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Authors: Stickler, Alexander
Title: HCHO, H 2 O 2 und CH 3 OOH in der Troposphäre
Online publication date: 7-Aug-2006
Language: german
Abstract: In dieser Arbeit wurden im Rahmen der UTOPIHAN- und HOHPEX04-Projekte Peroxid- und Formaldehydmessungen in der Troposphäre durchgeführt und wissenschaftlich interpretiert. Die Messungen während UTOPIHAN fanden dabei an Bord eines für Forschungszwecke umgerüsteten Flugzeuges (Learjet 35A) im Wesentlichen in der freien, insbesondere in der oberen Troposphäre über Europa statt. Die Messungen während HOHPEX04 waren hingegen als Bodenmessungen an der sich abwechselnd in der bodennahen Grenzschicht und in von dieser Schicht entkoppelten Luftmassen liegenden Bergstation Hohenpeißenberg (bayerisches Voralpenland) konzipiert. Um eine quantitative Auswertbarkeit der Messungen sicherzustellen, wurden die verwendeten, auf chemischer Derivatisierung und fluorimetrischer Detektion basierenden Messgeräte AL 2001CA (Peroxide) und AL 4021 (Formaldehyd) (AEROLASER) genau charakterisiert. Dabei wurde speziell die bekannte Ozoninterferenz beider Geräte in einer großen Zahl von Laborexperimenten mit unterschiedlichen Randbedingungen bezüglich Wasserdampf- und Kohlenwasserstoffgehalt der Luft untersucht. Für beide Verbindungen wurden Höhen- sowie Breitenprofile erstellt und mit Ergebnissen eines 3D-Chemie-Transport-Modells (CTM) sowie früherer Studien verglichen. In einem weiteren Kapitel werden Ergebnisse einer quantitativen Studie zum Einfluss hochreichender Konvektion auf das HCHO-Budget in der mittleren und oberen Troposphäre präsentiert. Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass der rasche Aufwärtstransport von Vorläufergasen von HCHO und HOx wie Methanol, Aceton und sogar gut löslicher Spurengase wie CH3OOH beziehungsweise H2O2 aus der Grenzschicht einen signifikanten, auf Grund der längeren Lebensdauer von NOx über mehrere Tage andauernden und damit großräumigen Einfluss auf die Budgets von HCHO, HOx und auch O3 in der oberen Troposphäre haben kann. Die Befunde der Studie legen desweiteren nahe, dass fehlerhafte Modellvorhersagen für die NO-Mischungsverhältnisse in der Tropopausenregion, die zum Beispiel mit Mängeln des Modells bezüglich der Höhe der Konvektion und des Stratosphären-Troposphären-Austauschs zu tun haben, hauptverantwortlich sind für gefundene Differenzen zwischen Messdaten und dem verwendeten 3D-Chemie-Transport-Modell. Um die Signifikanz der Aussagen zu erhöhen, wurde eine Sensitivitätsstudie durchgeführt, in der die Konzentration einiger chemischer Verbindungen sowie die Photolyseraten variiert wurden. Eine weitere Studie zum Einfluss verschiedener Parameter auf das CH3OOH/H2O2-Verhältnis kommt zu dem Schluss, dass dieses Verhältnis keinen idealen Indikator für Wolkenprozessierung von Luftmassen darstellt, während eine signifikant positive Abweichung vom H2O2/H2O-Verhältnis in der oberen Troposphäre ein guter Indikator für rasch aufwärts transportierte Luftmassen sein kann. Im Rahmen dieser Studie werden auch Höhen- und Breitenprofile des CH3OOH/H2O2-Verhältnisses diskutiert. In einer letzten Untersuchung zu HCHO-Messungen am Observatorium Hohenpeißenberg im Sommer 2004 werden für die in zwei Windrichtungssektoren eingeteilten Daten Korrelationen anderer Spurengase wie O3, PAN, CO, NOy und Isopren mit HCHO interpretiert. In diesem Zusammenhang wird auch versucht, den beobachteten Tagesgang von HCHO zu erklären.
Within the framework of this dissertation measurements of peroxides and formaldehyde in the troposphere were performed during the UTOPIHAN and HOHPEX04 projects and scientifically analysed afterwards. The measurements during UTOPIHAN took place on board an aircraft (Learjet 35A) modified for scientific purposes mainly in the free, and particularly in the upper troposphere over Europe. The measurements during HOHPEX04 on the other hand were taken as ground measurements at the mountain observatory Hohenpeißenberg (Bavarian alpine upland), alternately located in the ground level boundary layer and in air masses decoupled from this layer. To ensure a proper quantitative analysis of the measurements both instruments based on chemical derivatisation and fluorometric detection (AL 2001CA (peroxides) and AL 4021 (HCHO), AEROLASER) were characterised accurately. In particular, a known ozone interference of both instruments was examined in a large suite of laboratory experiments with different boundary conditions concerning the water vapour and hydrocarbon content of the air. For both compounds altitudinal and latitudinal profiles were derived and compared to results of a 3-D Chemistry-Transport-Model (CTM) as well as to results of previous studies. In a further chapter results of a quantitative study about the influence of deep convection on the HCHO budget in the middle and upper troposphere are presented. This study arrives at the conclusion that the fast upward transport of precursors of HCHO and HOx like methanol, acetone and even highly soluble gases as CH3OOH and H2O2 from the boundary layer to the tropopause region can have a significant and, due to the greater lifetime of NOx, persistent large-scale impact on the budgets of HCHO, HOx and O3 in the upper troposphere. The findings of the study also suggest that inaccurate model predictions of the NO mixing ratio in the tropopause region, caused for example by deficiencies of the model with regard to the height of convection and the stratosphere-troposphere exchange, are mainly responsible for differences found between measurement data and global 3-D model results. To increase the significance of the conclusions a sensitivity study was performed in which the concentration of some chemical compounds and the photolysis rates were varied. A further study on the influence of different parameters on the CH3OOH/H2O2 ratio shows that the latter is not an ideal measure for recent cloud processing of air masses, whereas a positive deviation of the H2O2/H2O ratio in the upper troposphere can be a good indicator for fast upward transport from the boundary layer. Within the framework of this investigation, altitudinal and latitudinal profiles of the CH3OOH/H2O2 ratio are also discussed. In a last survey on HCHO measurements at the Hohenpeißenberg Observatory in summer 2004, correlations of HCHO with other trace gases like O3, PAN, CO, NOy und isoprene, derived for the data divided into two wind direction sectors, are interpreted. In this context the present work also tries to find an explanation for the observed diurnal cycle of HCHO.
DDC: 550 Geowissenschaften
550 Earth sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4134
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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