GC/MS-Meßsystem für Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe

Im Rahmen der Projekte CARIBIC ('Civil Aircraft for the Regular Investigation of the atmosphere Based on an Instrument Container') und INDOEX ('Indian Ocean Experi-ment') wurde ein Gaschromatograph mit Massenspektrometer zur Analyse von Luftproben auf Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (NMKW) im ppb- und ppt-Bereich entwickelt. Während INDOEX erfolgte die Probennahme auf dem Forschungsschiff Ronald Brown, während CARIBIC mit einem automatischen Probensammler an Bord eines Passagierflugzeuges (Boeing 767-ER, LTU). Die NMKW-Meßergebnisse wurden zusammen mit Ergebnissen von Mes-sungen von Kohlenmonoxid (CO, einschließlich Isotopenzusam-mensetzung), Ozon (O3), Methan (CH4), Kohlendioxid (CO2), Distickstoffmonoxid (N2O), Schwefelhexafluorid (SF6) und Aerosoleigenschaften sowie meteorologischen Daten inter-pretiert. Während INDOEX (Februar / März 1999) wurde in der maritimen Grenzschicht (MBL) des Indischen Ozeans (IO) eine starke Variabilität diverser Spurengase beobachtet, die teilweise durch regionale Emissionen hervorgerufen wurde, die stärkste Variabilität war jedoch durch Langstrecken-transport aus mittleren Breiten der Nordhemisphäre bedingt. Aufgrund der Abweichungen vom klimatologischen Mittel, sollten regionale Quellen die MBL des IO im allgemeinen stärker beeinflussen. Die Einteilung des IO in meteorologi-sche Luftmassenregime wurde bestätigt. Starke Spurengasgra-dienten an der innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) zeigen, daß die ITCZ in erster Linie den Austausch von Luftmassen zwischen den Hemisphären behindert. Bei CARIBIC werden Messungen von Spurengasen (ein-(schließlich NMKW) und Aerosoleigenschaften auf Flügen in der oberen Troposphäre / unteren Stratosphäre durchgeführt. Während eines Flug über Afrika wurden der Einfluß von durch Konvektion in die obere Troposphäre eingebrachten, frischen Abgasen aus Biomassenverbrennung nachgewiesen. Andere Luft-massen wurden durch Emissionen von Erdgas bzw. durch die Stratosphäre beeinflußt.

Lagrangian transport evaluation of atmospheric chemistry in the Mediterranean region

Global observations of the chemical composition of the atmosphere are essential for understanding and studying the present and future state of the earth's atmosphere. However, by analyzing field experiments the consideration of the atmospheric motion is indispensable, because transport enables different chemical species, with different local natural and anthropogenic sources, to interact chemically and so consequently influences the chemical composition of the atmosphere. The distance over which that transport occurs is highly dependent upon meteorological conditions (e.g., wind speed, precipitation) and the properties of chemical species itself (e.g., solubility, reactivity). This interaction between chemistry and dynamics makes the study of atmospheric chemistry both difficult and challenging, and also demonstrates the relevance of including the atmospheric motions in that context. In this doctoral thesis the large-scale transport of air over the eastern Mediterranean region during summer 2001, with a focus on August during the Mediterranean Intensive Oxidant Study (MINOS) measurement campaign, was investigated from a lagrangian perspective. Analysis of back trajectories demonstrated transport of polluted air masses from western and eastern Europe in the boundary layer, from the North Atlantic/North American area in the middle end upper troposphere and additionally from South Asia in the upper troposphere towards the eastern Mediterranean. Investigation of air mass transport near the tropopause indicated enhanced cross-tropopause transport relative to the surrounding area over the eastern Mediterranean region in summer. A large band of air mass transport across the dynamical tropopause develops in June, and is shifted toward higher latitudes in July and August. This shifting is associated with the development and the intensification of the Arabian and South Asian upper-level anticyclones and consequential with areas of maximum clear-air turbulence, hypothesizing quasi-permanent areas with turbulent mixing of tropospheric and stratospheric air during summer over the eastern Mediterranean as a result of large-scale synoptic circulation. In context with the latex knowledge about the transport of polluted air masses towards the Mediterranean and with increasing emissions, especially in developing countries like India, this likely gains in importance.

