurred in a semi-arid savanna region in South Africa, where soils were sampled from 4 landscape positions in the Kruger National Park. The maximum NO emission occurred at soil moisture contents of 10%-20% water filled pore space (WFPS). The highest net potential NO emissions came from the low lying landscape positions, which have the largest nitrogen (N) stocks and the largest input of N. Net potential NO fluxes obtained in the laboratory were converted in field fluxes for the period 2003-2005, for the four landscape positions, using soil moisture and temperature data obtained in situ at the Kruger National Park Flux Tower Site. The NO emissions ranged from 1.5-8.5 kg ha-1 a-1. The field fluxes were up-scaled to a regional basis using geographic information system (GIS) based techniques, this indicated that the highest NO emissions occurred from the Midslope positions due to their large geographical extent in the research area. Total emissions ranged from 20x103 kg in 2004 to 34x103 kg in 2003 for the 56000 ha Skukuza land type. The second study occurred in an arid savanna ecosystem in the Kalahari, Botswana. In this study I collected soils from four differing vegetation patch types including: Pan, Annual Grassland, Perennial Grassland and Bush Encroached patches. The maximum net potential NO fluxes ranged from 0.27 ng m-2 s-1 in the Pan patches to 2.95 ng m-2 s-1 in the Perennial Grassland patches. The net potential NO emissions were up-scaled for the year December 2005-November 2006. This was done using 1) the net potential NO emissions determined in the laboratory, 2) the vegetation patch distribution obtained from LANDSAT NDVI measurements 3) estimated soil moisture contents obtained from ENVISAT ASAR measurements and 4) soil surface temperature measurements using MODIS 8 day land surface temperature measurements. This up-scaling procedure gave NO fluxes which ranged from 1.8 g ha-1 month-1 in the winter months (June and July) to 323 g ha-1 month-1 in the summer months (January-March). Differences occurred between the vegetation patches where the highest NO fluxes occurred in the Perennial Grassland patches and the lowest in the Pan patches. Over the course of the year the mean up-scaled NO emission for the studied region was 0.54 kg ha-1 a-1 and accounts for a loss of approximately 7.4% of the estimated N input to the region. The third study occurred in the hyper-arid Namib Desert in Namibia. Soils were sampled from three ecosystems; Dunes, Gravel Plains and the Riparian zone of the Kuiseb River. The net potential NO flux measured in the laboratory was used to estimate the NO flux for the Namib Desert for 2006 using modelled soil moisture and temperature data from the European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) operational model on a 36km x 35km spatial resolution. The maximum net potential NO production occurred at low soil moisture contents (<10%WFPS) and the optimal temperature was 25°C in the Dune and Riparian ecosystems and 35°C in the Gravel Plain Ecosystems. The maximum net potential NO fluxes ranged from 3.0 ng m-2 s-1 in the Riparian ecosystem to 6.2 ng m-2 s-1 in the Gravel Plains ecosystem. Up-scaling the net potential NO flux gave NO fluxes of up to 0.062 kg ha-1 a-1 in the Dune ecosystem and 0.544 kg h-1 a-1 in the Gravel Plain ecosystem. From these studies it is shown that NO is emitted ubiquitously from terrestrial ecosystems, as such the NO emission potential from deserts and scrublands should be taken into account in the global NO models. The emission of NO is influenced by various factors such as landscape, vegetation and climate. This study looks at the potential emissions from certain arid and semi-arid environments in southern Africa and other parts of the world and discusses some of the important factors controlling the emission of NO from the soil.

