Multiphasenmodellierung und CAPRAM
Im Forschungsbereich der Multiphasenmodellierung werden detaillierte Mechanismen der wässrigen Phase entwickelt und in numerischen Modellen angewendet, die die physikalisch-chemischen Multiphasenprozesse in Wolkentröpfchen und deliqueszenten Aerosolpartikeln untersuchen. Der Schwerpunkt dieser Modellanwendungen liegt auf der Analyse von Oxidationsprozessen in der wässrigen Phase und deren Auswirkungen auf die Oxidationskapazität der Troposphäre sowie auf ihrem Beitrag zur Bildung von sekundärem Feinstaub.
Zur Simulation des komplexen troposphärischen Multiphasesystems wird das spektrale Luftpaketmodell SPACCIM (SPectral Aerosol Cloud Chemistry Interaction Model; Wolke et al., 2005) eingesetzt, das in der Modellierungsabteilung entwickelt wurde. Der derzeit angewandte Multiphasenmechanismus kombiniert den Gasphasenmechanismus MCMv3.3.1 (Master Chemical Mechanism; mcm.york.ac.uk) und den eigens entwickelten wässrigen Phasenmechanismus CAPRAM 4.0 (Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism, Bräuer et al., 2019). Der Phasentransfer löslicher Spezies wird im Modell nach dem Ansatz von Schwartz (1986) behandelt. Innerhalb des Mechanismus für die Chemie in der wässrigen Phase liegt ein besonderer Schwerpunkt auf chemischen Prozessen organischer Verbindungen und wichtiger atmosphärischer Radikale wie NO3, OH, SO4-, Cl2-, Br2-, CO3- und Peroxyradikale. Im Gegensatz zu vielen bestehenden Mechanismen für die wässrige Phase umfasst CAPRAM 4.0 Reaktionen organischer Verbindungen mit bis zu vier Kohlenstoffatomen (Alkohole, Carbonylverbindungen, Carbonsäuren) und geht damit über die üblicherweise dargestellte C1-C2-Chemie hinaus. Der Mechanismus enthält zudem ein umfassendes Reaktionsschema für die Schwefel(IV)-Oxidation unter Beteiligung von Radikalen, Übergangsmetallionen (Eisen, Kupfer und Mangan), Peroxiden und Ozon.
Zusätzlich zum CAPRAM-Kernmechanismus wurden mehrere spezialisierte Module entwickelt und implementiert. Dazu gehören reduzierte chemische Mechanismen für die Anwendung in regionalen und großräumigen chemischen Transportmodellen (Deguillaume et al., 2009, Hoffmann et al., 2020), wobei die laufenden Bemühungen auf eine weitere Reduktion und Optimierung ausgerichtet sind. Das CAPRAM-Team hat die Halogenchemie-Module v1.0/2.0/3.0 (Herrmann et al., 2003; Bräuer et al., 2013, Hoffmann et al., 2019) entwickelt und kontinuierlich aktualisiert, die Radikalreaktionen halogenhaltiger Spezies sowohl in der Gas- als auch in der wässrigen Phase umfassen und für die Multiphasenmodellierung in der marinen Grenzschicht besonders relevant sind. Zu den weiteren Entwicklungen gehören Module, die die Oxidation von Dimethylsulfid (DMS) in der troposphärischen Multiphasenchemie (CAPRAM-DM1.0, Hoffmann et al., 2016), substituierte aromatische Verbindungen in der wässrigen Phase (CAPRAM-AM1.0, Hoffmann et al., 2018) sowie die Aminchemie beschreiben. Zudem wurde der Mechanismengenerator GECKO-A (Aumont et al., 2005) auf Prozesse in der wässrigen Phase erweitert, was die automatisierte Generierung organischer chemischer Mechanismen in CAPRAM auf der Grundlage vordefinierter Protokolle ermöglicht (Bräuer et al., 2019). Diese Erweiterung wird durch eine kinetische Datenbank für die wässrige Phase unterstützt, die experimentell ermittelte Geschwindigkeitskonstanten, Struktur-Wirkungs-Beziehungen und andere Korrelationen für die Mechanismenkonstruktion umfasst.
Zu den jüngsten Entwicklungen gehören die Einführung eines Moduls für heterogene Staubchemie, CAPRAM-HET1.0 (Aiyuk et al., 2024), sowie die Implementierung eines Mechanismus zur Verteilung zwischen Volumen und Grenzfläche (CAPRAM-HET2.0; Aiyuk et al., 2025). Darüber hinaus befindet sich das Modul zur troposphärischen Multiphasenchemie von Emissionen aus der Verbrennung von Biomasse (CAPRAM-BBM1.0) in der Entwicklung, abgestimmt auf CAPRAM-AM1.0. Aktuelle Arbeiten konzentrieren sich zudem auf die Integration von neuronalen Netzen und Techniken des maschinellen Lernens, um die Modellleistung zu steigern, Luftqualitätsvorhersagen zu verbessern und Strategien zur Mechanismusreduktion zu unterstützen.
Weitere Informationen, Referenzen und Zugang zu verfügbaren Mechanismen und Reaktionsmodulen finden Sie auf der CAPRAM-Website.
Referenzen:
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Aiyuk, M. B., Hoffmann, E. H., Tilgner, A., Wolke, R., & Herrmann, H. (2025). Modeling Tropospheric Aqueous Interfacial Chemistry and Bulk Interaction with CAPRAM-HET2. 0. ACS Earth and Space Chemistry, 9(5), 1204-1216.
Hoffmann, E. H., Tilgner, A., Felber, T., Aiyuk, M. B., Schaefer, T., & Herrmann, H. (2025). Modeling the Tropospheric Aqueous-Phase Chemistry of Photosensitizers under Wildfire-Plume and Urban Conditions with CAPRAM-PS1. 0. ACS Earth and Space Chemistry, 9(6), 1593-1606.
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