Ultrafeine Aerosolpartikel in der Stratosphäre

Ein neu konstruierter Kondensationskernzähler COPAS (COndensation PArticle counting System) für in-situ-Messungen der Konzentration von Aitken-Teilchen und ultrafeinen Aerosolpartikeln wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals erfolgreich bei Flugzeugmessungen eingesetzt. COPAS ist ein für flugzeuggestützte Messungen an Bord des Forschungsflugzeuges „Geophysica“ in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre angepaßtes und voll automatisiertes System. Die Verfahrensweise, die Aerosolpartikel des Größenbereichs mit Durchmessern d < 100 nm zum Anwachsen zu bringen, um sie mittels optischer Detektion zu erfassen, ist im COPAS durch das Prinzip der thermischen Diffusion realisiert, wodurch eine kontinuierliche Messung der Aerosolkonzentration mit der untersten Nachweisgrenze für Partikeldurchmesser von d = 6 nm gewährleistet ist. Durch die Verwendung einer Aerosolheizung ist die Unterscheidung von volatilem und nichtvolatilem Anteil des Aerosols mit COPAS möglich. In umfassenden Laborversuchen wurde das COPAS-System hinsichtlich der unteren Nachweisgrenze in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und bei verschiedenen Druckbedingungen charakterisiert sowie die Effizienz der Aerosolheizung bestimmt. Flugzeuggestützte Messungen fanden in mittleren und polaren Breiten im Rahmen des EUPLEX-/ENVISAT-Validierungs–Projektes und in den Tropen während der TROCCINOX/ENVISAT-Kampagne statt. Die Messungen der vertikalen Konzentrationsverteilung des Aerosols ergaben in polaren Breiten eine Zunahme der Konzentration oberhalb von 17 km innerhalb des polaren Vortex mit hohem Anteil nichtvolatiler Partikel von bis zu 70 %. Als Ursache hierfür wird der Eintrag von meteoritischen Rauchpartikeln aus der Mesosphäre in die obere und mittlere Stratosphäre des Vortex angesehen. Ferner konnte in der unteren Stratosphäre des polaren Vortex der Einfluß troposphärischer Luft aus niedrigen Breiten festgestellt werden, die sich in einer hohen Variabilität der Aerosolpartikelkonzentration manifestiert. In tropischen Breiten wurde die Tropopausenregion untersucht. Dabei wurden Konzentrationen von bis zu 104 ultrafeiner Aerosolpartikel mit 6 nm < d < 14 nm pro cm-3 Luft gemessen, deren hoher volatiler Anteil einen sicheren Hinweis darauf gibt, daß die Partikel durch den Prozeß der homogenen Nukleation gebildet wurden. Damit konnte erstmals die Schlußfolgerungen von Brock et al. (1995) durch direkte Messungen der ultrafeinen Partikelkonzentration weitergehend belegt werden, daß in der tropischen Tropopausenregion die Neubildung von Aerosolpartikeln durch homogene Nukleation stattfindet. Die vertikalen Verteilungen der stratosphärischen Aerosolpartikelkonzentration mittlerer Breiten verdeutlichen die Ausbildung einer über 6 Jahre hinweg nahezu konstanten Hintergrundkonzentration des stratosphärischen Aerosols unter vulkanisch unbeeinflußten Bedingungen. Ferner gibt die vergleichende Untersuchung der stratosphärischen Aerosolpartikelkonzentration aus polaren, mittleren und tropischen Breiten Aufschluß über den Transport und die Prozessierung des stratosphärischen Aerosols und insbesondere über den Austausch von Luftmassen zwischen der Stratosphäre und der Troposphäre.

The development and deployment of FOTOS: a fast observation of trace organics system