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in river bank soils

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are ubiquitous and found in the atmosphere, aquatic environment, sediments and soils. For environmental risk assessments and the allocation of the polluter it is important to know the PAH sources. PAH contamination sites are usually the result of anthropogenic processes. Three major sources are known: i) petroleum, including crude oil and its refined products and coals (petrogenic PAHs), ii) burning of organic matter (pyrogenic PAHs) and iii) transformation products of natural organic precursors present in the environment (diagenetic processes). In one case elevated PAH concentrations were found in river bank soils when building a retention area along the Mosel River. The source of the PAHs in this area was unclear and required the investigation of possible sources. To evaluate the PAH distribution along the Mosel River, a section of ~ 160 km along the river and a short section along the Saar River were investigated within this study. Concentrations of the Σ16 EPA PAHs were as high as 81 mg kg-1 dry weight (dw). Additionally, coal particles were identified in some soils, which originated from mining activities in the Saarland region. PAH distribution patterns of the 16 EPA PAHs suggest a mainly pyrogenic origin and in some cases a mixture of pyrogenic and petrogenic origin. For a comprehensive investigation five sampling sites were selected. Two sites were located before the confluence of the Mosel and Saar River, one site at the confluence and two sites after the confluence. The examination included typical forensic methods such as PAH distribution patterns of 45 PAHs (including alkylated PAHs), calculation of PAH ratios, determination of PAH alkyl homologues, n-alkanes, principal component analysis (PCA) and coal petrography. The results revealed a mainly pyrogenic source at sampling sites before the confluence of the two rivers. At and after the confluence, a mixture of pyrogenic and petrogenic inputs were present. With the help of coal petrography, coal derived particles could be identified in these soils. Therefore, coal was suggested to be the petrogenic source. It could be shown that sites with diffuse sources of contaminants, like the bank soils of the Mosel River, are difficult to characterize. As previously mentioned for detailed source identifications, the use of various forensic methods is essential. Determination of PAH alkyl homologue series, biomarkers and isotopes are often recommended. Source identification was evaluated using three different methods (i.e. PAH distribution patterns of an extended PAH spectrum, PAH ratios and analyses of n-alkanes). It was assessed if these methods were sufficient for the initial steps in identifying sources of PAHs in selected samples, and if they could be used for decision-making purposes. Point- and non-point sources were identified by applying the three methods and it could be shown that these relatively simple methods are sufficient in determining the primary source. In a last step of this study two soils (one before the confluence of the Mosel and Saar rivers and one after the confluence), and one sediment of the Mosel River were evaluated by investigating the mutagenic potential of the soils and the sediment with a fluctuation version of the Ames-test. The study showed that coal bearing soils at the Mosel River do not exhibit a greater mutagenic potential than other soils or sediments without coal particles.

Digitale Einstrahl-Holographie atmosphärischer Eiskristalle

Es wurde ein für bodengebundene Feldmessungen geeignetes System zur digital-holographischen Abbildung luftgetragener Objekte entwickelt und konstruiert. Es ist, abhängig von der Tiefenposition, geeignet zur direkten Bestimmung der Größe luftgetragener Objekte oberhalb von ca. 20 µm, sowie ihrer Form bei Größen oberhalb von ca. 100µm bis in den Millimeterbereich. Die Entwicklung umfaßte zusätzlich einen Algorithmus zur automatisierten Verbesserung der Hologrammqualität und zur semiautomatischen Entfernungsbestimmung großer Objekte entwickelt. Eine Möglichkeit zur intrinsischen Effizienzsteigerung der Bestimmung der Tiefenposition durch die Berechnung winkelgemittelter Profile wurde vorgestellt. Es wurde weiterhin ein Verfahren entwickelt, das mithilfe eines iterativen Ansatzes für isolierte Objekte die Rückgewinnung der Phaseninformation und damit die Beseitigung des Zwillingsbildes erlaubt. Weiterhin wurden mithilfe von Simulationen die Auswirkungen verschiedener Beschränkungen der digitalen Holographie wie der endlichen Pixelgröße untersucht und diskutiert. Die geeignete Darstellung der dreidimensionalen Ortsinformation stellt in der digitalen Holographie ein besonderes Problem dar, da das dreidimensionale Lichtfeld nicht physikalisch rekonstruiert wird. Es wurde ein Verfahren entwickelt und implementiert, das durch Konstruktion einer stereoskopischen Repräsentation des numerisch rekonstruierten Meßvolumens eine quasi-dreidimensionale, vergrößerte Betrachtung erlaubt. Es wurden ausgewählte, während Feldversuchen auf dem Jungfraujoch aufgenommene digitale Hologramme rekonstruiert. Dabei ergab sich teilweise ein sehr hoher Anteil an irregulären Kristallformen, insbesondere infolge massiver Bereifung. Es wurden auch in Zeiträumen mit formal eisuntersättigten Bedingungen Objekte bis hinunter in den Bereich ≤20µm beobachtet. Weiterhin konnte in Anwendung der hier entwickelten Theorie des ”Phasenrandeffektes“ ein Objekt von nur ca. 40µm Größe als Eisplättchen identifiziert werden. Größter Nachteil digitaler Holographie gegenüber herkömmlichen photographisch abbildenden Verfahren ist die Notwendigkeit der aufwendigen numerischen Rekonstruktion. Es ergibt sich ein hoher rechnerischer Aufwand zum Erreichen eines einer Photographie vergleichbaren Ergebnisses. Andererseits weist die digitale Holographie Alleinstellungsmerkmale auf. Der Zugang zur dreidimensionalen Ortsinformation kann der lokalen Untersuchung der relativen Objektabstände dienen. Allerdings zeigte sich, dass die Gegebenheiten der digitalen Holographie die Beobachtung hinreichend großer Mengen von Objekten auf der Grundlage einzelner Hologramm gegenwärtig erschweren. Es wurde demonstriert, dass vollständige Objektgrenzen auch dann rekonstruiert werden konnten, wenn ein Objekt sich teilweise oder ganz außerhalb des geometrischen Meßvolumens befand. Weiterhin wurde die zunächst in Simulationen demonstrierte Sub-Bildelementrekonstruktion auf reale Hologramme angewandt. Dabei konnte gezeigt werden, dass z.T. quasi-punktförmige Objekte mit Sub-Pixelgenauigkeit lokalisiert, aber auch bei ausgedehnten Objekten zusätzliche Informationen gewonnen werden konnten. Schließlich wurden auf rekonstruierten Eiskristallen Interferenzmuster beobachtet und teilweise zeitlich verfolgt. Gegenwärtig erscheinen sowohl kristallinterne Reflexion als auch die Existenz einer (quasi-)flüssigen Schicht als Erklärung möglich, wobei teilweise in Richtung der letztgenannten Möglichkeit argumentiert werden konnte. Als Ergebnis der Arbeit steht jetzt ein System zur Verfügung, das ein neues Meßinstrument und umfangreiche Algorithmen umfaßt. S. M. F. Raupach, H.-J. Vössing, J. Curtius und S. Borrmann: Digital crossed-beam holography for in-situ imaging of atmospheric particles, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8, 796-806 (2006) S. M. F. Raupach: A cascaded adaptive mask algorithm for twin image removal and its application to digital holograms of ice crystals, Appl. Opt. 48, 287-301 (2009) S. M. F. Raupach: Stereoscopic 3D visualization of particle fields reconstructed from digital inline holograms, (zur Veröffentlichung angenommen, Optik - Int. J. Light El. Optics, 2009)

