Feldstudien
Photochemische Ozonbildung in Reinluftgebieten
Atmosphärisches Ozon ist ein wichtiges Oxidationsmittel und ein Treibhausgas. In-situ Messungen von O3, NO, OH, HO2 und aktinischer Strahlung werden zur Berechnung von Ozonbildungstendenzen (Differenz zwischen photochemischer Bildung und photochemischem Abbau von Ozon) herangezogen. Die experimentell bestimmten Werte werden mit Simulationen von globalen Chemie-Transport-Modellen verglichen, um unser Verständnis der Ozonchemie zu testen. Die Ergebnisse belegen eine Tendenz zur Ozonbildung in der kontinentalen Grenzschicht und der oberen Troposphäre, während die maritime Grenzschicht und die mittlere Troposphäre durch eine Tendenz zur Ozonzerstörung gekennzeichnet sind.
Darüber hinaus können Messungen der oben genannten Spurengase zur Ermittlung des photostationären Gleichgewichts zwischen NO und NO2 benutzt werden. Dabei deuten Abweichungen von Gleichgewichtszustand bei kleinen Konzentrationen von Stickoxiden auf die Existenz eines bisher nicht identifizierten Oxidanten in der marinen Grenzschicht hin.
Bozem, H., Butler, T. M., Lawrence, M. G., Harder, H., Martinez, M., Kubistin, D., Lelieveld, J., and Fischer, H.: Chemical processes related to net ozone tendencies in the free troposphere, Atmos. Chem. Phys., 17, 10565–10582, https://doi.org/10.5194/acp-17-10565-2017, 2017a.
Hosaynali Beygi, Z., Fischer, H., Harder, H. D., Martinez, M., Sander, R., Williams, J., Brookes, D. M., Monks, P. S., and Lelieveld, J.: Oxidation photochemistry in the Southern Atlantic boundary layer: unexpected deviations of photochemical steady state, Atmos. Chem. Phys., 11, 8497-8513, https://doi.org/10.5194/acp-11-8497-2011, 2011.
Die Rolle von Formaldehyd und Wasserstoffperoxid für die Selbstreinigungskraft der Troposphäre
Sowohl HCHO, als auch H2O2 beeinflussen die Oxidationskraft der Troposphäre. Dies liegt an Ihrer doppelten Rolle als Radikalquellen (HOx Produktion aus der Photolyse von H2O2 und HCHO) und als auch als Senke für diese Radikale (Auswaschung durch Regen und Deposition auf Oberflächen). Daher eignen sich Messungen dieser Spurengase hervorragend zur Untersuchung des Wechselspiels zwischen chemischen, dynamischen und physikalischen Prozessen in der Atmosphäre und zur Evaluation atmosphärischer Modelle. In der freien Troposphäre oberhalb der planetaren Grenzschicht beeinflussen neben Chemie und Transport vor allem Prozesse in Wolken die Verteilung von HCHO und H2O2. Überraschenderweise belegen Studien im Ausfluss von Gewitterwolken, dass selbst diese gut löslichen Spurengase den Transport in Wolken von der Erdoberfläche in die obere Troposphäre bewältigen. Schiffsgestützte Messungen von H2O2 und HCHO in der marinen Grenzschicht eignen sich vor allem zur Untersuchung von Depositionsprozessen. Besonders komplex ist das Budget dieser beiden Spurengase in der kontinentalen Grenzschicht. Neben zusätzlichen Quellen der beiden Gase aus anthropogen und biogen emittierten Spurengase, ist es vor allem die Variation der Grenzschichthöhe, die einen signifikanten Einfluss auf die Verteilung von HCHO und H2O2 hat. Dieses komplexe Wechselspiel zwischen photochemischen Prozessen, physikalischer Deposition an Oberflächen und vertikalem Transport in einer dynamischen Grenzschicht stellt eine große Herausforderung für eine erfolgreiche Simulation mit dreidimensionalen Modellen dar.
