Ziel diesen Antrags ist die Teilnahme der universitären Partner an den Messungen der Kampagne PGS (POLSTRACC/ GWLCYCLE/ SALSA), die im Winter 2015/2016 durchgeführt werden sollen. An der geplanten HALO Kampagne sind die Universitäten Frankfurt, Mainz, Heidelberg und Wuppertal beteiligt. Die Universität Mainz ist kein voller Partner dieses Antrages, da es kein Projekt der Universität Mainz (AG Prof. Peter Hoor) in der letzten Phase des Schwerpunktprogramms gab. Der finanzielle Teil der geplanten Aktivitäten der Universität Mainz soll daher über die Universität Frankfurt abgewickelt werden. Der wissenschaftliche Beitrag der Universität Mainz ist allerdings in einer ähnlichen Weise dargestellt wie für die anderen universitären Partner. Das Ziel von PGS ist es, Beobachtungen einer großen Zahl verschieden langlebiger Tracer zur Verfügung zu stellen, um chemische und dynamische Fragestellungen in der UTLS zu untersuchen (POLSTRACC und SALSA) und die Bildung und Propagation von Schwerwellen in der Atmosphäre zu untersuchen. (GWLCYCLE). Die Universitäten Frankfurt und Wuppertal schlagen vor hierfür GC Messungen von verschieden langlebigen Spurengasen und von CO2 (Wuppertal) durchzuführen. Die Universität Mainz schlägt den Betrieb eines Laser Spektrometers für schnelle Messungen von N2O, CH4 und CO vor und die Universität Heidelberg plant Messungen reaktiver Chlor und Bromverbindungen mit Hilfe der DOAS Technik. Die wissenschaftlichen Studien, die mit den gewonnen Daten durchgeführt werden sollen, werden im Antrag umrissen. Es sind Studien zu Herkunft und Transport von Luftmassen in der UTLS, zu Transportzeitskalen und zum chemischen Partitionierung. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass diese wissenschaftlichen Arbeiten zwar hier umrissen werden, die Studien selbst aber aufgrund der begrenzten Personalförderung und der kurzen Laufzeit nicht Teil dieses Antrags sind. Ziel dieses Antrags ist es, die Vorbereitung und Integration der Messgeräte zu ermöglichen, die Messungen durchzuführen und die Daten für die Datenbank auszuwerten. Wir beantragen daher hier den universitären Anteil an den Missionskosten (incl. Zertifizierung der Gesamtnutzlast und der Flugkosten), die Personalmittel, Reisekosten und Verbrauchskosten für die Durchführung der Messungen.
In unserem Vorhaben soll der Gehalt von Brom (Bry) und Iod (Iy) in der unteren und mittleren Stratosphäre bestimmt werden. Brom-Verbindungen sind für ca. 30% des Ozonverlusts in der Stratosphäre verantwortlich und damit ist eine regelmäßige Vermessung des stratosphärischen Bry angezeigt. Direkte Messungen in der mittlerenStratosphäre wurden aber seit 2011 nicht mehr durchgeführt. Zudem finden wir bei unseren jüngeren, flugzeuggetragenen Messungen von Bry (an Bord der NASA Global Hawk und des HALO Forschungsflugzeugs) in der tropsichen Tropopausenregion (TTL) und unteren Stratosphäre (UT/LS) etwa 2-3 ppt mehr Bry als aus lang- (Halone), mittel- (CH3Br) und kurzlebigen Bromverbindungen (VSLS) sowie deren Abbauprodukten zu erwarten ist. Die Gründe hierfür sind derzeit unklar. Unser Ziel ist es, die Messzeitreihe von Bry in der unteren und mittleren Stratosphäre wiederaufzunehmen und die entsprechenden Trends zu evaluieren. Insbesondere wollen wir untersuchen, ob die erhöhten Konzentrationen von Bry in der TTL mit Bry in der Stratosphäre kompatibel sind und was die Gründe für mögliche Differenzen sind. In Bezug of Iy weisen unsere früherenBeobachtungen auf Konzentrationen unterhalb der Nachweisgrenze hin, aber auch diese Untersuchungen liegen mehr als eine Dekade zurück. Neuere Arbeiten schlagen vor, dass die Bildung von höheren Iodoxiden zu einer Revision der bisher angenommenen Photochemie von Iod in der Stratosphäre führt, so dass ein erneuertes Interesse anstratosphärischem Iod besteht. Mit begrenztem zusätzlichem Aufwand wollen wir hier auch den Iy Gehalt (oder die entsprechenden Höchstgrenzen) in der Stratosphäre vermessen. Die Messungen sollen von einem Höhenforschungsballon (Steighöhe 30-38 km) aus mittels etablierter spektroskopischer Methoden in Sonnen-Okkultationsgeometrie durchgeführt werden. Es sind zwei Messflüge für Sommer 2021 von Kiruna, Schweden, und für Sommer 2022 von Timmins, Canada, aus geplant. Die Flüge und Kampagnen selbst werden durch die EU Infrastruktur HEMERA gefördert.
