Authors:	Steinkamp, Jörg
Title:	Global simulated soil biogenic nitric oxide (NO) emissions: Impact, improvement and innovation
Online publication date:	23-Aug-2011
Year of first publication:	2011
Language:	english
Abstract:	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 , leading to a counterintuitive increase in the NOx mixing ratio there.rnWith a compilation of previous and recent measurements from the literature I improve the algorithm to calculate SNOx without changing the underlying mathematical principles. This leads to increased emissions, which are in better agreement with satellite derived emissions. To support future development in the field, I identify regions without measurements.rnThe most commonly applied algorithm to calculate SNOx uses a classification of twelve ecosystem, four that do not include any emissions and two are treated separately. The remaining six are categorized in either a wet or a dry soil moisture state and emissions are calculated as a function of soil temperature. However, global models have become more complex since the development of the previous algorithm, and therefore I can make use a continuous function of the soil moisture and soil temperature to calculate SNOx. I apply additional physical parameters, taken from a world soil database, and chemical parameters, taken from a biosphere model, to derive a new method for simulating SNOx. The results vary between 22 Tg(N) yr−1 and 31 Tg(N) yr−1 , which are above previous estimates (5.5 – 21 Tg(N) yr−1 ). However, the spatial pattern in general agrees well with previous estimates, indicating the promise of this future direction for SNOx. Stickoxid (NO = NO + NO) spielt eine wichtige Rolle bei vielen chemischen Prozessen in der Atmosphäre. Es ist vor allem sehr wichtig für die Produktion und Zerstörung von Ozon (O). In mehreren Reaktionsschritten katalysiert NO die Oxidation von Methan und anderen leicht flüchtigen organischen Verbindungen. Bei diesen Reaktionen ist auch das Hydroxyl-Radikal (OH) beteiligt, welches aufgrund seiner hohen Oxidationswirkung auch als Waschmittel der Atmosphäre bezeichnet wird. NO wird von verschiedenen Quellen emittiert: Verbrennung fossiler Brennstoffe, Biomasseverbrennung, Blitze und aus dem Boden (ab hier SNOx), wobei die Verbrennung fossiler Brennstoffe den größten Anteil hat und die übrigen, je nach Studie, miteinander vergleichbar sind. Fossile Verbrennung ist in dichtbesiedelten Regionen dominant, in entlegenen Regionen sind je nach Lage und Jahreszeit Biomassebrände oder SNOx die dominierende Quelle für NO.rnMit Hilfe eines globalen Atmosphärenchemie-Klimamodels zeige ich, daß SNOx für einen wesentlichen Anteil des atmosphärichen NO verantwortlich ist. Des Weiteren führen die erhöhten Konzentration von O und OH in der Atmosphäre durch SNOx zu einer 10%-igen Erhöhung der Oxidationseffektivität der Atmosphäre. Interessanterweise wird die Lebensdauer von NO , durch niedrigere O und OH Konzentrationen in einer Sensitivitätsstudie ohne SNOx verlängert. Dies führt zu einer, nicht unmittelbar zu vermutenden, Erhöhung der NO Konzentrationen in Regionen mit anderen dominierenden Quellen von NO als SNOx.rnMit einer Sammlung publizierter Messungen aus der Literatur verbessere ich den Algorithmus zur Berechnung von SNOx, ohne die zu Grunde liegenden mathematischen Prinzipien zu verändern. Dies führt, im Einklang mit satellitengestützten Studien, zu erhöhten SNOx. Zur Unterstützung von Messkampagnen zeige ich Regionen auf, in denen bisher noch keine Messungen durchgeführt wurden.rnDer am meisten genutzte Algorithmus um SNOx zu berechnen unterscheidet zwölf Ökosysteme, vier weisen keine SNOx auf und zwei werden separat behandelt. Die übrigen sechs werden im zeitlichen Verlauf nach feuchten oder trockenen Bedingungen unterschieden und SNOx als Funktion der Temperatur berechnet. Über die Jahre sind globale Klimamodelle komplexer geworden und daher kann ich nun SNOx anhand einer kontinuierlichen Funktion mit der Bodenfeuchte und Bodentemperatur berechnen. Zusätzlich verwende ich sowohl chemische Bodenparameter aus einem Biosphärenmodel, als auch physikalische Parameter aus einem weltweiten Datensatz einer Bodenkarte. Mit der neuen Methode berechnen sich Werte von SNOx zwischen 22 und 31 TgJahr, die über bisherigen Abschätzungen von 5.5-21 TgJahr liegen. Eine hohe Übereinstimmung in der relativen geographischen Verteilung sieht für zukünftige Anwendungen sehr vielversprechend aus.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3164
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-28549
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	163 S.
ISBN:	978-3-939262-09-1
Appears in collections:	JGU-Publikationen