AN EXAMINATION OF HYDROXYL RADICAL: OUR CURRENT UNDERSTANDING OF THE OXIDATIVE CAPACITY OF THE TROPOSPHERE THROUGH EMPIRICAL, BOX, AND GLOBAL MODELING APPROACHES

Hydroxyl radical (OH) is the primary oxidant in the troposphere, initiating the removal of numerous atmospheric species including greenhouse gases, pollutants that are detrimental to human health, and ozone-depleting substances. Because of the complexity of OH chemistry, models vary widely in their OH chemistry schemes and resulting methane (CH4) lifetimes. The current state of knowledge concerning global OH abundances is often contradictory. This body of work encompasses three projects that investigate tropospheric OH from a modeling perspective, with the goal of improving the tropospheric community’s knowledge of the atmospheric lifetime of CH4. First, measurements taken during the airborne CONvective TRansport of Active Species in the Tropics (CONTRAST) field campaign are used to evaluate OH in global models. A box model constrained to measured variables is utilized to infer concentrations of OH along the flight track. Results are used to evaluate global model performance, suggest against the existence of a proposed “OH Hole” in the tropical Western Pacific, and investigate implications of high O3/low H2O filaments on chemical transport to the stratosphere. While methyl chloroform-based estimates of global mean OH suggest that models are overestimating OH, we report evidence that these models are actually underestimating OH in the tropical Western Pacific. The second project examines OH within global models to diagnose differences in CH4 lifetime. I developed an approach to quantify the roles of OH precursor field differences (O3, H2O, CO, NOx, etc.) using a neural network method. This technique enables us to approximate the change in CH4 lifetime resulting from variations in individual precursor fields. The dominant factors driving CH4 lifetime differences between models are O3, CO, and J(O3-O1D). My third project evaluates the effect of climate change on global fields of OH using an empirical model. Observations of H2O and O3 from satellite instruments are combined with a simulation of tropical expansion to derive changes in global mean OH over the past 25 years. We find that increasing H2O and increasing width of the tropics tend to increase global mean OH, countering the increasing CH4 sink and resulting in well-buffered global tropospheric OH concentrations.

Do Hydroxyl Radical−Water Clusters, OH(H2O)n, n = 1−5, Exist in the Atmosphere?

It has been speculated that the presence of OH(H2O)n clusters in the troposphere could have significant effects on the solar absorption balance and the reactivity of the hydroxyl radical. We have used the G3 and G3B3 model chemistries to model the structures and predict the frequencies of hydroxyl radical/water clusters containing one to five water molecules. The reaction between hydroxyl radical clusters and methane was examined as a function of water cluster size to gain an understanding of how cluster size affects the hydroxyl radical reactivity.

Hydroxyl radical formation in the gas phase oxidation of distonic 2-methylphenyl radical cations

The reactions of distonic 4-(N, N, N-trimethylammonium)-2-methylphenyl and 5-(N, N, N-trimethylammonium)-2-methylphenyl radical cations (m/z 149) with O-2 are studied in the gas phase using ion-trap mass spectrometry. Photodissociation (PD) of halogenated precursors gives rise to the target distonic charge-tagged methylphenyl radical whereas collision-induced dissociation (CID) is found to produce unreactive radical ions. The PD generated distonic radicals, however, react rapidly with O-2 to form \[M + O2](center dot+) and \[M + O-2 - OH](center dot+) ions, detected at m/z 181 and m/z 164, respectively. Quantum chemical calculations using G3SX(MP3) and M06-2X theories are deployed to examine key decomposition pathways of the 5-(N, N, N-trimethylammonium)-2-methylphenylperoxyl radical and rationalise the observed product ions. The prevailing product mechanism involves a 1,5- H shift in the peroxyl radical forming a QOOH-type intermediate that subsequently eliminates (OH)-O-center dot to yield charge-tagged 2-quinone methide. Our study suggests that the analogous process should occur for the neutral methylphenyl + O-2 reaction, thus serving as a plausible source of (OH)-O-center dot radicals in combustion environments. Grants: ARC/DP0986738, ARC/DP130100862

