Aerosol properties, in-canopy gradients, turbulent fluxes and VOC concentrations at a pristine forest site in Amazonia

Aerosol physical and chemical properties were measured in a forest site in central Amazonia (Cuieiras reservation, 2.61S; 60.21W) during the dry season of 2004 (Aug-Oct). Aerosol light scattering and absorption, mass concentration, elemental composition and size distributions were measured at three tower levels (Ground: 2 m; Canopy: 28 m, and Top: 40 m). For the first time, simultaneous eddy covariance fluxes of fine mode particles and volatile organic compounds (VOC) were measured above the Amazonian forest canopy. Aerosol fluxes were measured by eddy covariance using a Condensation Particle Counter (CPC) and a sonic anemometer. VOC fluxes were measured by disjunct eddy covariance using a Proton Transfer Reaction Mass Spectrometer (PTR-MS). At nighttime, a strong vertical gradient of phosphorus and potassium in the aerosol coarse mode was observed, with higher concentrations at Ground level. This suggests a source of primary biogenic particles below the canopy. Equivalent black carbon measurements indicate the presence of light-absorbing aerosols from biogenic origin. Aerosol number size distributions typically consisted of superimposed Aitken (76 nm) and accumulation modes (144 nm), without clear events of new particle formation. Isoprene and monoterpene fluxes reached respectively 7.4 and 0.82 mg m(-2) s(-1) around noon. An average fine particle flux of 0.05 +/- 0.10 10(6) m(-2) s(-1) was calculated, denoting an equilibrium between emission and deposition fluxes of fine mode particles at daytime. No significant correlations were found between VOC and fine mode aerosol concentrations or fluxes. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Síntese e caracterização físico-química de reticulados tridimensionais derivados de poli (isopreno) contendo grupos doadores e aceptores

Foram estudadas, neste trabalho, interacões por complexos de transferência de carga, através de medidas gravimétricas do grau de inchamento de géis de poli(isopreno) reticulado,contendo grupos aceptores de carga, em presença de grupos doadores de carga, de pequeno peso molecular, dissolvidos em tolueno. Para este fim, poli(isopreno) sintético proveniente da COPERBO - Companhia Pernambucana de Borracha Sintética, após purificação em clorofórmio, foi caracterizado por espectroscopia no infra-vermelho. O seu peso molecular médio foi determinado por viscosimetria em tolueno e o valor de Mv obtido foi 8,25 x 105. Através de epoxidação da dupla ligacão e hidrólise ácida do respectivo anel oxirano, foram introduzidos no poli(isopreno), previamente purificado, grupos aceptores de carga do tipo cloranil e ácido 3,5-dinitro-benzóico, e grupos doadores de carga do tipo carbazola. Obteve-se, desta forma, copolímeros aceptores do tipo poli (isopreno - co-cloranil) e poli(isopreno-co-(3,5-dinitro-benzoato)) e copolímero doador do tipo poli(isopreno- co-carbazola). A quantidade de cada espécie introduzida foi determinada por espectroscopia no ultra violeta. Poli(isopreno) e os copolímeros contendo grupos doadores ou aceptores foram reticulados em solução utilizando 4,4'-(4,4'-difenilmetileno)-bis- 1,2,4-triazolina-3,5-diona (BPMTD). Os filmes reticulados, após retirada a fase sol, e secos à vácuo, foram submetidos a inchamento em tolueno puro e em solução de tolueno contendo grupos aceptores ou doadores de carga, nas proporções 10:1, 1:1 e 1:10 (polímero: grupo doador ou polímero: grupo aceptor de carga), a 25, 30, 35 e 40ºC. Das medidas gravimétricas do grau de inchamento, foi verificado a formação de complexos por transferência de carga entre os copolímeros aceptores e carbazola. Foi verificado ainda que copolímeros contendo grupos aceptores do tipo cloranil possuem maior tendência a formar complexos por transferência de carga do que copolímeros aceptores contendo grupos 3,5-dinitro-benzoíla.

Modelling study of the impact of deep convection on the utls air composition - Part I: Analysis of ozone precursors

The aim of this work is to study the local impact on the upper troposphere/lower stratosphere air composition of an extreme deep convective system. For this purpose, we performed a simulation of a convective cluster composed of many individual deep convective cells that occurred near Bauru (Brazil). The simulation is performed using the 3-D mesoscale model RAMS coupled on-line with a chemistry model. The comparisons with meteorological measurements show that the model produces meteorological fields generally consistent with the observations. The present paper (part I) is devoted to the analysis of the ozone precursors (CO, NO x and non-methane volatile organic compounds) and HO x in the UTLS. The simulation results show that the distribution of CO with altitude is closely related to the upward convective motions and consecutive outflow at the top of the convective cells leading to a bulge of CO between 7 km altitude and the tropopause (around 17km altitude). The model results for CO are consistent with satellite-borne measurements at 700 hPa. The simulation also indicates enhanced amounts of NO x up to 2 ppbv in the 7-17 km altitude layer mainly produced by the lightning associated with the intense convective activity. For insoluble non-methane volatile organic compounds, the convective activity tends to significantly increase their amount in the 7-17km layer by dynamical effects. During daytime in the presence of lightning NO x, this bulge is largely reduced in the upper part of the layer for reactive species (e.g. isoprene, ethene) because of their reactions with OH that is increased on average during daytime. Lightning NO x also impacts on the oxydizing capacity of the upper troposphere by reducing on average HO x, HO 2, H 2O 2 and organic hydroperoxides. During the simulation time, the impact of convection on the air composition of the lower stratosphere is negligible for all ozone precursors although several of the simulated convective cells nearly reach the tropopause. There is no significant transport from the upper troposphere to the lower stratosphere, the isentropic barrier not being crossed by convection. The impact of the increase of ozone precursors and HO x in the upper troposphere on the ozone budget in the LS is discussed in part II of this series of papers.

Caracterização dos constituintes do látex e da borracha natural que estimulam a angiogênese

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Estudo dos componentes não isoprênicos do látex de Hevea brasiliensis indutores de angiogênese

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Enhanced Polymer Grafting from Multiwalled Carbon Nanotubes through Living Anionic Surface-Initiated Polymerization

Anionic surface-initiated polymerization of ethylene oxide and styrene has been performed using multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) functionalized with anionic initiators. The surface of MWNTs was modified via covalent attachment of precursor anions such as 4-hydroxyethyl benzocyclobutene (BCBEO) and 1-benzocyclobutene-1′-phenylethylene (BCB-PE) through Diels-Alder cycloaddition at 235 °C. Surface-functionalized MWNTs-g-(BCB-EO) n and MWNTs-g-(BCB-PE) n with 23 and 54 wt % precursor initiators, respectively, were used for the polymerizations. Alkoxide anion on the surface of MWNTs-g-(BCB-EO) n was generated through reaction with potassium triphenylmethane for the polymerization of ethylene oxide in tetrahydrofuran and phenyl substituted alkyllithium was generated from the surface of MWNTs-g-(BCB-PE) n using sec-butyllithium for the polymerization of styrene in benzene. In both cases, the initiation was found to be very slow because of the heterogeneous reaction medium. However, the MWNTs gradually dispersed in the reaction medium during the polymerization. A pale green color was noticed in the case of ethylene oxide polymerization and the color of initiator as well as the propagating anions was not discernible visually in styrene polymerization. Polymer grafted nanocomposites, MWNTs-g-(BCB-PEO) n and MWNTs-g-(BCB-PS) n containing a very high percentage of hairy polymer with a small fraction of MWNTs (<1 wt %) were obtained. The conversion of ethylene oxide and the weight percent of PEO on the surface of the MWNTs increased with increasing reaction time indicating a controlled polymerization. The polymer-grafted MWNTs were characterized using FTIR, 1H NMR, Raman spectroscopy, differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, and transmission electron microscopy (TEM). Size exclusion chromatography of the polymer grafted MWNTs revealed broad molecular weight distributions (1.3 < Mw/Mn < 1.8) indicating the presence of different sizes of polymer nanocomposites. The TEM images showed the presence of thick layers of polymer up to 30 nm around the MWNTs. The living nature of the growing polystyryllithium was used to produce diblock copolymer grafts using sequential polymerization of isoprene on the surface of MWNTs.

