Global simulated soil biogenic nitric oxide (NO) emissions: Impact, improvement and innovation

rnNitric oxide (NO) is important for several chemical processes in the atmosphere. Together with nitrogen dioxide (NO2 ) it is better known as nitrogen oxide (NOx ). NOx is crucial for the production and destruction of ozone. In several reactions it catalyzes the oxidation of methane and volatile organic compounds (VOCs) and in this context it is involved in the cycling of the hydroxyl radical (OH). OH is a reactive radical, capable of oxidizing most organic species. Therefore, OH is also called the “detergent” of the atmosphere. Nitric oxide originates from several sources: fossil fuel combustion, biomass burning, lightning and soils. Fossil fuel combustion is the largest source. The others are, depending on the reviewed literature, generally comparable to each other. The individual sources show a different temporal and spatial pattern in their magnitude of emission. Fossil fuel combustion is important in densely populated places, where NO from other sources is less important. In contrast NO emissions from soils (hereafter SNOx) or biomass burning are the dominant source of NOx in remote regions.rnBy applying an atmospheric chemistry global climate model (AC-GCM) I demonstrate that SNOx is responsible for a significant part of NOx in the atmosphere. Furthermore, it increases the O3 and OH mixing ratio substantially, leading to a ∼10% increase in the oxidizing efficiency of the atmosphere. Interestingly, through reduced O3 and OH mixing ratios in simulations without SNOx, the lifetime of NOx increases in regions with other dominating sources of NOx

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Formation and surface exchange of nitrous acid

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

The sensitivity of the photostationary state of NOx and its implication for the oxidation capacity in a semi-rural and boreal forest region

Für das Vermögen der Atmosphäre sich selbst zu reinigen spielen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) eine bedeutende Rolle. Diese Spurengase bestimmen die photochemische Produktion von Ozon (O3) und beeinflussen das Vorkommen von Hydroxyl- (OH) und Nitrat-Radikalen (NO3). Wenn tagsüber ausreichend Solarstrahlung und Ozon vorherrschen, stehen NO und NO2 in einem schnellen photochemischen Gleichgewicht, dem „Photostationären Gleichgewichtszustand“ (engl.: photostationary state). Die Summe von NO und NO2 wird deshalb als NOx zusammengefasst. Vorhergehende Studien zum photostationären Gleichgewichtszustand von NOx umfassen Messungen an unterschiedlichsten Orten, angefangen bei Städten (geprägt von starken Luftverschmutzungen), bis hin zu abgeschiedenen Regionen (geprägt von geringeren Luftverschmutzungen). Während der photochemische Kreislauf von NO und NO2 unter Bedingungen erhöhter NOx-Konzentrationen grundlegend verstanden ist, gibt es in ländlicheren und entlegenen Regionen, welche geprägt sind von niedrigeren NOx-Konzetrationen, signifikante Lücken im Verständnis der zugrundeliegenden Zyklierungsprozesse. Diese Lücken könnten durch messtechnische NO2-Interferenzen bedingt sein - insbesondere bei indirekten Nachweismethoden, welche von Artefakten beeinflusst sein können. Bei sehr niedrigen NOx-Konzentrationen und wenn messtechnische NO2-Interferenzen ausgeschlossen werden können, wird häufig geschlussfolgert, dass diese Verständnislücken mit der Existenz eines „unbekannten Oxidationsmittels“ (engl.: unknown oxidant) verknüpft ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird der photostationäre Gleichgewichtszustand von NOx analysiert, mit dem Ziel die potenzielle Existenz bislang unbekannter Prozesse zu untersuchen. Ein Gasanalysator für die direkte Messung von atmosphärischem NO¬2 mittels laserinduzierter Fluoreszenzmesstechnik (engl. LIF – laser induced fluorescence), GANDALF, wurde neu entwickelt und während der Messkampagne PARADE 2011 erstmals für Feldmessungen eingesetzt. Die Messungen im Rahmen von PARADE wurden im Sommer 2011 in einem ländlich geprägten Gebiet in Deutschland durchgeführt. Umfangreiche NO2-Messungen unter Verwendung unterschiedlicher Messtechniken (DOAS, CLD und CRD) ermöglichten einen ausführlichen und erfolgreichen Vergleich von GANDALF mit den übrigen NO2-Messtechniken. Weitere relevante Spurengase und meteorologische Parameter wurden gemessen, um den photostationären Zustand von NOx, basierend auf den NO2-Messungen mit GANDALF in dieser Umgebung zu untersuchen. Während PARADE wurden moderate NOx Mischungsverhältnisse an der Messstelle beobachtet (10^2 - 10^4 pptv). Mischungsverhältnisse biogener flüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen (BVOC, engl.: biogenic volatile organic compounds) aus dem umgebenden Wald (hauptsächlich Nadelwald) lagen in der Größenordnung 10^2 pptv vor. Die Charakteristiken des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx bei niedrigen NOx-Mischungsverhältnissen (10 - 10^3 pptv) wurde für eine weitere Messstelle in einem borealen Waldgebiet während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 untersucht. HUMPPA–COPEC–2010 wurde im Sommer 2010 in der SMEARII-Station in Hyytiälä, Süd-Finnland, durchgeführt. Die charakteristischen Eigenschaften des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx in den beiden Waldgebieten werden in dieser Arbeit verglichen. Des Weiteren ermöglicht der umfangreiche Datensatz - dieser beinhaltet Messungen von relevanten Spurengasen für die Radikalchemie (OH, HO2), sowie der totalen OH-Reaktivität – das aktuelle Verständnis bezüglich der NOx-Photochemie unter Verwendung von einem Boxmodell, in welches die gemessenen Daten als Randbedingungen eingehen, zu überprüfen und zu verbessern. Während NOx-Konzentrationen in HUMPPA-COPEC 2010 niedriger sind, im Vergleich zu PARADE 2011 und BVOC-Konzentrationen höher, sind die Zyklierungsprozesse von NO und NO2 in beiden Fällen grundlegend verstanden. Die Analyse des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx für die beiden stark unterschiedlichen Messstandorte zeigt auf, dass potenziell unbekannte Prozesse in keinem der beiden Fälle vorhanden sind. Die aktuelle Darstellung der NOx-Chemie wurde für HUMPPA-COPEC 2010 unter Verwendung des chemischen Mechanismus MIM3* simuliert. Die Ergebnisse der Simulation sind konsistent mit den Berechnungen basierend auf dem photostationären Gleichgewichtszustand von NOx.