Flüchtige organische Bestandteile (engl.: VOC) sind in der Atmosphäre in Spuren vorhanden, spielen aber trotzdem eine wichtige Rolle in der Luftchemie: sie beeinflussen das Ozon der Troposphäre, städtischen Smog, Oxidationskapazität und haben direkte und indirekte Auswirkungen auf die globale Klimaveränderung. Eine wichtige Klasse der VOC sind die Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (engl.: NMHC), die überwiegend von anthropogenen Quellen kommen. Aus diesem Grund ist für Luftchemiker ein Messinstrument nötig, das die VOC, die NMHC eingeschlossen, mit einer höheren Zeitauflösung misst, besonders für Echtzeitmessungen an Bord eines Forschungsflugzeuges. Dafür wurde das System zur schnellen Beobachtung von organischen Spuren (engl.: FOTOS) entworfen, gebaut für den Einsatz in einem neuen Wissenschaftlichen Flugzeug, das in großen Höhen und über weite Strecken fliegt, genannt HALO. In der Folge wurde FOTOS in zwei Messkampagnen am Boden getestet. FOTOS wurde entworfen und gebaut mit einem speziell angefertigten, automatisierten, kryogenen Probensystem mit drei Fallen und einem angepassten, erworbenen schnellen GC-MS. Ziel dieses Aufbaus war es, die Vielseitigkeit zu vergrößern und das Störungspotential zu verringern, deshalb wurden keine chemischen Trocknungsmittel oder adsorbierenden Stoffe verwendet. FOTOS erreichte eine Probenfrequenz von 5.5 Minuten, während es mindestens 13 verschiedene C2- bis C5-NMHC maß. Die Drei-Sigma-Detektionsgrenze für n- und iso-Pentan wurde als 2.6 und 2.0 pptv ermittelt, in dieser Reihenfolge. Labortests bestätigten, dass FOTOS ein vielseitiges, robustes, hochautomatisiertes, präzises, genaues, empfindliches Instrument ist, geeignet für Echtzeitmessungen von VOC in Probenfrequenzen, die angemessen sind für ein Forschungsflugzeug wie HALO. Um die Leistung von FOTOS zu bestätigen, wurde vom 26. Januar bis 4. Februar 2010 ein Zwischenvergleich gemacht mit dem GC-FID-System am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg, einer WMO-GAW-globalen Station. Dreizehn verschiedene NMHC wurden innerhalb des Rahmens der GWA Data Quality Objectives (DQO) analysiert und verglichen. Mehr als 80% der Messungen von sechs C3- bis C5-NMHC erfüllten diese DQO. Diese erste Messkampagne im Feld hob die Robustheit und Messgenauigkeit von FOTOS hervor, zusätzlich zu dem Vorteil der höheren Probenfrequenz, sogar in einer Messung am Boden. Um die Möglichkeiten dieses Instrumentes im Feld zu zeigen, maß FOTOS ausgewählte leichte NMHC während einer Messkampagne im Borealen Waldgebiet, HUMPPA-COPEC 2010. Vom 12. Juli bis zum 12. August 2010 beteiligte sich eine internationale Gruppe von Instituten und Instrumenten an Messungen physikalischer und chemischer Größen der Gas- und Partikelphasen der Luft über dem Borealen Wald an der SMEAR II-Station nahe Hyyttiälä, Finnland. Es wurden mehrere Hauptpunkte von Interesse im Mischungsverhältnis der Alkane und im Isomerenverhätnis von Pentan identifiziert, insbesondere sehr unterschiedliche Perioden niedriger und hoher Variabilität, drei Rauchschwaden von Biomassen-Verbrennung von russischen Waldbränden und zwei Tage mit extrem sauberer Luft aus der Polarregion. Vergleiche der NMHC mit anderen anthropogenen Indikatoren zeigten mehrere Quellen anthropogener Einflüsse am Ort auf und erlaubten eine Unterscheidung zwischen lokalen und weiter entfernten Quellen. Auf einen minimalen natürlichen Beitrag zum 24h-Kreislauf von NOx wurde geschlussfolgert aus der Korrelation von NOx mit Alkanen. Altersschätzungen der Luftmassen durch das Isomerenverhältnis von Pentan wurden erschwert durch sich verändernde Verhältnisse der Quellen und durch Besonderheiten der Photochemie während des Sommers im hohen Norden. Diese Messungen zeigten den Wert des Messens leichter NMHC, selbst in abgelegenen Regionen, als einen zusätzlichen spezifischen Marker von anthropogenem Einfluss.

Laboratory and field measurements of enantiomeric and non-enantiomeric biogenic VOCs and anthropogenic BTEX compounds

This doctoral thesis was focused on the investigation of enantiomeric and non-enantiomeric biogenic organic compound (BVOC) emissions from both leaf and canopy scales in different environments. In addition, the anthropogenic compounds benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes (BTEX) were studied. BVOCs are emitted into the lower troposphere in large quantities (ca. 1150 Tg C ·yr-1), approximately an order of magnitude greater than the anthropogenic VOCs. BVOCs are particularly important in tropospheric chemistry because of their impact on ozone production and secondary organic aerosol formation or growth. The BVOCs examined in this study were: isoprene, (-)/ (+)-α-pinene, (-)/ (+)-ß-pinene, Δ-3-carene, (-)/ (+)-limonene, myrcene, eucalyptol and camphor, as these were the most abundant BVOCs observed both in the leaf cuvette study and the ambient measurements. In the laboratory cuvette studies, the sensitivity of enantiomeric enrichment change from the leaf emission has been examined as a function of light (0-1600 PAR) and temperature (20-45°C). Three typical Mediterranean plant species (Quercus ilex L., Rosmarinus officinalis L., Pinus halepensis Mill.) with more than three individuals of each have been investigated using a dynamic enclosure cuvette. The terpenoid compound emission rates were found to be directly linked to either light and temperature (e.g. Quercus ilex L.) or mainly to temperature (e.g. Rosmarinus officinalis L., Pinus halepensis Mill.). However, the enantiomeric signature showed no clear trend in response to either the light or temperature; moreover a large variation of enantiomeric enrichment was found during the experiment. This enantiomeric signature was also used to distinguish chemotypes beyond the normal achiral chemical composition method. The results of nineteen Quercus ilex L. individuals, screened under standard conditions (30°C and 1000 PAR) showed four different chemotypes, whereas the traditional classification showed only two. An enclosure branch cuvette set-up was applied in the natural boreal forest environment from four chemotypes of Scots pine (Pinus sylvestris) and one chemotype of Norway spruce (Picea abies) and the direct emissions compared with ambient air measurements above the canopy during the HUMPPA-COPEC 2010 summer campaign. The chirality of a-pinene was dominated by (+)-enantiomers from Scots pine while for Norway spruce the chirality was found to be opposite (i.e. Abstract II (-)-enantiomer enriched) becoming increasingly enriched in the (-)-enantiomer with light. Field measurements over a Spanish stone pine forest were performed to examine the extent of seasonal changes in enantiomeric enrichment (DOMINO 2008). These showed clear differences in chirality of monoterpene emissions. In wintertime the monoterpene (-)-a-pinene was found to be in slight enantiomeric excess over (+)-a-pinene at night but by day the measured ratio was closer to one i.e. racemic. Samples taken the following summer in the same location showed much higher monoterpene mixing ratios and revealed a strong enantiomeric excess of (-)-a-pinene. This indicated a strong seasonal variance in the enantiomeric emission ratio which was not manifested in the day/night temperature cycles in wintertime. A clear diurnal cycle of enantiomeric enrichment in a-pinene was also found over a French oak forest and the boreal forest. However, while in the boreal forest (-)-a-pinene enrichment increased around the time of maximum light and temperature, the French forest showed the opposite tendency with (+)-a-pinene being favored. For the two field campaigns (DOMINO 2008 and HUMPPA-COPEC 2010), the BTEX were also investigated. For the DOMINO campaign, mixing ratios of the xylene isomers (meta- and para-) and ethylbenzene, which are all well resolved on the ß-cyclodextrin column, were exploited to estimate average OH radical exposures to VOCs from the Huelva industrial area. These were compared to empirical estimates of OH based on JNO2 measured at the site. The deficiencies of each estimation method are discussed. For HUMPPA-COPEC campaign, benzene and toluene mixing ratios can clearly define the air mass influenced by the biomass burning pollution plume from Russia.