Exploring physical processes related to past climate proxies: lake sediments and stable water isotopes

Proxy data are essential for the investigation of climate variability on time scales larger than the historical meteorological observation period. The potential value of a proxy depends on our ability to understand and quantify the physical processes that relate the corresponding climate parameter and the signal in the proxy archive. These processes can be explored under present-day conditions. In this thesis, both statistical and physical models are applied for their analysis, focusing on two specific types of proxies, lake sediment data and stable water isotopes.rnIn the first part of this work, the basis is established for statistically calibrating new proxies from lake sediments in western Germany. A comprehensive meteorological and hydrological data set is compiled and statistically analyzed. In this way, meteorological times series are identified that can be applied for the calibration of various climate proxies. A particular focus is laid on the investigation of extreme weather events, which have rarely been the objective of paleoclimate reconstructions so far. Subsequently, a concrete example of a proxy calibration is presented. Maxima in the quartz grain concentration from a lake sediment core are compared to recent windstorms. The latter are identified from the meteorological data with the help of a newly developed windstorm index, combining local measurements and reanalysis data. The statistical significance of the correlation between extreme windstorms and signals in the sediment is verified with the help of a Monte Carlo method. This correlation is fundamental for employing lake sediment data as a new proxy to reconstruct windstorm records of the geological past.rnThe second part of this thesis deals with the analysis and simulation of stable water isotopes in atmospheric vapor on daily time scales. In this way, a better understanding of the physical processes determining these isotope ratios can be obtained, which is an important prerequisite for the interpretation of isotope data from ice cores and the reconstruction of past temperature. In particular, the focus here is on the deuterium excess and its relation to the environmental conditions during evaporation of water from the ocean. As a basis for the diagnostic analysis and for evaluating the simulations, isotope measurements from Rehovot (Israel) are used, provided by the Weizmann Institute of Science. First, a Lagrangian moisture source diagnostic is employed in order to establish quantitative linkages between the measurements and the evaporation conditions of the vapor (and thus to calibrate the isotope signal). A strong negative correlation between relative humidity in the source regions and measured deuterium excess is found. On the contrary, sea surface temperature in the evaporation regions does not correlate well with deuterium excess. Although requiring confirmation by isotope data from different regions and longer time scales, this weak correlation might be of major importance for the reconstruction of moisture source temperatures from ice core data. Second, the Lagrangian source diagnostic is combined with a Craig-Gordon fractionation parameterization for the identified evaporation events in order to simulate the isotope ratios at Rehovot. In this way, the Craig-Gordon model can be directly evaluated with atmospheric isotope data, and better constraints for uncertain model parameters can be obtained. A comparison of the simulated deuterium excess with the measurements reveals that a much better agreement can be achieved using a wind speed independent formulation of the non-equilibrium fractionation factor instead of the classical parameterization introduced by Merlivat and Jouzel, which is widely applied in isotope GCMs. Finally, the first steps of the implementation of water isotope physics in the limited-area COSMO model are described, and an approach is outlined that allows to compare simulated isotope ratios to measurements in an event-based manner by using a water tagging technique. The good agreement between model results from several case studies and measurements at Rehovot demonstrates the applicability of the approach. Because the model can be run with high, potentially cloud-resolving spatial resolution, and because it contains sophisticated parameterizations of many atmospheric processes, a complete implementation of isotope physics will allow detailed, process-oriented studies of the complex variability of stable isotopes in atmospheric waters in future research.rn