A prospective study of the impact of air pollution on respiratory symptoms and infections in infants

Rationale: There is increasing evidence that short-term exposure to air pollution has a detrimental effect on respiratory health, but data from healthy populations, particularly infants, are scarce. Objectives: To assess the association of air pollution with frequency and severity of respiratory symptoms and infections measured weekly in healthy infants. Methods: In a prospective birth cohort of 366 infants of unselected mothers, respiratory health was assessed weekly by telephone interviews during the first year of life (19,106 total observations). Daily mean levels of particulate matter (PM10), nitrogen dioxide (NO2), and ozone (O3) were obtained from local monitoring stations. We determined the association of the preceding week's pollutant levels with symptom scores and respiratory tract infections using a generalized additive mixed model with an autoregressive component. In addition, we assessed whether neonatal lung function influences this association and whether duration of infectious episodes differed between weeks with normal PM10 and weeks with elevated levels. Measurements and Main Results: We found a significant association between air pollution and respiratory symptoms, particularly in the week after respiratory tract infections (risk ratio, 1.13 [1.02-1.24] per 10 μg/m(3) PM10 levels) and in infants with premorbid lung function. During times of elevated PM10 (>33.3 μg/m(3)), duration of respiratory tract infections increased by 20% (95% confidence interval, 2-42%). Conclusions: Exposure to even moderate levels of air pollution was associated with increased respiratory symptoms in healthy infants. Particularly in infants with premorbid lung function and inflammation, air pollution contributed to longer duration of infectious episodes with a potentially large socioeconomic impact.

Air pollution during pregnancy and lung function in newborns: a birth cohort study

Post-natal exposure to air pollution is associated with diminished lung growth during school age. The current authors aimed to determine whether pre-natal exposure to air pollution is associated with lung function changes in the newborn. In a prospective birth cohort of 241 healthy term-born neonates, tidal breathing, lung volume, ventilation inhomogeneity and exhaled nitric oxide (eNO) were measured during unsedated sleep at age 5 weeks. Maternal exposure to particles with a 50% cut-off aerodynamic diameter of 10 microm (PM(10)), nitrogen dioxide (NO(2)) and ozone (O(3)), and distance to major roads were estimated during pregnancy. The association between these exposures and lung function was assessed using linear regression. Minute ventilation was higher in infants with higher pre-natal PM(10) exposure (24.9 mL x min(-1) per microg x m(-3) PM(10)). The eNO was increased in infants with higher pre-natal NO(2) exposure (0.98 ppb per microg x m(-3) NO(2)). Post-natal exposure to air pollution did not modify these findings. No association was found for pre-natal exposure to O(3) and lung function parameters. The present results suggest that pre-natal exposure to air pollution might be associated with higher respiratory need and airway inflammation in newborns. Such alterations during early lung development may be important regarding long-term respiratory morbidity.

Is there a common pattern of future gas-phase air pollution in Europe under diverse climate change scenarios?