Entwicklung und Anwendung von mobilen Messstrategien und Analysemethoden zur Untersuchung urbanen Aerosols

Seit Anbeginn der Menschheitsgeschichte beeinflussen die Menschen ihre Umwelt. Durch anthropogene Emissionen ändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre, was einen zunehmenden Einfluss unter anderem auf die Atmosphärenchemie, die Gesundheit von Mensch, Flora und Fauna und das Klima hat. Die steigende Anzahl riesiger, wachsender Metropolen geht einher mit einer räumlichen Konzentration der Emission von Luftschadstoffen, was vor allem einen Einfluss auf die Luftqualität der windabwärts gelegenen ruralen Regionen hat. In dieser Doktorarbeit wurde im Rahmen des MEGAPOLI-Projektes die Abluftfahne der Megastadt Paris unter Anwendung des mobilen Aerosolforschungslabors MoLa untersucht. Dieses ist mit modernen, zeitlich hochauflösenden Instrumenten zur Messung der chemischen Zusammensetzung und Größenverteilung der Aerosolpartikel sowie einiger Spurengase ausgestattet. Es wurden mobile Messstrategien entwickelt und angewendet, die besonders geeignet zur Charakterisierung urbaner Emissionen sind. Querschnittsmessfahrten durch die Abluftfahne und atmosphärische Hintergrundluftmassen erlaubten sowohl die Bestimmung der Struktur und Homogenität der Abluftfahne als auch die Berechnung des Beitrags der urbanen Emissionen zur Gesamtbelastung der Atmosphäre. Quasi-Lagrange’sche Radialmessfahrten dienten der Erkundung der räumlichen Erstreckung der Abluftfahne sowie auftretender Transformationsprozesse der advehierten Luftschadstoffe. In Kombination mit Modellierungen konnte die Struktur der Abluftfahne vertieft untersucht werden. Flexible stationäre Messungen ergänzten den Datensatz und ließen zudem Vergleichsmessungen mit anderen Messstationen zu. Die Daten einer ortsfesten Messstation wurden zusätzlich verwendet, um die Alterung des organischen Partikelanteils zu beschreiben. Die Analyse der mobilen Messdaten erforderte die Entwicklung einer neuen Methode zur Bereinigung des Datensatzes von lokalen Störeinflüssen. Des Weiteren wurden die Möglichkeiten, Grenzen und Fehler bei der Anwendung komplexer Analyseprogramme zur Berechnung des O/C-Verhältnisses der Partikel sowie der Klassifizierung der Aerosolorganik untersucht. Eine Validierung verschiedener Methoden zur Bestimmung der Luftmassenherkunft war für die Auswertung ebenfalls notwendig. Die detaillierte Untersuchung der Abluftfahne von Paris ergab, dass diese sich anhand der Erhöhung der Konzentrationen von Indikatoren für unprozessierte Luftverschmutzung im Vergleich zu Hintergrundwerten identifizieren lässt. Ihre eher homogene Struktur kann zumeist durch eine Gauß-Form im Querschnitt mit einem exponentiellen Abfall der unprozessierten Schadstoffkonzentrationen mit zunehmender Distanz zur Stadt beschrieben werden. Hierfür ist hauptsächlich die turbulente Vermischung mit Umgebungsluftmassen verantwortlich. Es konnte nachgewiesen werden, dass in der advehierten Abluftfahne eine deutliche Oxidation der Aerosolorganik im Sommer stattfindet; im Winter hingegen ließ sich dieser Prozess während der durchgeführten Messungen nicht beobachten. In beiden Jahreszeiten setzt sich die Abluftfahne hauptsächlich aus Ruß und organischen Partikelkomponenten im PM1-Größenbereich zusammen, wobei die Quellen Verkehr und Kochen sowie zusätzlich Heizen in der kalten Jahreszeit dominieren. Die PM1-Partikelmasse erhöhte sich durch die urbanen Emissionen im Vergleich zum Hintergrundwert im Sommer in der Abluftfahne im Mittel um 30% und im Winter um 10%. Besonders starke Erhöhungen ließen sich für Polyaromaten beobachten, wo im Sommer eine mittlere Zunahme von 194% und im Winter von 131% vorlag. Jahreszeitliche Unterschiede waren ebenso in der Größenverteilung der Partikel der Abluftfahne zu finden, wo im Winter im Gegensatz zum Sommer keine zusätzlichen nukleierten kleinen Partikel, sondern nur durch Kondensation und Koagulation angewachsene Partikel zwischen etwa 10nm und 200nm auftraten. Die Spurengaskonzentrationen unterschieden sich ebenfalls, da chemische Reaktionen temperatur- und mitunter strahlungsabhängig sind. Weitere Anwendungsmöglichkeiten des MoLa wurden bei einer Überführungsfahrt von Deutschland an die spanische Atlantikküste demonstriert, woraus eine Kartierung der Luftqualität entlang der Fahrtroute resultierte. Es zeigte sich, dass hauptsächlich urbane Ballungszentren von unprozessierten Luftschadstoffen betroffen sind, advehierte gealterte Substanzen jedoch jede Region beeinflussen können. Die Untersuchung der Luftqualität an Standorten mit unterschiedlicher Exposition bezüglich anthropogener Quellen erweiterte diese Aussage um einen Einblick in die Variation der Luftqualität, abhängig unter anderem von der Wetterlage und der Nähe zu Emissionsquellen. Damit konnte gezeigt werden, dass sich die entwickelten Messstrategien und Analysemethoden nicht nur zur Untersuchung der Abluftfahne einer Großstadt, sondern auch auf verschiedene andere wissenschaftliche und umweltmesstechnische Fragestellungen anwenden lassen.

