Modellierung der troposphärischen Halogenradikalchemie

Marines Aerosol und seine chemische Prozessierung hat einen beträchtlichen Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde und damit auf das Klima. Eine besondere Rolle in marinen Umgebungen nehmen Halogenspezies (chlor-, brom- und jodhaltige Verbindungen) ein. In den vom Ozean emittierten Seesalz-Partikeln werden Chlorid und Bromid zu reaktiven Halogenspezies umgewandelt und können in die Gasphase übergehen. Eine zusätzliche Quelle stellt die direkte Emission halogenierter Alkane aus dem Ozean oder, in Küstengebieten, durch während der Ebbe freiliegender Algen dar. Deren anschließende Photolyse oder Oxidation durch troposphärische Radikale wie OH und NO3 bildet eine in-situ Quelle für Halogenradikale in der Troposphäre. In verschiedenen Multiphasen-Chemiezyklen werden weitere Halogenid-Ionen in reaktive Halogenspezies umgewandelt, troposphärisches Ozon abgebaut oder die Oxidationskraft der Troposphäre direkt und indirekt beeinflusst.

Um die komplexen multiphasenchemischen Prozesse besser verstehen und ihren Einfluss auf umweltrelevante Fragen wie Luftreinheit oder Klimawandel bestimmen zu können, wurden am TROPOS komplexe Chemiemechanismen zur Beschreibung der troposphärischen Multiphasen-Halogenchemie entwickelt.

Das Halogenmodul 2.0 (HM2; Bräuer et al., 2013), ein speziell auf die marine Halogenchemie ausgerichteter Mechanismus, kann modular an den Multiphasenchemiemechanismus RACM-MIM2ext/CAPRAM 3.0n (Tilgner und Herrmann, 2010; Bräuer et al., 2013) gekoppelt werden. Es stellt eine Weiterentwicklung des Halogenmoduls 1.0 (Herrmann et al., 2003) dar und umfasst fast 600 Reaktionen in der Gas- und Flüssigphase (siehe Abb. 1). Das Halogenmodul 2.0 wurde für die Anwendung in den unterschiedlichsten Regionen der troposphärischen Grenzschicht konzipiert, die vom anthropogen unbeeinflussten offenen Ozean bis zu urban verschmutzen Küstengebieten in allen Breitengraden der Erde reichen können. Die im Halogenmodul 2.0 verarbeiteten Prozesse sind vereinfacht in Abbildung 2 dargestellt.

Mit dem HM2 wurden umfassende Prozess-Studien mit dem Boxmodel SPACCIM  (SPectral Aerosol Cloud Chemistry Interaction Model; Wolke et al., 2005) betrieben. Dabei wurden die verschiedenen Halogenzyklen, der durch Halogene verursachte Ozonabbau, Wechselwirkungen mit anderen Subsystemen wie organischen Verbindungen und NOx in der Gas- und Flüssigphase oder der Einfluss auf die Schwefeloxidation in der Flüssigphase im offenen Ozean untersucht (Bräuer et al., 2013). Neuere Untersuchungen zielen auf Gebiete, in denen sich urban verschmutzte Luftmassen mit marinen Luftmassen mischen (siehe Poster der Abteilung Chemie). Diese Szenarien sind von globaler Bedeutung, da in küstennahen Gebieten etwa die Häflte der Menschheit lebt und sich 3/4 der Megacities mit mehr als 10 Millionen Einwohnern am Meer befinden.

 

  • Abb. 1 Überblick über die Anzahl der Reaktionen im Multiphasenchemiemechanismus RACM-MIM2ext/CAPRAM 3.0n zusammen mit dem Halogenmodul 2.0 unterteilt nach Gas- und Flüssigphasenreaktionen sowie Phasentransferprozessen

  • Abb. 2 Vereinfachte Darstellung der im Halogenmodul 2.0 enthaltenen Prozesse.

Publikationen:

Herrmann, H., Majdik, Z., Ervens, B., Weise, D.: Halogen production from aqueous tropospheric particles. Chemosphere 52(2), 485–502, 2003.

Bräuer, P., Tilgner, A., Wolke, R., and Herrmann, H.: Mechanism development and modelling of tropospheric multiphase halogen chemistry: The CAPRAM Halogen Module 2.0 (HM2), J. Atmos. Chem., 1-34, DOI: 10.1007/s10874-013-9249-6, 2013.