Biogenic Potassium Salt Particles as Seeds for Secondary Organic Aerosol in the Amazon

The fine particles serving as cloud condensation nuclei in pristine Amazonian rainforest air consist mostly of secondary organic aerosol. Their origin is enigmatic, however, because new particle formation in the atmosphere is not observed. Here, we show that the growth of organic aerosol particles can be initiated by potassium-salt-rich particles emitted by biota in the rainforest. These particles act as seeds for the condensation of low- or semi-volatile organic compounds from the atmospheric gas phase or multiphase oxidation of isoprene and terpenes. Our findings suggest that the primary emission of biogenic salt particles directly influences the number concentration of cloud condensation nuclei and affects the microphysics of cloud formation and precipitation over the rainforest.

Impact of the Manaus urban plume on trace gas mixing ratios near the surface in the Amazon Basin: Implications for the NO-NO2-O-3 photostationary state and peroxy radical levels

We measured the mixing ratios of NO, NO2, O-3, and volatile organic carbon as well as the aerosol light-scattering coefficient on a boat platform cruising on rivers downwind of the city of Manaus (Amazonas State, Brazil) in July 2001 (Large-Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia-Cooperative LBA Airborne Regional Experiment-2001). The dispersion and impact of the Manaus plume was investigated by a combined analysis of ground-based (boat platform) and airborne trace gas and aerosol measurements as well as by meteorological measurements complemented by dispersion calculations (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory model). For the cases with the least anthropogenic influence (including a location in a so far unexplored region similar to 150 km west of Manaus on the Rio Manacapuru), the aerosol scattering coefficient, sigma(s), was below 11 Mm(-1), NOx mixing ratios remained below 0.6 ppb, daytime O-3 mixing ratios were mostly below 20 ppb and maximal isoprene mixing ratios were about 3 ppb in the afternoon. The photostationary state (PSS) was not established for these cases, as indicated by values of the Leighton ratio, Phi, well above unity. Due to the influence of river breeze systems and other thermally driven mesoscale circulations, a change of the synoptic wind direction from east-northeast to south-southeast in the afternoon often caused a substantial increase of ss and trace gas mixing ratios (about threefold for sigma(s), fivefold for NOx, and twofold for O-3), which was associated with the arrival of the Manaus pollution plume at the boat location. The ratio F reached unity within its uncertainty range at NOx mixing ratios of about 3 ppb, indicating "steady-state" conditions in cases when radiation variations, dry deposition, emissions, and reactions mostly involving peroxy radicals (XO2) played a minor role. The median midday/afternoon XO2 mixing ratios estimated using the PSS method range from 90 to 120 parts per trillion (ppt) for the remote cases (sigma(s) < 11 Mm(-1) and NOx < 0.6 ppb), while for the polluted cases our estimates are 15 to 60 ppt. These values are within the range of XO2 estimated by an atmospheric chemistry box model (Chemistry As A Box model Application-Module Efficiently Calculating the Chemistry of the Atmosphere (CAABA/MECCA)-3.0).

Exploring the intrinsic polar [4?+?2+] cycloaddition reactivity of gaseous carbosulfonium and carboxonium ions

