Isoprene oxidation and its impacts on the atmospheric composition

Abstract

Terrestrische Vegetation, vor allem tropischer Regenwald, emittiert grosse Mengen flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) in die rnAtmosphäre, die durch Oxidationsreaktionen und Deposition der Reaktionsprodukte wieder entfernt werden. Die Oxidation wird vor allem durch Hydroxyl-Radikale (OH) initiiert, die hauptsächlich durch Photodissoziation von Ozon gebildet werden. Zuvor ging man davon aus, dass biogene VOCs OH in unverschmutzter Luft abbauen und dadurch die atmosphärische Oxidationskapazität verringern. Umgekehrt, führt rndie Oxidation von VOCs in verschmutzter Luft durch die katalytische Wirkung von Stickstoffoxiden (NOx = NO + NO2) zu schädlicher Oxidationsmittelbildung. Flugzeugmessungen atmosphärischer Spurengase, die über dem unberührten Amazonas-Regenwald durchgeführt worden sind, haben jedoch unerwartet hohe OH-Konzentrationen aufgezeigt. Das VOC mit der höchsten Emission in dieser Region war Isopren, dessen Oxidation als stärkeste OH-Senke berechnet wurde. In dieser Arbeit wurde die Hypothese genauestens untersucht, dass die natürliche Isopren-Oxidation in niedrig-NOx Luft OH effizient erneuert. Es wurde ein sehr detaillierter Oxidationsmechanismus für Isopren entwickelt, in dem neueste experimentelle und theoretische Fortschritte umgesetzt worden sind. Die Haupt-OH-Rückgewinnungswege wurden angewendet wodurch gezeigt wurde, dass sie wesentlich zur Oxidation unter niedrig-NOx Bedingungen beitragen. Verstärkte OH-Konzentrationen blieben unter verminderten Lichtverhältnissen, wie sie unter dichten Vegetationsdächern typisch sind, dauerhaft erhalten. Im Vergleich zu Flugzeugmessungen, der neue Oxidationsmechanismus reproduziert die OH-Konzentrationen innerhalb des Unsicherheitsbereiches. Darüber hinaus zeigten Simulationen eine erhebliche Produktion eines Isopren-Dihydroxyepoxids, das ein potenziell wichtiger Vorläufer organischer Aerosole in der Atmosphäre sein könnte. Es wurde einen neuen vereinfachten Oxidationsmechanismus auf Basis des traditionellen Wissenstands entwickelt und seine Anwendung für globale atmosphärische Studien getestet. Die Eingliederung der neuen Oxidationswege in diesen Mechanismus ermöglicht es folgende Auswirkungen der verstärkten VOC-Oxidation zu studieren die Zusammensetzung der Atmosphäre, den Austausch zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre, Aerosole und Klima.

Terrestrial vegetation, especially tropical rain forest, releasesrnvast quantities of volatile organic compounds (VOCs) to the atmosphere, which are removed by oxidation reactions and deposition of reaction products. The oxidation is mainly initiated by hydroxyl radicals (OH), primarily formed through the photodissociation of ozone. Previously it was thought that, in unpolluted air, biogenic VOCs deplete OH and reduce the atmospheric oxidation capacity. Conversely, in polluted air VOC oxidation leads to noxious oxidant build-up by the catalytic action of nitrogen oxides (NOx = NO + NO2). However, aircraft measurements of atmospheric trace gases performed over the pristine Amazon forest revealed unexpectedly high OH concentrations. Isoprene was the dominant VOC emitted in that region and its oxidation computed to be the largest OH sink. In this work the hypothesis that natural isoprene oxidation efficiently recycles OH in low-NOx air has been investigated in great detail. A highly explicit oxidation mechanism for isoprene has been developed including recent experimental and theoretical advancements. Major OH-recycling routes have been implemented and shown to substantially enhance oxidation under low-NOx conditions. Enhanced OH concentrations persisted under reduced light conditions typical of vegetation canopies. When compared to aircraft measurements the new oxidation mechanism shows to reproduce the OH concentrations within the uncertainty range. Furthermore, simulations showed substantial production of a dihydroxyepoxide from isoprene that may be a potentially important precursor of organic aerosols in the atmosphere. A new reduced oxidation mechanism based on traditional knowledge has been developed and tested for global atmospheric studies. The inclusion in this mechanism of the new oxidation routes will allow to study the impacts of enhanced VOC oxidation on atmospheric composition, surface-atmosphere exchanges, aerosols and climate.