Stabilität und Transport in der planetaren Grenzschicht - Untersuchungen mit Radiosonden- und Spurengasmessungen während PARADE

Die vorliegende Arbeit untersucht die Struktur und Zusammensetzung der untersten Atmosphäre im Rahmen der PARADE-Messkampagne (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) am Kleinen Feldberg in Deutschland im Spätsommer 2011. Dazu werden Messungen von meteorologischen Grundgrößen (Temperatur, Feuchte, Druck, Windgeschwindigkeit und -richtung) zusammen mit Radiosonden und flugzeuggetragenen Messungen von Spurengasen (Kohlenstoffmonoxid, -dioxid, Ozon und Partikelanzahlkonzentrationen) ausgewertet. Ziel ist es, mit diesen Daten, die thermodynamischen und dynamischen Eigenschaften und deren Einfluss auf die chemische Luftmassenzusammensetzung in der planetaren Grenzschicht zu bestimmen. Dazu werden die Radiosonden und Flugzeugmessungen mit Lagrangeschen Methoden kombiniert und es wird zwischen rein kinematischen Modellen (LAGRANTO und FLEXTRA) sowie sogenannten Partikeldispersionsmodellen (FLEXPART) unterschieden. Zum ersten Mal wurde im Rahmen dieser Arbeit dabei auch eine Version von FLEXPART-COSMO verwendet, die von den meteorologischen Analysefeldern des Deutschen Wetterdienstes angetrieben werden. Aus verschiedenen bekannten Methoden der Grenzschichthöhenbestimmung mit Radiosondenmessungen wird die Bulk-Richardson-Zahl-Methode als Referenzmethode verwendet, da sie eine etablierte Methode sowohl für Messungen und als auch Modellanalysen darstellt. Mit einer Toleranz von 125 m, kann zu 95 % mit mindestens drei anderen Methoden eine Übereinstimmung zu der ermittelten Grenzschichthöhe festgestellt werden, was die Qualität der Grenzschichthöhe bestätigt. Die Grenzschichthöhe variiert während der Messkampagne zwischen 0 und 2000 m über Grund, wobei eine hohe Grenzschicht nach dem Durchzug von Kaltfronten beobachtet wird, hingegen eine niedrige Grenzschicht unter Hochdruckeinfluss und damit verbundener Subsidenz bei windarmen Bedingungen im Warmsektor. Ein Vergleich zwischen den Grenzschichthöhen aus Radiosonden und aus Modellen (COSMO-DE, COSMO-EU, COSMO-7) zeigt nur geringe Unterschiede um -6 bis +12% während der Kampagne am Kleinen Feldberg. Es kann allerdings gezeigt werden, dass in größeren Simulationsgebieten systematische Unterschiede zwischen den Modellen (COSMO-7 und COSMO-EU) auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird deutlich, dass die Bodenfeuchte, die in diesen beiden Modellen unterschiedlich initialisiert wird, zu verschiedenen Grenzschichthöhen führt. Die Folge sind systematische Unterschiede in der Luftmassenherkunft und insbesondere der Emissionssensitivität. Des Weiteren kann lokale Mischung zwischen der Grenzschicht und der freien Troposphäre bestimmt werden. Dies zeigt sich in der zeitlichen Änderung der Korrelationen zwischen CO2 und O3 aus den Flugzeugmessungen, und wird im Vergleich mit Rückwärtstrajektorien und Radiosondenprofilen bestärkt. Das Einmischen der Luftmassen in die Grenzschicht beeinflusst dabei die chemische Zusammensetzung in der Vertikalen und wahrscheinlich auch am Boden. Diese experimentelle Studie bestätigt die Relevanz der Einmischungsprozesse aus der freien Troposphäre und die Verwendbarkeit der Korrelationsmethode, um Austausch- und Einmischungsprozesse an dieser Grenzfläche zu bestimmen.