Gas-phase reactions of model carbosulfonium ions (CH3-S+?=?CH2; CH3CH2-S+?=?CH2 and Ph-S+?=?CH2) and an O-analogue carboxonium ion (CH3-O+?=?CH2) with acyclic (isoprene, 1,3-butadiene, methyl vinyl ketone) and cyclic (1,3-cyclohexadiene, thiophene, furan) conjugated dienes were systematically investigated by pentaquadrupole mass spectrometry. As corroborated by B3LYP/6-311?G(d,p) calculations, the carbosulfonium ions first react at large extents with the dienes forming adducts via simple addition. The nascent adducts, depending on their stability and internal energy, react further via two competitive channels: (1) in reactions with acyclic dienes via cyclization that yields formally [4?+?2+] cycloadducts, or (2) in reactions with the cyclic dienes via dissociation by HSR loss that yields methylenation (net CH+ transfer) products. In great contrast to its S-analogues, CH3-O+?=?CH2 (as well as C2H5-O+?=?CH2 and Ph-O+?=?CH2 in reactions with isoprene) forms little or no adduct and proton transfer is the dominant reaction channel. Isomerization to more acidic protonated aldehydes in the course of reaction seems to be the most plausible cause of the contrasting reactivity of carboxonium ions. The CH2?=?CH-O+?=?CH2 ion forms an abundant [4?+?2+] cycloadduct with isoprene, but similar to the behavior of such alpha,beta-unsaturated carboxonium ions in solution, seems to occur across the C?=?C bond. Copyright (c) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Neue Methoden zur Computersimulation von Polymersystemen auf verschiedenen Längenskalen und ihre Anwendungen

In dieser Dissertation stellen wir einen neuen Ansatz zurModellierungvon Polymersystemen vor. Es werden (von methodischer Seiteher) zweiautomatisierte Iterationschemata dazu eingeführt,Kraftfeldparametermesoskopischer Polymersysteme systematisch zu optimieren:DasSimplex-Verfahren und das Struktur-Differenzen-Verfahren. Sowerdendiejenigen Freiheitsgrade aus Polymersystemen eliminiert,die einehohe Auflösung erfordern, was die Modellierung größerersystemeermöglicht. Nach Tests an einfachen Flüssigkeiten werdenvergröberteModelle von drei prototypischen Polymeren (Polyacrylsäure,Polyvinylalkohol und Polyisopren) in unterschiedlichenUmgebungen(gutes Lösungsmittel und Schmelze) entwickelt und ihrVerhalten aufder Mesoskala ausgiebig geprüft. Die zugehörige Abbildung(vonphysikalischer Seite her) so zu gestalten, daß sie dieunverwechselbaren Charakteristiken jedes systems auf diemesoskopischeLängenskala überträgt, stellt eine entscheidende Anforderungan dieautomatisierten Verfahren dar. Unsere Studien belegen, daß mesoskopische Kraftfeldertemperatur- unddichtespezifisch sind und daher bei geändernden Bedingungennachoptimiert werden müssen. Gleichzeitig läßt sichabschätzen, beiwelchen Umgebungsbedingungen dies noch nicht notwendig wird.In allenFällen reichen effektive Paarpotentiale aus, einrealistischesmesoskopisches Modell zu konstruieren. VergröberteSimulationenwerden im Falle der Polyacrylsäure erfolgreich gegenexperimentelleLichtstreudaten getestet. Wir erzielen für Molmassen bis zu300000g/mol eine hervorragende Übereinstimmung für denhydrodynamischenRadius. Unsere Ergebnisse erklären auch Korrekturen zudessenVerhalten als Funktion der Kettenlänge ('Skalenverhalten'). Im Fallevon Polyisopren untersuchen wir sowohl statische als auchdynamischeGrößen und stellen klare Unterschiede unserer Ergebnisse zudeneneines einfachen semi-flexiblen Mesoskalenmodells fest. InderProteinforschung werden aus Datenbanken gewonnene effektivePaarwechselwirkungen dazu verwendet, die freie Energie einesneuensystems vorherzusagen. Wir belegen in einem Exkurs mittelsGittersimulationen, daß es selbst in einfachsten Fällennicht gelingt,dies auch nur qualitativ korrekt zu bewerkstelligen.