Tropospheric photochemistry of ozone, its precursors and the hydroxyl radical

Zusammenfassung Ein 3-dimensionales globales Modell der unterenAtmosphäre wurde für die Untersuchung derOzonchemie, sowie der Chemie des Hydroxylradikals (OH) undwichtiger Vorläufersubstanzen, wie reaktiverStickstoffverbindungen und Kohlenwasserstoffe, verwendet.Hierfür wurde die Behandlung vonNicht-Methan-Kohlenwasserstoffen (NMKW) hinzugefügt,was auch die Entwicklung einer vereinfachten Beschreibungihrer Chemie, sowie die Erfassung von Depositionsprozessenund Emissionen erforderte. Zur Lösung der steifengewöhnlichen Differentialgleichungen der Chemie wurdeeine schnelles Rosenbrock-Verfahren eingesetzt, das soimplementiert wurde, dass die Modell-Chemie fürzukünftige Studien leicht abgeändert werden kann. Zur Evaluierung des Modells wurde ein umfangreicherVergleich der Modellergebnisse mit Bodenmessungen, sowieFlugzeug-, Sonden- und Satelliten-Daten durchgeführt.Das Modell kann viele Aspekte der Beobachtungen derverschieden Substanzen realistisch wiedergeben. Es wurdenjedoch auch einige Diskrepanzen festgestellt, die Hinweiseauf fehlerhafte Emissionsfelder oder auf die Modell-Dynamikund auch auf fehlende Modell-Chemie liefern. Zur weiteren Untersuchung des Einflusses verschiedenerStoffgruppen wurden drei Läufe mit unterschiedlichkomplexer Chemie analysiert. Durch das Berücksichtigender NMKW wird die Verteilung mehrerer wichtiger Substanzensignifikant beeinflusst, darunter z.B. ein Anstieg desglobalen Ozons. Es wurde gezeigt, dass die biogene SubstanzIsopren etwa die Hälfte des Gesamteffekts der NMKWausmachte (mehr in den Tropen, weniger anderswo). In einer Sensitivitätsstudie wurden die Unsicherheitenbei der Modellierung von Isopren weitergehend untersucht.Dabei konnte gezeigt werden, dass die Unsicherheit beiphysikalischen Aspekten (Deposition und heterogene Prozesse)ebenso groß sein kann, wie die aus dem chemischenGasphasen-Mechanismus stammende, welche zu globalbedeutsamen Abweichungen führte. Lokal können sichnoch größere Abweichungen ergeben. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die numerischenStudien dieser Arbeit neue Einblicke in wichtige Aspekte derPhotochemieder Troposphäre ergaben und in Vorschläge fürweiter Studien mündeten, die die wichtigsten gefundenenUnsicherheiten weiter verringern könnten.

Quantifying the OH radical by global scale NMHC measurements from the NOAA - ESRL cooperative flask sampling network

Summary PhD Thesis Jan Pollmann: This thesis focuses on global scale measurements of light reactive non-methane hydrocarbon (NMHC), in the volatility range from ethane to toluene with a special focus on ethane, propane, isobutane, butane, isopentane and pentane. Even though they only occur at the ppt level (nmol mol-1) in the remote troposphere these species can yield insight into key atmospheric processes. An analytical method was developed and subsequently evaluated to analyze NMHC from the NOAA – ERSL cooperative air sampling network. Potential analytical interferences through other atmospheric trace gases (water vapor and ozone) were carefully examined. The analytical parameters accuracy and precision were analyzed in detail. It was proven that more than 90% of the data points meet the Global Atmospheric Watch (GAW) data quality objective. Trace gas measurements from 28 measurement stations were used to derive the global atmospheric distribution profile for 4 NMHC (ethane, propane, isobutane, butane). A close comparison of the derived ethane data with previously published reports showed that northern hemispheric ethane background mixing ratio declined by approximately 30% since 1990. No such change was observed for southern hemispheric ethane. The NMHC data and trace gas data supplied by NOAA ESRL were used to estimate local diurnal averaged hydroxyl radical (OH) mixing ratios by variability analysis. Comparison of the variability derived OH with directly measured OH and modeled OH mixing ratios were found in good agreement outside the tropics. Tropical OH was on average two times higher than predicted by the model. Variability analysis was used to assess the effect of chlorine radicals on atmospheric oxidation chemistry. It was found that Cl is probably not of significant relevance on a global scale.

