Universität zu Köln

Untersuchung von Isopren und dessen Oxidationsprodukten in und oberhalb eines Mischwaldbestandes

Schaub, Andrea (2007) Untersuchung von Isopren und dessen Oxidationsprodukten in und oberhalb eines Mischwaldbestandes. PhD thesis, Universität zu Köln.

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      Abstract

      Zusammenfassung: Isopren ist der am häufigsten vorkommende biogene VOC (flüchtige organische Verbindung, Volatile Organic Compound), der überwiegend von Laubbäumen emittiert wird, und dessen Abbau in der Atmosphäre im Sommer wesentlich zur lokalen Ozonproduktion beitragen kann. Eine Abschätzung des auf den Isopren-Abbau zurückzuführenden Ozonbildungspotentials erfordert Kenntnis darüber, inwieweit das Isopren direkt im Quellgebiet (Wald) abgebaut wird. Ziel dieser Arbeit ist, anhand von gemessenen Mischungsverhältnissen (MV) von Isopren, das Verhältnis von dessen Oxidationsprodukten Methylvinylketon (MVK) und Methacrolein (MACR), MVK/MACR, durch photochemische Prozesse und meteorologischen Faktoren in einem Waldbestand zu erklären. Dadurch kann das MVK/MACR � Verhältnis als Indikator verwendet werden, in welchem Ausmaß das lokal emittierte Isopren bereits innerhalb des Waldbestandes abgebaut wird. Im Rahmen des ECHO-Projekts wurde ein 36 m hoher Messturm in einem Laubmischwaldbestand errichtet, an dem im Jahr 2002 und 2003 kontinuierlich Profil-Messungen von Isopren, MVK, MACR und 8 weiteren VOC durchgeführt wurden. Das tagsüber beobachtete mittlere Mischungsverhältnis (MV) von Isopren war im Sommer (Juni und Juli) 2002 mit ~ 200 ppt fast dreieinhalb mal geringer als im Sommer 2003 (Juli bis September) mit 710 ppt. Das mittlere tagsüber (10-18h) ermittelte MVK/MACR-Verhältnis war im Sommer 2002 zwischen 0.8 und 1 und im Sommer 2003 zwischen 1 und 1.2, und damit geringer als das Verhältnis von 1.4, das bei Laborexperimenten zur Isopren-Oxidation beobachtet wurde. Anhand von meteorologischen Daten wurde festgestellt, daß das MVK/MACR-Verhältnis von der Windrichtung abhängig ist. Das MVK/MACR�Verhältnis bei vorherrschender Westwind-Situation lag bei ~0.6 (Juli 2003) und variierte stärker als bei Ostwind-Situation, mit einem MVK/MACR von 1.5. Als Resultat photochemischer Prozesse ist ein MVK/MACR Verhältnis von 0.8 dann zu erwarten, wenn die Isopren-Oxidation unter NO-limitierten Bedingungen abläuft. Die am ECHO-Hauptturm knapp über dem Bestand gemessenen NO-Konzentrationen lagen im Sommer 2003 tagsüber z.T. unter 100 ppt und es konnte gezeigt werden, daß das MVK/MACR-Verhältnis bei solchen geringen NO-Konzentrationen der Isopren-Oxidation unter NO-limitierten Bedingungen entstammt. Der Anteil von Isopren mit 60-90% an der OH- Gesamt-Reaktivität der VOCs im Waldbestand unterstreicht die Bedeutung der Isopren-Oxidation für lokale Photochemie. Eine Modellierung der Ozon-Produktionsrate ausgehend von der gemessenen Spurengas-zusammensetzung ergab, daß eine Veränderung der NOx-Bedingungen größeren Einfluss auf die Ozonbildung hatte, als eine Veränderung der VOC � Reaktivität z.B. durch stärkere Isopren-Emission.

      Item Type: Thesis (PhD thesis)
      Translated abstract:
      AbstractLanguage
      Isoprene is the most abundant biogenic volatile organic compound (VOC), emitted mainly from deciduous trees, and its oxidation in the atmosphere can significantly contribute to local ozone formation. An estimate of the ozone formation related to isoprene oxidation requires knowledge of to what extent isoprene is oxidized close to its source. The scope of this thesis is to explain measured mixing ratios of isoprene and the ratio of its two oxidation products methyl vinyl ketone (MVK) and methacrolein (MACR), MVK/MACR, as a consequence of photochemical and meteorological processes in a mixed deciduous forest. This enables the MVK/MACR ratio to be used as an indicator to asses the extent of isoprene oxidation on a local scale. Within the ECHO project (Emission and Chemical transformation of biogenic volatile organic compounds) a 36m high tower was erected in a mixed deciduous forest, upon which profile measurements of isoprene, its oxidation products and 8 other VOCs were carried out continuously in summer 2002 and 2003. In summer 2002 (June and July) the mean daytime (10-18h) volume mixing ratio (VMR) of isoprene was ~ 200 pptv and 3.5 times lower than the mean daytime VMR of 710 pptv in summer 2003 (July to September). The mean daytime MVK/MACR ratio in summer 2002 was 0.8 to 1 and in summer 2003 between 1 and 1.2. This ratio is lower than the MVK/MACR ratio (~ 1.4) expected from laboratory studies of isoprene oxidation. Analysis of meteorological data revealed that the MVK/MACR ratio was dependent on the wind direction. With prevailing westerly winds the mean daytime MVK/MACR ratio was 0.6 (July 2003) and was fairly variable, whereas with an easterly wind the ratio was ~1.5 (July 2003). According to photochemical processes a MVK/MACR ratio of 0.8 arises due to isoprene oxidation under NO-limited conditions. The VMR of NO measured above canopy at the ECHO main tower in summer 2003 was sometimes lower than 100 pptv and therefore the MVK/MACR ratio can be deduced to result from isoprene oxidation under low NO conditions. Isoprene was found to contribute 60-90% to the local OH reactivity of all VOCs, which supports evidence for the important contribution of isoprene to local photochemistry. A simulation of the ozone formation based on the measured trace gas and radical composition of the ECHO forest site showed that an increase in NOx-conditions would enhance ozone formation stronger than an increase in VOC reactivity, e.g. by higher isoprene emission.English
      Creators:
      CreatorsEmail
      Schaub, AndreaAndrea.Schaub@uibk.ac.at
      URN: urn:nbn:de:hbz:38-21315
      Subjects: Earth sciences
      Uncontrolled Keywords:
      KeywordsLanguage
      biogene VOC Emissionen , Isopren , MVK/ MACR-Verhältnis , ECHO-Projekt , MischwaldbestandGerman
      Emission of biogenic VOC , isoprene, MVK/MACR ratio , ECHO-project , mixed deciduous forestEnglish
      Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
      Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Forschungszentrum Jülich
      Language: German
      Date: 2007
      Date Type: Completion
      Date of oral exam: 05 July 2007
      Full Text Status: Public
      Date Deposited: 19 Sep 2007 14:05:11
      Referee
      NameAcademic Title
      Wahner, AndreasProf. Dr.
      URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2131

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