Climate change alone influences future levels of tropospheric ozone and their precursors through modifications of gas-phase chemistry, transport, removal, and natural emissions. The goal of this study is to determine at what extent the modes of variability of gas-phase pollutants respond to different climate change scenarios over Europe. The methodology includes the use of the regional modeling system MM5 (regional climate model version)-CHIMERE for a target domain covering Europe. Two full-transient simulations covering from 1991–2050 under the SRES A2 and B2 scenarios driven by ECHO-G global circulation model have been compared. The results indicate that the spatial patterns of variability for tropospheric ozone are similar for both scenarios, but the magnitude of the change signal significantly differs for A2 and B2. The 1991–2050 simulations share common characteristics for their chemical behavior. As observed from the NO2 and α-pinene modes of variability, our simulations suggest that the enhanced ozone chemical activity is driven by a number of parameters, such as the warming-induced increase in biogenic emissions and, to a lesser extent, by the variation in nitrogen dioxide levels. For gas-phase pollutants, the general increasing trend for ozone found under A2 and B2 forcing is due to a multiplicity of climate factors, such as increased temperature, decreased wet removal associated with an overall decrease of precipitation in southern Europe, increased photolysis of primary and secondary pollutants as a consequence of lower cloudiness and increased biogenic emissions fueled by higher temperatures.

NO2-induced nitrate reductase activity in needles of Norway spruce (Picea abies) under laboratory and field conditions

The induction of activity of the enzyme nitrate reductase (NR, EC 1.6.6.1, 1.6.6.2) in needles of Norway spruce (Picea abies[L.] Karst.) by nitrogen dioxide (NO2) was studied under laboratory and field conditions. In fumigation chambers an increase in nitrate reductase activity (NRA) was detected 4 h after the start of the NO2 treatment. During the first 2 days with 100 µg NO2 m−3, NRA reached a constant level and did not change during the following 4 days. At the same level of NO2, NRA was lower in needles from trees grown on NPK-fertilized soil than on non-fertilized soil. After the transfer of spruce trees from fertilized soil to NPK-rich nutrient solution, NRA was transiently increased. This effect was assigned to root injuries causing nitrate transport to the shoot and subsequent induction of NRA. Neither trees on fertilized soil nor trees transferred to NPK-poor nutrient solution had increased NRA unless NO2 was provided. The NO2 gradient in the vicinity of a highway was used to test the long-term effect of elevated levels of NO2 on needle NRA of potted and field-grown spruce trees. Compared with less polluted sites, permanently increased NRAs were detected when NO2 concentrations were above 20 µg m−3. Controls of field measurements some 10 years after the introduction of catalytic converters in cars showed no significant change neither in NO2 levels nor in the decreasing NRA of spruce needles with the distance from the highway.

Effects of air pollution on asthma hospitalization rates in different age groups in metropolitan cities of Korea

Many studies have shown relationships between air pollution and the rate of hospital admissions for asthma. A few studies have controlled for age-specific effects by adding separate smoothing functions for each age group. However, it has not yet been reported whether air pollution effects are significantly different for different age groups. This lack of information is the motivation for this study, which tests the hypothesis that air pollution effects on asthmatic hospital admissions are significantly different by age groups. Each air pollutant's effect on asthmatic hospital admissions by age groups was estimated separately. In this study, daily time-series data for hospital admission rates from seven cities in Korea from June 1999 through 2003 were analyzed. The outcome variable, daily hospital admission rates for asthma, was related to five air pollutants which were used as the independent variables, namely particulate matter <10 micrometers (μm) in aerodynamic diameter (PM10), carbon monoxide (CO), ozone (O3), nitrogen dioxide (NO2), and sulfur dioxide (SO2). Meteorological variables were considered as confounders. Admission data were divided into three age groups: children (<15 years of age), adults (ages 15-64), and elderly (≥ 65 years of age). The adult age group was considered to be the reference group for each city. In order to estimate age-specific air pollution effects, the analysis was separated into two stages. In the first stage, Generalized Additive Models (GAMs) with cubic spline for smoothing were applied to estimate the age-city-specific air pollution effects on asthmatic hospital admission rates by city and age group. In the second stage, the Bayesian Hierarchical Model with non-informative prior which has large variance was used to combine city-specific effects by age groups. The hypothesis test showed that the effects of PM10, CO and NO2 were significantly different by age groups. Assuming that the air pollution effect for adults is zero as a reference, age-specific air pollution effects were: -0.00154 (95% confidence interval(CI)= (-0.0030,-0.0001)) for children and 0.00126 (95% CI = (0.0006, 0.0019)) for the elderly for PM 10; -0.0195 (95% CI = (-0.0386,-0.0004)) for children for CO; and 0.00494 (95% CI = (0.0028, 0.0071)) for the elderly for NO2. Relative rates (RRs) were 1.008 (95% CI = (1.000-1.017)) in adults and 1.021 (95% CI = (1.012-1.030)) in the elderly for every 10 μg/m3 increase of PM10 , 1.019 (95% CI = (1.005-1.033)) in adults and 1.022 (95% CI = (1.012-1.033)) in the elderly for every 0.1 part per million (ppm) increase of CO; 1.006 (95%CI = (1.002-1.009)) and 1.019 (95%CI = (1.007-1.032)) in the elderly for every 1 part per billion (ppb) increase of NO2 and SO2, respectively. Asthma hospital admissions were significantly increased for PM10 and CO in adults, and for PM10, CO, NO2 and SO2 in the elderly.^