Authors:	Roland, Rohloff
Title:	Konvektiver Einfluss auf das OH-Oxidationspotential der oberen tropischen Troposphäre
Online publication date:	12-Apr-2022
Year of first publication:	2022
Language:	german
Abstract:	In order to investigate the effects of convection on the OH-oxidation potential and trace gas composition in the Upper Troposphere (UT), the 'Chemistry of the Atmosphere Field Experiment–Africa' (CAFE–Africa) was conducted in August 2018. The intense solar radiation in the tropics leads to the formation of a pronounced low-pressure region, the intertropical convergence zone (ITCZ). The southeasterly trade wind transports air influenced by biomass burning from southern African into the ITCZ, where they mix with emissions of volatile organic compounds (VOC), and through strong convection they get uplifted into the UT. During such transport, electrification can occur leading to formation of large amounts of NOX and HOX, which ultimately leads to intensified oxidation of boundary layer air masses during transport and with the UT itself. The High Altitude and Long Range (HALO) aircraft was used to investigate the effects of convection on OH mixing ratio (MXR) and the OH oxidation potential. The CAFE-Africa measurement data show that the effects of convection on OH-MXR and OH oxidation potential are more pronounced over continental areas when compared to maritime areas. The measured OH-MXR increases from 0.24(±0.09) pptv in the boundary layer to 1.07(±0.42) pptv in the continental outflow range at altitudes of 13.0-13.5 km. In the averaged maritime data set, there is not a pronounced altitude band, in which convective effects are observed, but a general increase between 12–15 km in OH-MXR of 0.52(±0.26) pptv. OHbudgets were also calculated for the air masses in the UT. We found that the OH-Production Rate (PR) in the continental influence is 12.27(±3.6)·105 molec cm-3s-1, which exceeds the maritime OH-PR by a factor of three. In both air mass types, the largest source of OH is the secondary formation via the HO2+NO channel. For an in-depth investigation of convective effects, OH-reactivity within the UT was parameterized. OH removes VOCs faster than CO, so the CO/VOC ratio should be higher within the fresh convected air masses. Conversely, aged air masses, should be dominated by CO-reactivity. The air masses were separated into fresh-convective and aged air masses, based on the larger reactivity. Convective air masses show in average an increase in OH-PR of 40-50%, which results from an increase in OH production via HO2+NO. In the continental airmass, this is caused by an increase in the NO-MXR. For maritime convective air in the UT however, NO does not increase. In this case there is an increase in HO2 transported to the UT with an origin in the marine boundary layer. Additionally there is an increase in H2O2 during marine convection that further increases OH-PR. Finally, the OH-recycling probability was calculated for the UT data. The OH-recycling probability can be interpreted as a measure of the stability of the prevailing oxidation potential. Low primary and high secondary OH-PR lead to a trend that deviates from that described in the literature. Under normal conditions H2O2 is considered as a secondary OH source. However, investigation of the recycling probability showed, that in order to analyze the OH-recycling probability in the UT, parts of H2O2 must be considered as a primary OHsource if it is transported into the UT by convection and its origin lies in another chemical system. In der tropischen Region führt die intensive Sonneneinstrahlung zur Bildung eines ausgeprägten Tiefdruckgebietes, der sogenannten innertropischen Konvergenzzone (ITCZ). Durch den Südostpassat werden durch Biomassenverbrennung beeinflusste Luftmassen aus dem Süden Afrikas zur ITCZ transportiert. An der ITCZ vermischen sich diese mit Emissionen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC). Durch Konvektion wird dieses Gemisch in die obere Troposphäre (OT) transportiert. Kommt es beim Transport zur elektrischen Entladung, wird NOX und HOX produziert, das mit den übrigen Spurengasen die OT erreicht. Um die Auswirkungen von Konvektion auf das OH-Oxidationspotential und die Spurengaszusammensetzung in der OT zu untersuchen, wurde das ‚Chemistry of the Atmosphere Field Experiment–Africa‘ (CAFE–Africa) im August 2018 durchgeführt. Mithilfe des ‚High Altitude and Long Range‘ (HALO) Flugzeug wurden die konvektiven Effekte auf OH-Oxidationspotential und das OH-Mischungsverhältnis (MXR) gemessen. Die CAFE-Africa Messdaten zeigen, dass die konvektiv bedingten Effekte auf OH über kontinentalen Arealen stärker ausgeprägt sind als im Maritimen. So erhöhen sich die Messwerte von 0.24(±0.09) pptv in der Grenzschicht auf 1.07(±0.42) pptv im kontinentalen Ausflussbereich (=13.0-13.5 km). Im gemittelten maritimen Datensatz kann hingegen kein ausgeprägter Höhenbereich bestimmt werden, in dem konvektive Effekte beobachtet werden. Hier kommt es zwischen 12–15 km zu einer generellen Erhöhung der OH-MXR um Faktor zwei auf 0.52(±0.26) pptv. Die im kontinentalen Einfluss berechnete OHProduktionsrate (PR) in der OT übersteigt mit 12.27(±3.6)·105 molec cm-3s-1 die in maritimer OT ermittelte OH-PR um Faktor drei. In beiden Luftmassen liegt die größte OH-Quelle in der Bildung sekundärer Radikale durch HO2+NO. Zur vertiefenden Untersuchung konvektiver Effekte wurde zusätzlich die OH-Reaktivität der OT betrachtet. OH baut VOCs schneller als CO ab, daher ist es zu erwarten, dass der Anteil in frischen, durch Konvektion eingebrachten Luftmassen, höher liegt als in gealterten Luftmassen, in denen die CO-Reaktivität dominiert. Anhand dieses Kriteriums wurden die Luftmassen in konvektive und gealterte Luftmassen eingeteilt. Konvektive Luftmassen zeigen durchschnittlich eine Erhöhung der OH-PR von 40-50%. Diese Erhöhung basiert auf der Steigerung der OH-PR von HO2+NO. Im Kontinentalen wird diese durch Erhöhung der NO-MXR verursacht. Im Maritimen hingegen kommt es bei Konvektion zur Einbringung NO-armer Grenzschichtluft in die OT, die reich an HO2 und H2O2 ist. Wodurch sich auch die OH-PR durch H2O2-Photolyse erhöht. Basierend auf den Messdaten aus der durch Konvektion geprägten OT wurde abschließend die Rezyklierungswahrscheinlichkeit (RZWK) untersucht, die ein Maß für die Stabilität des aktuellen Oxidationspotentials ist. Die ermittelte auffällig erhöhte RZWK beruht auf einer geringen Primär- und gleichzeitig hohen Sekundärproduktion und weicht von bekannten Literaturwerten ab. Analyse der Abweichungen zeigt, dass zur Interpretation der RZWK in der OT ein Anteil von H2O2, das unter normalen Bedingungen sekundäre OH-Quelle ist, als primäre OH-Quelle betrachtet werden muss, wenn dieses durch konvektiven Transport in die OT gelangt.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 540 Chemie 540 Chemistry and allied 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-6844
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-298a830e-b8d4-440c-84ab-4f06033c5c198
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	156 Seiten, Karten, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen