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Titelaufnahme

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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Arbeit diskutiert Ergebnisse von Boden- und fluggestützten Messungen, die während der BERLIOZ Kampagne im Sommer 1998 durchgeführt wurden. Während BERLIOZ wurden eine Reihe atmosphärischer Spurenstoffe an der etwa 50 km nord westlich von Berlin gelegenen Bodenmeßstation Pabstthum meßtechnisch erfaßt. Dazu zählten auch spektroskopische Messungen von OH-, HO₂- und RO₂-Radikalen. Zur Messung von Kohlenwasserstoffen wurden ein kommerzieller automatisierter Gaschromatograph (AirmoVoc Hc1010) und ein Eigenbau Gaschromatograph mit kryogener Anreicherung eingesetzt. In Vorbereitung auf die Kampagne wurde der HC1010 für den quasi-kontinuierlichen Meßbetrieb mit einer Zeitauflösung von 20 min während BERLIOZ charakterisiert. Hierzu wurde der HC1010 mit einem Massenspektrometer gekoppelt, welches parallel zum Flamenionisationsdetektor betrieben wurde.

Die mittlere OH-Konzentration in der Berliner Abluftfahne wurde aus dem Abbau reaktiver Kohlenwasserstoffe unter Verwendung der Boden- und Flugzeugmessungen indirekt ermittelt. Der aus den fluggestützten Messungen abgeschätzte Wert zeigt eine recht gute Übereinstimmung mit den direkten spektroskopischen Messungen. Am Boden liegen aber zu wenig Informationen bezüglich der horizontalen Ausbreitung der Abluftfahne vor, um die benötigte Lagrange´sche Beziehung der Bodenstationen zu beweisen.

Die lokale Ozonproduktionsrate P(O₃) wurde in Pabstthum aus dem photostationären Zustand (PSS) von NOₓ bestimmt. Ein Vergleich mit der aus Radikalmessungen mittels MIESR erhaltenen Produktionsrate und mit dem O₃-Budget aus den Flugzeumessungen zeigt, daß der PSS die tatsächliche Ozonproduktion signifikant überschätzt. Wegen der hohen Meßgenauigkeit, mit der die einzelnen Größen erfaßt wurden, ist dieses Ergebnis ein deutlicher Hinweis auf eine bisher unbekannte Reaktion in der Atmosphäre, die NO zu NO₂ konvertiert, ohne daß es dabei zu einer netto Ozonproduktion kommt.

Die in Pabstthum durchgeführten Spurengasmessungen wurden verwendet, um das photochemische Modell RACM durch Vergleich von simulierten mit gemessenen OH-, HO₂- und RO₂-Radikalkonzentrationen zu evaluieren. Der Vergleich zeigt eine relativ gute Übereinstimmung zwischen Modell und Messung für NOₓ-Mischungsverhältnisse > 5 ppb. Für niedrigere NOₓ-Mischungsverhältnisse überschätzt das Modell die gemessenen OH- und HO₂-Konzentrationen um 100 % beziehungsweise 40 %, ähnlich wie es auch in anderen Studien gefunden wurde. Das Modell zeigt eine wesentlich größere Abhängigkeit der OH-Konzentration von NOₓ als die Messungen. Die simulierten OH- und HO₂-Radikalkonzentrationen können nur mit den Messungen in Übereinstimmung gebracht werden, wenn in RACM eine Verlustreaktion 1. Ordnung für OH mit kOH ~ 1 s-1 eingefügt wird. Dann wird allerdings zusätzliche VOC-Reaktivität äquivalent zu 100 ppt Limonen benötigt, um simulierte und gemessene RO₂ Radikalkonzentrationen in Übereinstimmung zu bringen.

Zusammenfassung (Englisch)

The thesis discusses results from ground based and airborne measurements made during the berlioz campaign in summer 1998. During BERLIOZ, measurements of a large variety of atmospheric trace gases including spectroscopic measurements of OH, HO₂ and RO₂ radicals were performed near Pabstthum, a small village 50 km north-west of Berlin. Hydrocarbons were measured with a commercial automated gas chromatograph (AirmoVoc HC1010) and a custom made GC with cryogenic preconcentration. In preparation for the campaign the HC1010 was coupled with a mass spectrometer in parallel with the flame ionization detector and characterised for its suitability for quasi continuous measurements with a time resolution of 20 min.

The average OH-radical concentration in the plume of Berlin was estimated from the decay of reactive hydrocarbons using flight and ground data. The estimated OH concentration from the flight data show a quite good agreement with the direct spectroscopic measurements. The ground stations provide insufficient information on the horizontal expansion of the plume in order to assure the required quasi Lagrangian relationship.

The local ozone production rate P(O₃) was determined from the photo stationary state of NOₓ (PSS) at Pabstthum. Comparison with P(O₃) derived from the concentrations of peroxy radicals measured by MIESR and with the ozone budget derived from the airborne measurements shows, that PSS severely overestimates the true ozone production rate by up to a factor of 20. Due to the quality of the measurements the results are highly significant and provide strong evidence for a yet unknown reaction in the atmosphere that oxidizes NO to NO₂ without leading to a net O₃ production.

The trace gas measurements performed at Pabstthum were used to evaluate the photochemical boxmodel RACM by comparing the simulated OH, HO₂ and RO₂ concentrations with the measured values. The comparison shows relatively good agreement for NOₓ mixing ratios > 5 ppb. For lower NOₓ mixing ratios, however, the model overestimates the measured OH an HO₂ concentrations by up to 100 % and 40 %, respectively, similar to findings obtained elsewhere. The model predicts a much stronger dependence of OH on NOₓ than the measurements. The simulated OH and HO₂ radical concentrations can be brought into agreement with the measured values only if a first order loss reaction for OH with kOH ~ 1 s-1 is introduced in the model. Then, additional VOC reactivity of about 100 ppt Limonene is necessary to bring measured and simulated RO₂ radicals in accordance.

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