PBDEs in the atmosphere over the Asian marginal seas, and the Indian and Atlantic oceans

Air samples were collected from Jan 16 to Mar 14, 2008 onboard the Oceanic II- The Scholar Ship which navigated an east–west transect from Shanghai to Cape Verde, and polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) were analyzed in these samples. PBDE concentrations in the atmosphere over the open seas were influenced by proximity to source areas and land, and air mass origins. The concentrations of Σ21PBDEs over the East and South China Seas, the Bay of Bengal and the Andaman Sea, the Indian Ocean, and the Atlantic Ocean were 10.8 ± 6.13, 3.22 ± 1.57, 5.12 ± 3.56, and 2.87 ± 1.81 pg m−3, respectively. BDE-47 and -99 were the dominant congeners in all the samples, suggesting that the widely used commercial penta-BDE products were the original sources. Over some parts of Atlantic and Indian Ocean, daytime concentrations of BDE-47 and BDE-99 were higher than the concentrations at night. The strong atmospheric variability does not always coincide with a diurnal cycle, but the variability in air concentrations in such remote areas of the ocean remains strong. No significant trends were found for each of PBDE congener with latitude.

Long-Range Pollution Transport: Trans-Atlantic Mechanisms and Lagrangian Modeling Methods

Over the past several decades, it has become apparent that anthropogenic activities have resulted in the large-scale enhancement of the levels of many trace gases throughout the troposphere. More recently, attention has been given to the transport pathway taken by these emissions as they are dispersed throughout the atmosphere. The transport pathway determines the physical characteristics of emissions plumes and therefore plays an important role in the chemical transformations that can occur downwind of source regions. For example, the production of ozone (O3) is strongly dependent upon the transport its precursors undergo. O3 can initially be formed within air masses while still over polluted source regions. These polluted air masses can experience continued O3 production or O3 destruction downwind, depending on the air mass's chemical and transport characteristics. At present, however, there are a number of uncertainties in the relationships between transport and O3 production in the North Atlantic lower free troposphere. The first phase of the study presented here used measurements made at the Pico Mountain observatory and model simulations to determine transport pathways for US emissions to the observatory. The Pico Mountain observatory was established in the summer of 2001 in order to address the need to understand the relationships between transport and O3 production. Measurements from the observatory were analyzed in conjunction with model simulations from the Lagrangian particle dispersion model (LPDM), FLEX-PART, in order to determine the transport pathway for events observed at the Pico Mountain observatory during July 2003. A total of 16 events were observed, 4 of which were analyzed in detail. The transport time for these 16 events varied from 4.5 to 7 days, while the transport altitudes over the ocean ranged from 2-8 km, but were typically less than 3 km. In three of the case studies, eastward advection and transport in a weak warm conveyor belt (WCB) airflow was responsible for the export of North American emissions into the FT, while transport in the FT was governed by easterly winds driven by the Azores/Bermuda High (ABH) and transient northerly lows. In the fourth case study, North American emissions were lofted to 6-8 km in a WCB before being entrained in the same cyclone's dry airstream and transported down to the observatory. The results of this study show that the lower marine FT may provide an important transport environment where O3 production may continue, in contrast to transport in the marine boundary layer, where O3 destruction is believed to dominate. The second phase of the study presented here focused on improving the analysis methods that are available with LPDMs. While LPDMs are popular and useful for the analysis of atmospheric trace gas measurements, identifying the transport pathway of emissions from their source to a receptor (the Pico Mountain observatory in our case) using the standard gridded model output, particularly during complex meteorological scenarios can be difficult can be difficult or impossible. The transport study in phase 1 was limited to only 1 month out of more than 3 years of available data and included only 4 case studies out of the 16 events specifically due to this confounding factor. The second phase of this study addressed this difficulty by presenting a method to clearly and easily identify the pathway taken by only those emissions that arrive at a receptor at a particular time, by combining the standard gridded output from forward (i.e., concentrations) and backward (i.e., residence time) LPDM simulations, greatly simplifying similar analyses. The ability of the method to successfully determine the source-to-receptor pathway, restoring this Lagrangian information that is lost when the data are gridded, is proven by comparing the pathway determined from this method with the particle trajectories from both the forward and backward models. A sample analysis is also presented, demonstrating that this method is more accurate and easier to use than existing methods using standard LPDM products. Finally, we discuss potential future work that would be possible by combining the backward LPDM simulation with gridded data from other sources (e.g., chemical transport models) to obtain a Lagrangian sampling of the air that will eventually arrive at a receptor.