The oxidation capacity of the atmosphere - OH and HO 2 radical measurements in a boreal forest environment using laser induced fluorescence spectroscopy

Das wichtigste Oxidationsmittel für den Abbau flüchtiger Kohlenwasserstoffverbindungen (VOC, engl.: volatile organic compounds) in der Atmosphäre ist das Hydroxylradikal (OH), welches sich in einem schnellen chemischen Gleichgewicht mit dem Hydroperoxylradical (HO2) befindet. Bisherige Messungen und Modellvergleiche dieser Radikalspezies in Waldgebieten haben signifikante Lücken im Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse aufgezeigt.rnIm Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Messungen von OH- und HO2-Radikalen mittelsrnlaserinduzierten Fluoreszensmesstechnik (LIF, engl.: laser-induced fluorescence) in einem Nadelwald in Süd-Finnland während der Messkampagne HUMPPA–COPEC–2010 (Hyytiälä United Measurements of Photochemistry and Particles in Air – Comprehensive Organic Precursor Emission and Concentration study) im Sommer 2010 durchgeführt. Unterschiedliche Komponenten des LIF-Instruments wurden verbessert. Eine modifizierte Methode zur Bestimmung des Hintergrundsignals (engl.: InletPreInjector technique) wurde in den Messaufbaurnintegriert und erstmals zur Messung von atmosphärischem OH verwendet. Vergleichsmessungen zweier Instrumente basierend auf unterschiedlichen Methoden zur Messung von OH-Radikalen, chemische Ionisationsmassenspektrometrie (CIMS - engl.: chemical ionization mass spectrometry) und LIF-Technik, zeigten eine gute Übereinstimmung. Die Vergleichsmessungen belegen das Vermögen und die Leistungsfähigkeit des modifizierten LIF-Instruments atmosphärische OH Konzentrationen akkurat zu messen. Nachfolgend wurde das LIF-Instrument auf der obersten Plattform eines 20m hohen Turmes positioniert, um knapp oberhalb der Baumkronen die Radikal-Chemie an der Schnittstelle zwischen Ökosystem und Atmosphäre zu untersuchen. Umfangreiche Messungen - dies beinhaltet Messungen der totalen OH-Reaktivität - wurden durchgeführt und unter Verwendung von Gleichgewichtszustandsberechnungen und einem Boxmodell, in welches die gemessenen Daten als Randbedingungen eingehen, analysiert. Wenn moderate OH-Reaktivitäten(k′(OH)≤ 15 s−1) vorlagen, sind OH-Produktionsraten, die aus gemessenen Konzentrationen von OH-Vorläuferspezies berechnet wurden, konsistent mit Produktionsraten, die unter der Gleichgewichtsannahme von Messungen des totalen OH Verlustes abgeleitet wurden. Die primären photolytischen OH-Quellen tragen mit einem Anteil von bis zu einem Drittel zur Gesamt-OH-Produktion bei. Es wurde gezeigt, dass OH-Rezyklierung unter Bedingungen moderater OH-Reaktivität hauptsächlich durch die Reaktionen von HO2 mit NO oder O3 bestimmt ist. Während Zeiten hoher OH-Reaktivität (k′(OH) > 15 s−1) wurden zusätzliche Rezyklierungspfade, die nicht über die Reaktionen von HO2 mit NO oder O3, sondern direkt OH bilden, aufgezeigt.rnFür Hydroxylradikale stimmen Boxmodell-Simulationen und Messungen gut übereinrn(OHmod/OHobs=1.04±0.16), während HO2-Mischungsverhältnisse in der Simulation signifikant unterschätzt werden (HO2mod/HO2obs=0.3±0.2) und die simulierte OH-Reaktivität nicht mit der gemessenen OH-Reaktivität übereinstimmt. Die gleichzeitige Unterschätzung der HO2-Mischungsverhältnisse und der OH-Reaktivität, während OH-Konzentrationen von der Simulation gut beschrieben werden, legt nahe, dass die fehlende OH-Reaktivität in der Simulation eine noch unberücksichtigte HO2-Quelle darstellt. Zusätzliche, OH-unabhängigernRO2/HO2-Quellen, wie z.B. der thermische Zerfall von herantransportiertem peroxyacetylnitrat (PAN) und die Photolyse von Glyoxal sind indiziert.