Numerical investigations on atmosphere-biosphere interactions

Der Austausch von Spurengasen und Aerosolpartikeln zwischenAtmosphäre und Biosphäre spielt eine wichtige Rolle in derAtmosphärenphysik und -chemie. Wälder repräsentieren sowohleine signifikante Senke als auch Quelle für Spurengase undPartikel und tragen somit maßgeblich zu derenatmosphärischem Budget bei. Strahlungsnebel beeinflußt durchAufnahme, Entfernen und Prozessieren von Aerosolpartikelnund löslichen Spurengasen deren Konzentrationen in derGasphase. In dieser Arbeit wird erstmalig ein Modell präsentiert,welches die Simulation des Austausches zwischen Atmosphäreund Biosphäre unter Berücksichtigung der dynamischenWechselwirkung zwischen Strahlungsnebel, Blattflächenwasserund Mehrphasenchemie ermöglicht. Numerische Fallstudien mitfolgenden Schwerpunkten werden präsentiert: - Einfluß von Vegetation und Blattflächenwasser auf diezeitlichen und räumlichen Schwankungen derGrößenabhängigkeit der Flüssigphasenkonzentrationen inNebeltropfen, - Einfluß von Blattflächenwasser auf dieTrockendepositionsflüsse von Ammoniak im Wald - Simulationenwurden mit einem neuen dynamischen Depositionsmodelldurchgeführt und mit dem Widerstandsansatz verglichen -, - Einfluß von physikalischen und chemischen Prozessen aufdie Reduktion von NO- und Isoprenemissionen aus demWaldbestand verglichen mit den primären Emissionen.

Modeling surface-atmosphere exchange of trace gases and energy within and above the Amazon rain forest

Die vorliegende Dissertation untersucht die biogeochemischen Vorgänge in der Vegetationsschicht (Bestand) und die Rückkopplungen zwischen physiologischen und physikalischen Umweltprozessen, die das Klima und die Chemie der unteren Atmosphäre beeinflussen. Ein besondere Schwerpunkt ist die Verwendung theoretischer Ansätze zur Quantifizierung des vertikalen Austauschs von Energie und Spurengasen (Vertikalfluss) unter besonderer Berücksichtigung der Wechselwirkungen der beteiligten Prozesse. Es wird ein differenziertes Mehrschicht-Modell der Vegetation hergeleitet, implementiert, für den amazonischen Regenwald parametrisiert und auf einen Standort in Rondonia (Südwest Amazonien) angewendet, welches die gekoppelten Gleichungen zur Energiebilanz der Oberfläche und CO2-Assimilation auf der Blattskala mit einer Lagrange-Beschreibung des Vertikaltransports auf der Bestandesskala kombiniert. Die hergeleiteten Parametrisierungen beinhalten die vertikale Dichteverteilung der Blattfläche, ein normalisiertes Profil der horizontalen Windgeschwindigkeit, die Lichtakklimatisierung der Photosynthesekapazität und den Austausch von CO2 und Wärme an der Bodenoberfläche. Desweiteren werden die Berechnungen zur Photosynthese, stomatären Leitfähigkeit und der Strahlungsabschwächung im Bestand mithilfe von Feldmessungen evaluiert. Das Teilmodell zum Vertikaltransport wird im Detail unter Verwendung von 222-Radon-Messungen evaluiert. Die ``Vorwärtslösung'' und der ``inverse Ansatz'' des Lagrangeschen Dispersionsmodells werden durch den Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Konzentrationsprofilen bzw. Bodenflüssen bewertet. Ein neuer Ansatz wird hergeleitet, um die Unsicherheiten des inversen Ansatzes aus denjenigen des Eingabekonzentrationsprofils zu quantifizieren. Für nächtliche Bedingungen wird eine modifizierte Parametrisierung der Turbulenz vorgeschlagen, welche die freie Konvektion während der Nacht im unteren Bestand berücksichtigt und im Vergleich zu früheren Abschätzungen zu deutlich kürzeren Aufenthaltszeiten im Bestand führt. Die vorhergesagte Stratifizierung des Bestandes am Tage und in der Nacht steht im Einklang mit Beobachtungen in dichter Vegetation. Die Tagesgänge der vorhergesagten Flüsse und skalaren Profile von Temperatur, H2O, CO2, Isopren und O3 während der späten Regen- und Trockenzeit am Rondonia-Standort stimmen gut mit Beobachtungen überein. Die Ergebnisse weisen auf saisonale physiologische Änderungen hin, die sich durch höhere stomatäre Leitfähigkeiten bzw. niedrigere Photosyntheseraten während der Regen- und Trockenzeit manifestieren. Die beobachteten Depositionsgeschwindigkeiten für Ozon während der Regenzeit überschreiten diejenigen der Trockenzeit um 150-250%. Dies kann nicht durch realistische physiologische Änderungen erklärt werden, jedoch durch einen zusätzlichen cuticulären Aufnahmemechanismus, möglicherweise an feuchten Oberflächen. Der Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Isoprenkonzentrationen im Bestand weist auf eine reduzierte Isoprenemissionskapazität schattenadaptierter Blätter und zusätzlich auf eine Isoprenaufnahme des Bodens hin, wodurch sich die globale Schätzung für den tropischen Regenwald um 30% reduzieren würde. In einer detaillierten Sensitivitätsstudie wird die VOC Emission von amazonischen Baumarten unter Verwendung eines neuronalen Ansatzes in Beziehung zu physiologischen und abiotischen Faktoren gesetzt. Die Güte einzelner Parameterkombinationen bezüglich der Vorhersage der VOC Emission wird mit den Vorhersagen eines Modells verglichen, das quasi als Standardemissionsalgorithmus für Isopren dient und Licht sowie Temperatur als Eingabeparameter verwendet. Der Standardalgorithmus und das neuronale Netz unter Verwendung von Licht und Temperatur als Eingabeparameter schneiden sehr gut bei einzelnen Datensätzen ab, scheitern jedoch bei der Vorhersage beobachteter VOC Emissionen, wenn Datensätze von verschiedenen Perioden (Regen/Trockenzeit), Blattentwicklungsstadien, oder gar unterschiedlichen Spezies zusammengeführt werden. Wenn dem Netzwerk Informationen über die Temperatur-Historie hinzugefügt werden, reduziert sich die nicht erklärte Varianz teilweise. Eine noch bessere Leistung wird jedoch mit physiologischen Parameterkombinationen erzielt. Dies verdeutlicht die starke Kopplung zwischen VOC Emission und Blattphysiologie.