Deposition History of Polychlorinated Biphenyls to the Lomonosovfonna Glacier, Svalbard: A 209 Congener Analysis

A 37 m deep ice core representing 1957–2009 and snow from 2009 to 2010 were collected on the Lomonosovfonna glacier, Svalbard (78.82° N; 17.43° E) and analyzed for 209 polychlorinated biphenyl (PCB) congeners using high-resolution mass spectrometry. Congener profiles in all samples showed the prevalence of tetra- and pentachlorobiphenyls, dominated in all samples by PCB-44, PCB-52, PCB-70 + PCB-74, PCB-87 + PCB-97, PCB-95, PCB-99, PCB-101, and PCB-110. The ∑PCB flux varied over time, but the peak flux, 19 pg cm–2 year–1 from 1957 to 1966, recurred in 1974–1983, 1998–2009, and 2009–2010. The minimum was 5.75 pg cm–2 year–1 in 1989–1998, following a 15 year decline. Peak ∑PCB fluxes here are lower than measured in the Canadian Arctic. The analysis of all 209 congeners revealed that PCB-11 (3,3′-dichlorobiphenyl) was present in all samples, representing 0.9–4.5% of ∑PCB. PCB-11 was not produced in a commercial PCB product, and its source to the Arctic has not been well-characterized; however, our results confirm that the sources to Lomonosovfonna have been active since 1957. The higher fluxes of ∑PCB correspond to periods when average 5 day air mass back trajectories have a frequency of 8–10% and reach 60° N or beyond over northern Europe and western Russia or the North Sea into the U.K

Validation of middle-atmospheric campaign-based water vapour measured by the ground-based microwave radiometer MIAWARA-C

Middle atmospheric water vapour can be used as a tracer for dynamical processes. It is mainly measured by satellite instruments and ground-based microwave radiometers. Ground-based instruments capable of measuring middle-atmospheric water vapour are sparse but valuable as they complement satellite measurements, are relatively easy to maintain and have a long lifetime. MIAWARA-C is a ground-based microwave radiometer for middle-atmospheric water vapour designed for use on measurement campaigns for both atmospheric case studies and instrument intercomparisons. MIAWARA-C's retrieval version 1.1 (v1.1) is set up in a such way as to provide a consistent data set even if the instrument is operated from different locations on a campaign basis. The sensitive altitude range for v1.1 extends from 4 hPa (37 km) to 0.017 hPa (75 km). For v1.1 the estimated systematic error is approximately 10% for all altitudes. At lower altitudes it is dominated by uncertainties in the calibration, with altitude the influence of spectroscopic and temperature uncertainties increases. The estimated random error increases with altitude from 5 to 25%. MIAWARA-C measures two polarisations of the incident radiation in separate receiver channels, and can therefore provide two measurements of the same air mass with independent instrumental noise. The standard deviation of the difference between the profiles obtained from the two polarisations is in excellent agreement with the estimated random measurement error of v1.1. In this paper, the quality of v1.1 data is assessed for measurements obtained at two different locations: (1) a total of 25 months of measurements in the Arctic (Sodankylä, 67.37° N, 26.63° E) and (2) nine months of measurements at mid-latitudes (Zimmerwald, 46.88° N, 7.46° E). For both locations MIAWARA-C's profiles are compared to measurements from the satellite experiments Aura MLS and MIPAS. In addition, comparisons to ACE-FTS and SOFIE are presented for the Arctic and to the ground-based radiometer MIAWARA for the mid-latitude campaigns. In general, all intercomparisons show high correlation coefficients, confirming the ability of MIAWARA-C to monitor temporal variations of the order of days. The biases are generally below 13% and within the estimated systematic uncertainty of MIAWARA-C. No consistent wet or dry bias is identified for MIAWARA-C. In addition, comparisons to the reference instruments indicate the estimated random error of v1.1 to be a realistic measure of the random variation on the retrieved profile between 45 and 70 km.