Wir schlagen vor, den von uns entwickelten Gaschromatographen GhOST-MS (Gas chromatograph for the Observation of tracers - coupled with a mass spectrometer) während der HALO Kampagne WISE einzusetzen um eine breite Palette von Tracern mit unterschiedlichen Lebenszeiten (von fast unendlich wie SF6 bis wenige Wochen, wie CHBr3) in der unteren und untersten Stratosphäre zu messen. Diese Messungen sollen gemeinsam mit den aus den Kampagnen TACTS, SALSA und POLSTRACC vorhandenen Beobachtungen ausgewertet werden. Bei der Auswertung wollen wir uns auf zwei Hauptaspekte konzentrieren. Dies sind die Ableitung von Transit-Zeit Verteilungen (Altersspektren) und die Bestimmung des Halogenbudgets der unteren Stratosphäre, insbesondre des Brombudgets. Die Auswertungen sollen für die verschiedenen Jahreszeiten der Kampagnen und auch im Hinblick auf unterschiedliche meteorologische Situation durchgeführt werden. Zur Ableitung der Altersspektren soll eine neue Methode entwickelt werden, die es erlaubt auch sogenannte bimodale Altersspektren abzuleiten, was eine bessere Beschreibung der Transportzeitverteilung der unteren und untersten Stratosphäre ermöglichen wird. Hierzu ist eine enge Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich und den Arbeiten zum CLaMS Modell geplant. Als Grundlage für die Methode zur Ableitung der Altersspektren soll der von Ehhalt et al. (2007) veröffentliche Ansatz verwendet werden. Beim Halogenbudget sollen unsere Messungen vor allem verwendet werden um abzuleiten, wieviel anorganisches Brom und Chlor aus kurzlebigen organischen Quellgasen in der unteren Stratosphäre vorhanden ist und dort zum Ozonabbau beitragen kann. Diese Daten sollen mit quasi-simultanen Messungen anorganischer Halogen-Komponenten der Universität Heidelberg kombiniert werden um insbesondre ein komplettes Brombudget der untersten Stratosphäre aufzustellen.
Die Zusammensetzung und Menge emittierter Gase geben Hinweise auf Prozesse im Vulkaninneren. Veränderungen in der ausgestoßenen Gasmenge können neben geophysikalischen Parametern (e.g. Seismik, Deformation) ein zusätzliches Hilfsmittel zur Vorhersage von Vulkanausbrüchen sein. Neben der Gesamtmenge freigesetzter Gase kann auch das Verhältnis der Gase untereinander Hinweise auf bestimmte Arten von Vulkanaktivität geben. Im Zentrum dieses Antrages steht die verbesserte Auswertung von Daten (Spektren) aus der umfassenden Datenbank des 'Network for Observation of Volcanic and Atmospheric Change', NOVAC, das derzeit mehr als 60 Instrumente an 24 Vulkanen umfasst, mit folgenden Zielen:1. Verbesserte Auswertealgorithmen für SO2 und BrO, Anwendung von vereinfachter Strahlungstransportkorrektur, und Nutzung der größeren Datenstatistik zur verbesserten Bestimmung der SO2-Flüsse, der SO2/BrO-Verhältnisse und des globalen vulkanischen BrO und SO2 Eintrages in die Atmosphäre. 2. Die Analyse von SO2 Flüssen und BrO/SO2 Verhältnissen in Hinblick auf ihre Korrelation mit vulkanischen Prozessen und damit einhergehend die Verbesserung der Vorhersage von Ausbrüchen. Die große Menge an Daten des NOVAC-Meßnetzes bietet die Möglichkeit Zeitreihenanalysen durchzuführen und - in enger Zusammenarbeit mit Observatorien vor Ort (Kolumbien und Equador) - die Zeitreihen der emittierten Gasmengen mit den Signalen anderer Parameter (z.B. Seismik und Deformation sowie auch Meteorologie) zu korrelieren und Zusammenhänge zu erkennen.
This project was part of the HaloProc research unit on natural halogenation processes, and explored the impact of reactive halogen species on aerosol formation in field and laboratory experiments. Field studies were focused on the Lake King salt lake area in Western Australia. New particle formation events were frequently observed and characterized by measuring the temporal evolution of the submicron aerosol size distributions, and collecting aerosol samples for subsequent chemical analysis. 9 out of 11 measurement days in 2013 showed secondary aerosol formation with particle growth rates from 2.9 to 25.4 nm h^-1. Raman spectroscopy and ultrahigh resolution mass spectrometry revealed a contribution of organohalogen compounds (mostly organochlorine) to the secondary organic aerosol, however, organosulfate and organonitrate formation seemed to play a larger role in the studied environment. Nevertheless, a new experimental approach that made use of a mobile Teflon chamber set up above the salt crust and the organic-rich mud layer of various salt lakes directly linked new particle formation to the hypersaline environment of Western Australia. For more detailed process studies, these field results provided realistic scenarios and constraints for simulation experiments in the laboratory. Salt lake conditions were successfully simulated in aerosol chamber experiments and showed secondary aerosol formation in the presence of light and organic precursor compounds. The particle formation dynamics and the chemical speciation of aerosol samples, which were collected from the chamber experiments and analyzed by Raman spectroscopy and mass spectrometry, indicated a coupling of aqueous phase chemistry and secondary aerosol formation. In particular, the Fe(II) concentrations of the simulated salt lakes were a key control for the intensity of new particle formation. In saline environments with low pH values and high solar radiation, Fe(II) might be converted to Fe(III) in the presence of organic matter in a Fenton-like reaction, which can act as a major source for highly reactive OH radicals in the aqueous phase. On the one hand, this expands the potential oxidation pathways for organic compounds, which led to a larger chemical diversity. On the other hand, Fe(II)-controlled aqueous phase chemistry competes with secondary aerosol formation in the gas phase, which led to reduced particle formation in our experiments. While it is premature to fully incorporate these findings in chemistry box models, additional laboratory studies provided experimental data that will guide the development of model parameterizations, e.g., for the organic aerosol yield from the oxidation of organic compounds by chlorine and bromine, or for reactive bromine loss due to uptake in secondary organic aerosol. In conclusion, this project bridged gaps between field studies of halogen-influenced new particle formation in the real world and laboratory experiments within the HaloProc research u