Emissions of volatile organic compounds from tropical savanna vegetation and biomass burning

This dissertation focuses on characterizing the emissions of volatile organic compounds (VOCs) from grasses and young trees, and the burning of biomass mainly from Africa and Indonesia. The measurements were performed with a proton-transfer-reaction mass spectrometer (PTR-MS). The biogenic emissions of tropical savanna vegetation were studied in Calabozo (Venezuela). Two field campaigns were carried out, the first during the wet season (1999) and the second during the dry season (2000). Three grass species were studied: T. plumosus, H. rufa and A. canescens, and the tree species B. crassifolia, C. americana and C. vitifolium. The emission rates were determined with a dynamic plant enclosure system. In general, the emissions increased exponentially with increasing temperature and solar radiation. Therefore, the emission rates showed high variability. Consequently, the data were normalized to a standard temperature of 30°C, and standard emission rates thus determined allowed for interspecific and seasonal comparisons. The range of average daytime (10:00-16:00) emission rates of total VOCs measured from green (mature and young) grasses was between 510-960 ngC/g/h. Methanol was the primary emission (140-360 ngC/g/h), followed by acetaldehyde, butene and butanol and acetone with emission rates between 70-200 ngC/g/h. The emissions of propene and methyl ethyl ketone (MEK) were <80 ngC/g/h, and those of isoprene and C5-alcohols were between 10-130 ngC/g/h. The oxygenated species represented 70-75% of the total. The emission of VOCs was found to vary by up to a factor of three between plants of the same species, and by up to a factor of two between the different species. The annual source of methanol from savanna grasses worldwide estimated in this work was 3 to 4.4 TgC, which could represent up to 12% of the current estimated global emission from terrestrial vegetation. Two of the studied tree species, were isoprene emitters, and isoprene was also their primary emission (which accounted for 70-94% of the total carbon emitted) followed by methanol and butene + butanol. The daytime average emission rate of isoprene measured in the wet season was 27 mgC/g/h for B. crassifolia, and 123 mgC/g/h for C. vitifolium. The daytime emissions of methanol and butene + butanol were between 0.3 and 2 mgC/g/h. The total sum of VOCs emission measured during the day in the wet season was between 30 and 130 mgC/g/h. In the dry season, in contrast, the methanol emissions from C. vitifolium saplings –whose leaves were still developing– were an order of magnitude higher than in the wet season (15 mgC/g/h). The isoprene emission from B. crassifolia in the dry season was comparable to the emission in the wet season, whereas isoprene emission from C. vitifolium was about a factor of three lower (~43 mgC/g/h). Biogenic emission inventories show that isoprenoids are the most prominent and best-studied compounds. The standard emission rates of isoprene and monoterpenes of the measured savanna trees were in the lower end of the range found in the literature. The emission of other biogenic VOCs has been sparsely investigated, but in general, the standard emissions from trees studied here were within the range observed in previous investigations. The biomass burning study comprised the measurement of VOCs and other trace-gas emissions of 44 fires from 15 different fuel types, primarily from Africa and Indonesia, in a combustion laboratory. The average sum of emissions (excluding CO2, CO and NO) from African fuels was ~18 g(VOC)/kg. Six of the ten most important emissions were oxygenated VOCs. Acetic acid was the major emission, followed by methanol and formaldehyde. The emission of methane was of the same order as the methanol emission (~5 g/kg), and that of nitrogen-containing compounds was ~1 g/kg. An estimate of the VOC source from biomass burning of savannas and grasslands worldwide suggests that the sum of emissions is about 56 Tg/yr, of which 34 Tg correspond to oxygenated VOCs, 14 Tg to unsaturated and aromatic compounds, 5 Tg to methane and 3 Tg to N-compounds. The estimated emissions of CO, CO2 and NO are 216, 5117 and 9.4 Tg/yr, respectively. The emission factors reported here for Indonesian fuels are the first results of laboratory fires using Indonesian fuels. Acetic acid was the highest organic emission, followed by acetol, a compound not previously reported in smoke, methane, mass 97 (tentatively identified as furfural, dimethylfuran and ethylfuran), and methanol. The sum of total emissions of Indonesian fuels was 91 g/kg, which is 5 times higher than the emissions from African fuels. The results of this study reinforces the importance of oxygenated compounds. Due to the vast area covered by tropical savannas worldwide, the biogenic and biomass burning emission of methanol and other oxygenated compounds may be important for the regional and even global tropospheric chemistry.

Measurement of nonmethane organic carbon

The present dissertation focuses on the measurement of nonmethane organic carbon compounds (NMOC) and their exchange by biosphere-atmosphere interactions. To access the accuracy, precision, and reproducibility of NMOC analysis, two intercomparison experiments were carried out during the present study. These experiments comprised the sampling of NMOCs on graphitised carbon blacks, followed by gas-chromatographic analysis. Furthermore, they comprised the sampling of short chain carbonyl compounds on solid phase extraction cartridges and their analysis by high pressure liquid chromatography. To investigate the exchange of NMOCs between vegetation and the atmosphere, plant enclosure studies were performed on two European deciduous tree species. These measurements were conducted during two consecutive summer seasons by utilisation of the above specified techniques on sunlit and shaded leaves of European beech (Fagus sylvatica L., monoterpene emitter) and sunlit leaves of English oak (Quercus robur L., isoprene emitter). According to its broad geographical distribution, the impact of European beech on the European monoterpene budget was characterized by a model simulation. Complementary an instrument was developed, that is capable of measuring the amount of total NMOC that is exchanged by biosphere-atmosphere interactions. The instrument was tested under laboratory conditions and was evaluated versus an independent method performing branch enclosure measurements.