Reexamination of the mechanism of hydroxyl radical adducts formed from the reaction between familial amyotrophic lateral sclerosis-associated Cu,Zn superoxide dismutase mutants and H2O2

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) involves the progressive degeneration of motor neurons in the spinal cord and motor cortex. Mutations to Cu,Zn superoxide dismutase (SOD) linked with familial ALS are reported to increase hydroxyl radical adduct formation from hydrogen peroxide as measured by spin trapping with 5,5′-dimethyl-1-pyrrolline N-oxide (DMPO). In the present study, we have used oxygen-17-enriched water and H2O2 to reinvestigate the mechanism of DMPO/⋅OH formation from the SOD and SOD mutants. The relative ratios of DMPO/⋅17OH and DMPO/⋅16OH formed in the Fenton reaction were 90% and 10%, respectively, reflecting the ratios of H217O2 to H216O2. The reaction of the WT SOD with H217O2 in bicarbonate/CO2 buffer yielded 63% DMPO/⋅17OH and 37% DMPO/⋅16OH. Similar results were obtained from the reaction between familial ALS SOD mutants and H217O2: DMPO/⋅17OH (64%); DMPO/⋅16OH (36%) from A4V and DMPO/⋅17OH (62%); and DMPO/⋅16OH (38%) from G93A. These results were confirmed further by using 5-diethoxyphosphoryl-5-methyl-1-pyrroline N-oxide spin trap, a phosphorylated analog of DMPO. Contrary to earlier reports, the present results indicate that a significant fraction of DMPO/⋅OH formed during the reaction of SOD and familial ALS SOD mutants with H2O2 is derived from the incorporation of oxygen from water due to oxidation of DMPO to DMPO/⋅OH presumably via DMPO radical cation. No differences were detected between WT and mutant SODs, neither in the concentration of DMPO/⋅OH or DEPMPO/⋅OH formed nor in the relative incorporation of oxygen from H2O2 or water.

Hydroxyl radical generation by cactus-like copper oxide nanoporous carbon catalysts for microcystin-LR environmental remediation

Copper oxide supported on nanoporous activated carbon (CuO-NPAC) is reported for the aqueous phase catalytic degradation of cyanotoxin microcystin-LR (MC-LR). The loading and spatial distribution of CuO throughout the NPAC matrix strongly influence the catalytic efficiency. CuO-NPAC synthesis was optimized with respect to the copper loading and thermal processing, and the physicochemical properties of the resulting materials were characterized by XRD, BET, TEM, SEM, EPR, TGA, XPS and FT-IR spectroscopy. EPR spin trapping and fluorescence spectroscopy showed in situ ˙OH formation via H2O2 over CuO-NPAC as the catalytically relevant oxidant. The impact of reaction conditions, notably CuO-NPAC loading, H2O2 concentration and solution pH, is discussed in relation to the reaction kinetics for MC-LR remediation.

Determination of photochemically produced hydroxyl radicals in seawater and freshwater

A variety of short-lived, reactive chemical species (i.e. free radicals and excited state species) are known to be photochemically produced in natural waters. Some of these transients may strongly affect chemical and biological processes, and they have been implicated in the degradation of organic pollutants and natural organic compounds in aqueous environments. Previous studies demonstrated that the highly reactive hydroxyl radical (OH) is photochemically formed in seawater. However, the quantitative importance of this key species in the sea has not been previously studied because of past analytical limitations. By using a highly sensitive probe based on α-H atom abstraction from methanol, we were able to measure production rates and steady-state concentrations of photochemically produced OH radicals in coastal and open ocean seawater and freshwaters. The validity of the method was tested by intercalibrating with an independent, OH-specific reaction, hydroxylation of benzoic acid, and also by competition kinetics experiments. Our OH production rates and steady-state concentrations for freshwaters are in excellent agreement with those measured by previous investigators for similar waters. In contrast, for seawater, the values we measured are 1–3 orders of magnitude higher than previously predicted by models, indicating that there is a major unknown photochemical OH source (s) in seawater.