Stable-Isotopic Composition of Precipitation Over the Northern Slope of the Central Himalaya

Stable-water-isotope data (deltaD and delta(18)O) from three groups of samples (fresh-snow and snow-pit samples collected on Qomolangma (Mount Everest) and Xixabangma during field seasons 1997,1998 and 2001, and precipitation samples collected at Tingri station during summer 2000) are presented and used to survey the isotopic composition of precipitation over the northern slope of the central Himalaya. Multi-year snow-pit samples on Qomolangma have a local meteoric water-line (slope = 8) close to the global value. Deuterium excess (d = deltaD - 8delta(18)O) values at Tingri are much lower than those in fresh snow from Qomolangma, probably due to differences in moisture source and air-mass trajectories as well as local weather conditions. There is no obvious seasonal trend for d values in the Qomolangma region. A negative relationship exists between delta(18)O and d values in both fresh snow on Qomolangma and precipitation at Tingri. Fresh-snow samples collected from different altitudes on Xixabangma allow us to investigate the altitude effect on delta(18)O values in snow. Of four storm events, only one has an obvious altitude effect on delta(18)O variation and a very low gradient of -0.1% per 100 in elevation.

A 12,000 Year Record of Explosive Volcanism in the Siple Dome Ice Core, West Antarctica

Air mass trajectories in the Southern Hemisphere provide a mechanism for transport to and deposition of volcanic products on the Antarctic ice sheet from local volcanoes and from tropical and subtropical volcanic centers. This study extends the detailed record of Antarctic, South American, and equatorial volcanism over the last 12,000 years using continuous glaciochemical series developed from the Siple Dome A (SDMA) ice core, West Antarctica. The largest volcanic sulfate spike ( 280 mu g/L) occurs at 5881 B. C. E. Other large signals with unknown sources are observed around 325 B. C. E. ( 270 mu g/L) and 2818 B. C. E. ( 191 mu g/L). Ages of several large equatorial or Southern Hemisphere volcanic eruptions are synchronous with many sulfate peaks detected in the SDMA volcanic ice chemistry record. The microprobe "fingerprinting'' of glass shards in the SDMA core points to the following Antarctic volcanic centers as sources of tephra found in the SDMA core: Balenny Island, Pleiades, Mount Berlin, Mount Takahe, and Mount Melbourne as well as Mount Hudson and possibly Mount Burney volcanoes of South America. Identified volcanic sources provide an insight into the poorly resolved transport history of volcanic products from source volcanoes to the West Antarctic ice sheet.

Monsoonal Circulation of the McMurdo Dry Valleys, Ross Sea Region, Antarctica: Signal from the Snow Chemistry

McMurdo Dry Valleys (MDV, Ross Sea region, Antarctica) precipitation exhibits extreme seasonality in ion concentration, 3-5 orders of magnitude between summer and winter precipitation. To identify aerosol sources and investigate causes for the observed amplitude in concentration variability, four snow pits were sampled along a coast-Polar Plateau transect across the MDV. The elevation of the sites ranges from 50 to 2400 m and the distance from the coast from 8 to 93 km. Average chemistry gradients along the transect indicate that most species have either a predominant marine or terrestrial source in the MDV. Empirical orthogonal function analysis on the snow-chemistry time series shows that at least 57% of aerosol deposition occurs concurrently. A conceptual climate model, based on meteorological observations, is used to explain the strong seasonality in the MDV. Our results suggest that radiative forcing of the ice-free valleys creates a surface low-pressure cell during summer which promotes air-mass flow from the Ross Sea. The associated precipitating air mass is relatively warm, humid and contains a high concentration of aerosols. During winter, the MDV are dominated by air masses draining off the East Antarctic ice sheet, that are characterized by cold, dry and low concentrations of aerosols. The strong differences between these two air-mass sources create in the MDV a polar version of the monsoonal flow, with humid, warm summers and dry, cold winters.

Solar Forcing Recorded by Aerosol Concentrations in Coastal Antarctic Glacier Ice, McMurdo Dry Valleys

Ice-core chemistry data from Victoria Lower Glacier, Antarctica, suggest, at least for the last 50 years, a direct influence of solar activity variations on the McMurdo Dry Valleys (MDV) climate system via controls on air-mass input from two competing environments: the East Antarctic ice sheet and the Ross Sea. During periods of increased solar activity, when total solar irradiance is relatively high, the MDV climate system appears to be dominated by air masses originating from the Ross Sea, leading to higher aerosol deposition. During reduced solar activity, the Antarctic interior seems to be the dominant air-mass source, leading to lower aerosol concentration in the ice-core record. We propose that the sensitivity of the MDV to variations in solar irradiance is caused by strong albedo differences between the ice-free MDV and the ice sheet.