Bozem, H., Pozzer, A., Harder, H., Martinez, M., Williams, J., Lelieveld, J., and Fischer, H.: The influence of deep convection on HCHO and H2O2 in the upper troposphere over Europe, Atmos. Chem. Phys., 17, 11835–11848, https://doi.org/10.5194/acp-17-11835-2017, 2017b.
Fischer, H., Pozzer, A., Schmitt, T., Jöckel, P., Klippel, T., Taraborrelli, D., and Lelieveld, J.: Hydrogen peroxide in the marine boundary layer over the South Atlantic during the OOMPH cruise in March 2007, Atmos. Chem. Phys., 15, 6971–6980, https://doi.org/10.5194/acp-15-6971-2015, 2015.
Fischer, H., Axinte, R., Bozem, H., Crowley, J. N., Ernest, C., Gilge, S., Hafermann, S., Harder, H., Hens, K., Königstedt, R., Kubistin, D., Mallik, C., Martinez, M., Novelli, A., Parchatka, U., Plass-Dülmer, C., Pozzer, A., Regelin, E., Reiffs, A., Schmidt, T., Schuladen, J., and Lelieveld, J.: Diurnal variability, photochemical production and loss processes of hydrogen peroxide in the boundary layer over Europe, Atmos. Chem. Phys. Discuss., https://doi.org/10.5194/acp-2018-1179, 2018.
Klippel, T., Fischer, H., Bozem, H., Lawrence, M. G., Butler, T., Jöckel, P., Tost, H., Martinez, M., Harder, H., Regelin, E., Sander, R., Schiller, C. L., Stickler, A., and Lelieveld, J.: Distribution of hydrogen peroxide and formaldehyde over Central Europe during the HOOVER project, Atmos. Chem. Phys., 11, 4391-4410, https://doi.org/10.5194/acp-11-4391-2011, 2011.
Die Charakterisierung von Luftmassen mit chemischen Markern
Langlebige Spurengase wie CO und CH4 können zur Identifizierung und Charakterisierung von Luftmassenursprüngen herangezogen werden. So sind Methan Emissionen durch Reisfelder besonders stark in Südostasien. Demzufolge eignet sich Methan hervorragend, um den Einfluss des indischen Monsuns auf die obere Troposhäre über dem östlichen Mittelmeer und der arabischen Halbinsel zu untersuchen. Um eine Verbindung zwischen erhöhten Methankonzentrationen und Emissionen aus Reisfeldern in Indien herzustellen, werden Rückwärtstrajektorien und Satellitenbilder hochreichender Wolken miteinander kombiniert. Die Korrelation zwischen CO und O3 eignet sich dagegen sehr gut zur Untersuchung von Austauschprozessen zwischen der Stratosphäre und der Troposphäre, da beide Spurengase starke Gradienten an der Tropopause aufweisen. In der Troposphäre sind die Konzentrationen von CO hoch und die von O3 niedrig, während sich die Verhältnisse in der Stratosphäre umkehren. Die Mischung zwischen diesen beiden Reservoiren führt zur Ausbildung von Mischungslinien in einem CO – O3 Diagramm, die zum Studium der zugrundeliegenden dynamischen Prozesse herangezogen werden können.
Hoor, P., Gurk, C., Brunner, D., Hegglin, M. I., Wernli, H., and Fischer, H.: Seasonality and extent of extratropical TST derived from in-situ CO measurements during SPURT, Atmos. Chem. Phys., 4, 1427-1442, https://doi.org/10.5194/acp-4-1427-2004, 2004.
Tomsche, L., Pozzer, A., Ojha, N., Parchatka, U., Lelieveld, J., and Fischer, H.: Upper tropospheric CH4 and CO affected by the South Asian summer monsoon during the Oxidation Mechanism Observations mission, Atmos. Chem. Phys., 19, 1915–1939, https://doi.org/10.5194/acp-19-1915-2019, 2019.