The antioxidant activity of 2-(4(or 2)-hydroxyl-5-chloride-1,3-benzene-di-sulfanimide)-chitosan

Chitosan (CS) with two different molecular weights was modified by reacting with 4-hydroxyl-5-chloride-1,3-benzene-disulfo-chloride or 2-hydroxyl-5-chloride-1,3-benzene-disulfo-chloride to give new 2-(4(or 2)-hydroxyl-5-chloride-1,3-benzene-di-sulfanimide)-chitosan (2-HCBSAHCS, 2-HCBSALCS, 4-HCBSAHCS, 4-HCBSALCS). The structure of the derivatives was characterized by FT-IR and C-13 NMR spectroscopy. The antioxidant activities of the derivatives were investigated employing various established systems, such as hydroxyl radical ((OH)-O-center dot)/superoxide anion (O-2(radical anion)) scavenging/reducing power and chelating activity. All the derivatives showed stronger scavenging activity on hydroxyl radical than chitosan and ascorbic acid (Vc), and IC50 of 4-HCBSAHCS, 4-HCBSALCS, 2-HCBSAHCS and 2-HCBSALCS was 0.334, 0.302, 0.442, 0.346 mg/mL, respectively. The inhibitory activities of the derivatives toward superoxide radical by the PMS-NADH system were strong. The results showed that the superoxide radical scavenging effect of 2-(4(or 2)-hydroxyl-5-chloride-1,3-benzene-disulfanimide)-chitosan was higher than chitosan. The derivatives had obviously reducing power and slight chelating activity. The data obtained in in vitro models clearly establish the antioxidant potency of 2-(4(or 2)-hydroxyl-5-chloride-1,3-benzene-disulfanimide)-chitosan. (C) 2007 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

A New Mechanism for Hydroxyl Radical Production in Irradiated Nanoparticle Solutions

The absolute yield of hydroxyl radicals per unit of deposited X-ray energy is determined for the first time for irradiated aqueous solutions containing metal nanoparticles based on a “reference” protocol. Measurements are made as a function of dose rate and nanoparticle concentration. Possible mechanisms for hydroxyl radical production are considered in turn: energy deposition in the nanoparticles followed by its transport into the surrounding environment is unable to account for observed yield whereas energy deposition in the water followed by a catalytic-like reaction at the water-nanoparticle interface can account for the total yield and its dependence on dose rate and nanoparticle concentration. This finding is important because current models used to account for nanoparticle enhancement to radiobiological damage only consider the primary interaction with the nanoparticle, not with the surrounding media. Nothing about the new mechanism appears to be specific to gold, the main requirements being the formation of a structured water layer in the vicinity of the nanoparticle possibly through the interaction of its charge and the water dipoles. The massive hydroxyl radical production is relevant to a number of application fields, particularly nanomedicine since the hydroxyl radical is responsible for the majority of radiation-induced DNA damage.