Realisierung der IceCube MonteCarlo-Produktion im WLCG und Untersuchung von Auswirkungen meteorologischer Parameter auf die Erzeugung atmosphärischer Myonen

Das am Südpol gelegene Neutrinoteleskop IceCube detektiert hochenergetische Neutrinos über die schwache Wechselwirkung geladener und neutraler Ströme. Die Analyse basiert auf einem Vergleich mit Monte-Carlo-Simulationen, deren Produktion global koordiniert wird. In Mainz ist es erstmalig gelungen, Simulationen innerhalb der Architektur des Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) zu realisieren, was die Möglichkeit eröffnet, Monte-Carlo-Berechnungen auch auf andere deutsche Rechnerfarmen (CEs) mit IceCube-Berechtigung zu verteilen. Atmosphärische Myonen werden mit einer Rate von über 1000 Ereignissen pro Sekunde aufgezeichnet. Eine korrekte Interpretation dieses dominanten Signals, welches um einen Faktor von 10^6 reduziert werden muss um das eigentliche Neutrinosignal zu extrahieren, ist deswegen von großer Bedeutung. Eigene Simulationen mit der Software-Umgebung CORSIKA wurden durchgeführt um die von Energie und Einfallswinkel abhängige Entstehungshöhe atmosphärischer Myonen zu bestimmen. IceCube Myonraten wurden mit Wetterdaten des European Centre for Medium-Range Weather Forcasts (ECMWF) verglichen und Korrelationen zwischen jahreszeitlichen sowie kurzzeitigen Schwankungen der Atmosphärentemperatur und Myonraten konnten nachgewiesen werden. Zudem wurde eine Suche nach periodischen Effekten in der Atmosphäre, verursacht durch z.B. meteorologische Schwerewellen, mit Hilfe einer Fourieranalyse anhand der IceCube-Daten durchgeführt. Bislang konnte kein signifikanter Nachweis zur Existenz von Schwerewellen am Südpol erbracht werden.

Characterization of primary biogenic aerosol particles by DNA analysis: Diversity of airborne Ascomycota and Basidiomycota

Primary biogenic aerosol (PBA) particles account for large proportions of air particulate matter, and they can influence the hydrological cycle and climate as nuclei for water droplets and ice crystals in clouds, fog, and precipitation. Moreover, they can cause or enhance human, animal, and plant diseases. The actual abundance and properties of PBA particles and components in the atmosphere are, however, still poorly understood and quantified. rnIn this study, the identity, diversity, and frequency of occurrence of PBA particles were investigated by DNA analysis. Methods for the extraction, amplification, and analysis of DNA from aerosol filter samples were developed and optimized for different types of organisms, including fungi, bacteria, and plants. The investigations were focused on fungal DNA, and over 2500 sequences were obtained from air samples collected at different locations and climatic zones around the world (tropical, mid-latitude, sub-polar; continental, marine). rnNearly all fungal DNA sequences could be attributed to the phyla of Ascomycota and Basidiomycota. With regard to species richness, the ratio of Basidiomycota to Ascomycota was much higher in continental air samples (~60:40) than in marine air samples (~30:70). Pronounced differences in the relative abundance and seasonal cycles of various groups of fungi were detected in coarse and fine particulate matter from continental air, with more plant pathogens in the coarse and more human pathogens and allergens in the respirable fine particle fraction (<3 µm). The results of this study provide new information and insights into the sources of PBA particles and the interactions of the biosphere with the atmosphere, climate, and public health. rn