Authors:	Hottmann, Bettina
Title:	Photochemie und Verteilung von Hydroperoxiden im Bereich der Arabischen Halbinsel : Messungen während OMO und AQABA
Online publication date:	3-Dec-2019
Year of first publication:	2019
Language:	german
Abstract:	Zusammenfassung Diese Arbeit behandelt Messungen und Analysen von Hydroperoxiden (ROOH) aus zwei Forschungsexpeditionen namens OMO und AQABA. Während OMO wurden Spurengase an Bord des HALO (High Altitude LOng range) Forschungsflugzeugs im Sommer 2015 gemessen um die Auswirkungen des Asiatischen Monsuns und dessen Einfluss auf die Asiatische Monsun Antizyklone (AMA) in der oberen Troposphäre (UT) über der Arabischen Halbinsel und dem Mittelmeer (MM) zu untersuchen. Bei dieser Studie liegt der Fokus auf Wasserstoffperoxid (H2O2) und organischen Hydroperoxiden (OrgHP), sowie deren Vorläufer und Verlustprozesse. Die gemessenen Daten wurden mit Berechnungen über das photostationäre Gleichgewicht (PSS) für H2O2, Methylhydroperoxid (MHP) und sich daraus ergebenden unbekannten Hydroperoxiden (UHP), sowie dem globalen Zirkulations-modell EMAC verglichen. Dabei sind erhöhte Mischungsverhältnisse für H2O2, MHP und UHP in der AMA im Vergleich zum nordhemisphärischen Hintergrund zu beobachten. Die höchsten Mischungsverhältnisse für H2O2 und MHP werden im südhemisphärischen Hintergrund erhalten, während für UHP maximale Werte in der AMA vorzufinden sind. Insgesamt liegen die gemessenen Mischungs-verhältnisse höher als in EMAC und den PSS-Berechnungen. Besonders in der AMA unterschätzt EMAC H2O2 und MHP. Ein Gradient entlang des Längengrads weist auf ein Reservoir von Hydroperoxiden in Richtung des AMA-Zentrums hin, welches vermutlich durch konvektive Zufuhr über Indien entsteht. Das lässt auf einen hohen Beitrag von atmosphärischem Transport zu dem lokalen ROOH Budget entlang der Flugroute schließen, welcher die große Abweichung zum lokalen PSS Modell erklärt. Die Diskrepanz zwischen Messung und EMAC kann mit Hilfe einer Sensitivitätsstudie auf Unsicherheiten der einzelnen ROOH Auswasch-effizienzen während der Konvektion zurückgeführt werden. Vermutlich handelt es sich bei UHP damit um MHP, welches aus der Grenzschicht über Südostasien in die UT gelangt und mit der AMA in Richtung Westen transportiert wird. AQABA fand im Sommer 2017 auf dem Schiff Kommandor Iona während einer Fahrt von Frankreich um die Arabische Halbinsel herum bis nach Kuwait und zurück statt. Dabei wurde der Einfluss von Luftverschmutzung auf die menschliche Gesundheit, das Klima und die natürliche Umgebung erforscht. Die befahrenen Regionen reichen von sauberer maritimer Luft über der Arabischen See (AS) über unbeeinflusste aber staubige Luft mit afrikanischer Herkunft über dem Roten Meer (RM) und leicht beeinflussten Luftmassen über dem MM im Abwind großer Städte bis hin zu stark durch Schiffsabgase und Ölförderung beeinflussten Luftmassen im Persischen Golf. Erhöhte ROOH Mischungsverhältnisse und leichte Tagesgänge treten immer dann auf, wenn der Einfluss aus der planetaren Grenzschicht (PBL) erhöht ist, während in unbeeinflussten Luftmassen besonders OrgHP konstant niedrige Werte aufweist. Berechnungen der nächtlichen Depositionsrate kdep sowie der Produktionsrate von H2O2 liegen im Bereich früherer Studien, während besonders bei Sonnenhöchststand im MM deutlich erhöhte kdep vorliegen. Thermisch induzierte Turbulenz und damit erhöhter Transport zur Oberfläche verbunden mit steigender Deposition am Tag kann den schwachen Tagesgang erklären, obwohl keine direkte (Anti-)Korrelation mit Staubpartikeln besteht. Der Vergleich mit EMAC zeigt trotz einer leichten Überschätzung in der AS gute qualitative und quantitative Übereinstimmung für OrgHP. Im Gegensatz dazu wird H2O2 mit einer signifikant höheren Löslichkeit durch unterschätzte Verluste in Form von Deposition am Tag deutlich überschätzt. Darüber hinaus zeigt der Abgleich der Grenzschichthöhe mit ERA5 Daten einen deutlich zu großen Beitrag der PBL in EMAC, welcher besonders in den Morgenstunden einen starken Anstieg durch eingetragenes H2O2 aus der freien Troposphäre zur Folge hat. Abstract