OH- und HO 2-Radikale über dem tropischen Regenwald

Beständig werden Spurenstoffe in die Atmosphäre emittiert, die ihren Ursprung in biogenen oder anthropogenen Quellen haben. Daß es dennoch im allgemeinen nicht zu einer Anreicherung bis hin zu toxischen Konzentrationen kommt, liegt an dem Vermögen der Atmosphäre sich durch Oxidationsprozesse selbst zu reinigen. Eine wichtige Aufgabe kommt dabei dem Hydroxylradikal OH zu, welches tagsüber die Oxidationskapazität der Atmosphäre bestimmt. Hierbei spielen die tropischen Regionen mit einer der höchsten OH-Produktionsraten eine zentrale Rolle. Gleichzeitig sind die tropischen Regenwälder eine bedeutende globale Quelle für Kohlenwasserstoffe, die durch Reaktion mit OH-Radikalen dessen Konzentration und damit die Oxidationskapazität der Atmosphäre herabsetzen. Während der GABRIEL-Meßkampagne 2005 im äquatorialen Südamerika wurde der Einfluß der Regenwaldemissionen auf das HOx-Budget (HOx = OH+HO2) untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Radikalmeßinstrument HORUS entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Komponenten des Gerätes optimiert, der Meßaufbau ins Flugzeug integriert und Methoden zur Kalibrierung entwickelt. Bei der internationalen Vergleichskampagne HOxComp2005 zeigte HORUS seine Eignung zur Messung von troposphärischen OH- und HO2-Radikalen.rnrnDie durchgeführten HOx-Messungen während der GABRIEL-Meßkampagne sind die ersten ihrer Art, die über einem tropischen Regenwald stattgefunden haben. Im Gegensatz zu den Vorhersagen globaler Modelle wurden unerwartet hohe OH- und HO2-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht des tropischen Regenwalds beobachtet. Der Vergleich der berechneten OH-Produktions- und Verlustraten, die aus dem umfangreichen Datensatz von GABRIEL ermittelt wurden, zeigte, daß hierbei eine wichtige OH-Quelle unberücksichtigt blieb. Mit Hilfe des Boxmodells MECCA, in welchem die gemessenen Daten als Randbedingungen in die Simulationen eingingen, wurden die modellierten OH- und HO2- Konzentrationen im Gleichgewichtszustand den beobachteten Konzentrationen gegenübergestellt. Luftmassen der freien Troposphäre und der maritimen Grenzschicht zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Modell. Über dem tropischen Regenwald jedoch wurden die beobachteten HOx-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht durch das Modell, vor allem am Nachmittag, signifikant unterschätzt. Dabei lag die Diskrepanz zwischen den beobachteten und simulierten Konzentrationen bei einem mittleren Wert von OHobs/OHmod = 12.2 ± 3.5 und HO2obs/HO2mod = 4.1 ± 1.4. Die Abweichung zwischen Messung und Modell korrelieren hierbei mit der Isoprenkonzentration. Während für niedrige Isoprenmischungsverhältnisse, wie sie über dem Ozean oder in Höhen > 3 km vorherrschten, die Beobachtungen mit den Simulationen innerhalb eines Faktors 1.6±0.7 übereinstimmten, nahm die Unterschätzung durch das Modell für steigende Isoprenmischungsverhältnisse > 200 pptV über dem tropischen Regenwald zu.rnrnDer kondensierte chemische Mechanismus von MECCA wurde mit der ausführlichen Isoprenchemie des ”Master Chemical Mechanism“ überprüft, welches vergleichbare HOx-Konzentrationen lieferte. OH-Simulationen, durchgeführt mit der gemessenen HO2-Konzentration als zusätzliche Randbedingung, zeigten, daß die Konversion zwischen HO2 und OH innerhalb des Modells nicht ausreichend ist. Durch Vernachlässigung der gesamten Isoprenchemie konnte dagegen eine Übereinstimmung zwischen Modell und Messung erreicht werden. Eine OH-Quelle in der gleichen Größenordnung wie die OH-Senke durch Isopren, ist somit zur Beschreibung der beobachteten OH-Konzentration notwendig. Reaktionsmechanismen, die innerhalb der Isoprenchemie die gleiche Anzahl an OH-Radikalen erzeugen wie sie verbrauchen, könnten eine mögliche Ursache sein. Unterschiedliche zusätzliche Reaktionen wurden in die Isoprenabbaumechanismen des Modells implementiert, die zur Erhöhung der OH-Quellstärke führen sollten. Diese bewirkten eine Zunahme der simulierten HO2-Konzentrationen um einen maximalen Faktor von 5 für OH und 2 für HO2. Es wird eine OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit r von bis zu 94% gefordert, wie sie für die GABRIEL-Messungen erreicht wurde. Die geringe OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit von 38% des Modells zeigte, daß wichtige Zyklierungsvorgänge im chemischen Mechanismus bislang nicht berücksichtigt werden. Zusätzliche Zyklierungsreaktionen innerhalb des Isoprenmechanismus, die auch unter niedrigen NO-Konzentrationen zur Rückbildung von OHRadikalen führen, könnten eine Erklärung für die über dem Regenwald beobachteten hohen OH-Konzentration liefern.rn

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

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