HCHO, H 2 O 2 und CH 3 OOH in der Troposphäre

In dieser Arbeit wurden im Rahmen der UTOPIHAN- und HOHPEX04-Projekte Peroxid- und Formaldehydmessungen in der Troposphäre durchgeführt und wissenschaftlich interpretiert. Die Messungen während UTOPIHAN fanden dabei an Bord eines für Forschungszwecke umgerüsteten Flugzeuges (Learjet 35A) im Wesentlichen in der freien, insbesondere in der oberen Troposphäre über Europa statt. Die Messungen während HOHPEX04 waren hingegen als Bodenmessungen an der sich abwechselnd in der bodennahen Grenzschicht und in von dieser Schicht entkoppelten Luftmassen liegenden Bergstation Hohenpeißenberg (bayerisches Voralpenland) konzipiert. Um eine quantitative Auswertbarkeit der Messungen sicherzustellen, wurden die verwendeten, auf chemischer Derivatisierung und fluorimetrischer Detektion basierenden Messgeräte AL 2001CA (Peroxide) und AL 4021 (Formaldehyd) (AEROLASER) genau charakterisiert. Dabei wurde speziell die bekannte Ozoninterferenz beider Geräte in einer großen Zahl von Laborexperimenten mit unterschiedlichen Randbedingungen bezüglich Wasserdampf- und Kohlenwasserstoffgehalt der Luft untersucht. Für beide Verbindungen wurden Höhen- sowie Breitenprofile erstellt und mit Ergebnissen eines 3D-Chemie-Transport-Modells (CTM) sowie früherer Studien verglichen. In einem weiteren Kapitel werden Ergebnisse einer quantitativen Studie zum Einfluss hochreichender Konvektion auf das HCHO-Budget in der mittleren und oberen Troposphäre präsentiert. Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass der rasche Aufwärtstransport von Vorläufergasen von HCHO und HOx wie Methanol, Aceton und sogar gut löslicher Spurengase wie CH3OOH beziehungsweise H2O2 aus der Grenzschicht einen signifikanten, auf Grund der längeren Lebensdauer von NOx über mehrere Tage andauernden und damit großräumigen Einfluss auf die Budgets von HCHO, HOx und auch O3 in der oberen Troposphäre haben kann. Die Befunde der Studie legen desweiteren nahe, dass fehlerhafte Modellvorhersagen für die NO-Mischungsverhältnisse in der Tropopausenregion, die zum Beispiel mit Mängeln des Modells bezüglich der Höhe der Konvektion und des Stratosphären-Troposphären-Austauschs zu tun haben, hauptverantwortlich sind für gefundene Differenzen zwischen Messdaten und dem verwendeten 3D-Chemie-Transport-Modell. Um die Signifikanz der Aussagen zu erhöhen, wurde eine Sensitivitätsstudie durchgeführt, in der die Konzentration einiger chemischer Verbindungen sowie die Photolyseraten variiert wurden. Eine weitere Studie zum Einfluss verschiedener Parameter auf das CH3OOH/H2O2-Verhältnis kommt zu dem Schluss, dass dieses Verhältnis keinen idealen Indikator für Wolkenprozessierung von Luftmassen darstellt, während eine signifikant positive Abweichung vom H2O2/H2O-Verhältnis in der oberen Troposphäre ein guter Indikator für rasch aufwärts transportierte Luftmassen sein kann. Im Rahmen dieser Studie werden auch Höhen- und Breitenprofile des CH3OOH/H2O2-Verhältnisses diskutiert. In einer letzten Untersuchung zu HCHO-Messungen am Observatorium Hohenpeißenberg im Sommer 2004 werden für die in zwei Windrichtungssektoren eingeteilten Daten Korrelationen anderer Spurengase wie O3, PAN, CO, NOy und Isopren mit HCHO interpretiert. In diesem Zusammenhang wird auch versucht, den beobachteten Tagesgang von HCHO zu erklären.