This thesis deals with the observations and analyses of two research expeditions called OMO and AQABA. During OMO, trace gas measurements were performed onboard the HALO (High Altitude LOng range) research aircraft in summer 2015 in order to investigate the outflow of the South Asian summer monsoon and its influence on the composition of the Asian Monsoon Anticyclone (AMA) in the upper troposphere (UT) over the eastern Mediterranean and the Arabian Peninsula. This study focuses on in-situ observations of hydrogen peroxide (H2O2) and organic hydroperoxides (OrgHP) and their precursors and loss processes. Observations are compared to steady-state calculations of H2O2, methyl hydroperoxide (MHP) and inferred unidentified hydroperoxide (UHP) mixing ratios as well as to simulations with the general circulation ECHAM/MESSy for Atmospheric Chemistry (EMAC) model. Enhanced mixing ratios of H2O2, MHP and UHP were observed in the AMA relative to the northern hemispheric background. The highest mixing ratios for H2O2 and MHP were found in the southern hemisphere outside the AMA, while for UHP, the highest concentrations were encountered within the AMA. In general, the observed concentrations are higher than steady-state calculations and EMAC simulations. Especially in the AMA, EMAC underestimates H2O2 and OrgHP. Longitudinal gradients indicate a pool of hydroperoxides towards the center of the AMA, which is most likely associated with upwind convection over India. This indicates main contributions of atmospheric transport to the local budgets of hydroperoxides along the flight track, explaining strong deviations to the steady-state calculation, which only accounts for local photochemistry. Deviations to EMAC simulations are most likely due to uncertainties in the scavenging efficiencies for individual hydroperoxides in deep convective transport to the UT, corroborated by a sensitivity study. It seems that the observed excess UHP is excess MHP transported to the west from an upper tropospheric source related to convection in the summer monsoon over South-East Asia. AQABA took place onboard the vessel Kommandor Iona. Measurements were performed during the shipping from France around the Arabian Peninsula to Kuwait and back. Thereby the influence of pollution on human health, the climate and the natural environment were investigated. During the trip air masses from clean marine conditions above the Arabian Sea (AS) over clean but dusty air masses originating over Africa and moderate polluted air downwind of megacities to polluted regions with ship exhaust and petrochemical industry in the Persian Gulf were encountered. Enhanced mixing ratios and slight diel variations for H2O2 and OrgHP occurred in areas with larger influence of the planetary boundary layer (PBL) while for clean conditions especially OrgHP mixing ratios were constantly low. Calculations of the production and nighttime deposition rates kdep for H2O2 are in the range of previous studies while especially at noon in the Mediterranean significantly higher values for kdep were observed. Thermally induced turbulences and thus increased transport to the surface together with higher daytime deposition rates explain the weak diel variations although no (anti)correlation with dust particles was found. The comparison to EMAC shows good qualitative and quantitative agreement for OrgHP even though there is a slight overestimation in the AS. In contrast, for the highly soluble H2O2 there is a large overestimation due to underestimated kdep during daytime. Additionally, the comparison to the ERA5 boundary layer height shows a substantial influence of the PBL in EMAC which causes a large contribution of H2O2 from the free troposphere and thus a steep increase of mixing ratios in the morning.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	Externe Einrichtungen FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2385
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000031944
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VII, 158 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen