Multiphasenmodellierung

Im Arbeitsbereich Multiphasenmodellierung der Abteilung Chemie werden in enger Kooperation mit dem Arbeitsbereich Laborexperimente komplexe Flüssigphasenmechanismen zur Modellierung von physiko-chemischen Mehrphasenprozessen in Wolkentröpfchen und deliqueszenten Aerosolpartikeln entwickelt und in numerischen Modellen angewendet. Den Schwerpunkt der Modellanwendungen bildet hierbei die Untersuchung von chemischen Oxidationsprozessen in der troposphärischen Flüssigphase und deren Wirkung auf das troposphärische Oxidationsbudget und Beitrag zur Bildung sekundärer Aerosolinhaltsstoffe. Zur Modellierung des komplexen troposphärischen Mehrphasensystems wird das spektrale Luftpaketmodell SPACCIM (SPectral Aerosol Cloud Chemistry Interaction Model; Wolke et al., 2005) genutzt. Dieses numerische Modell wurde in der Abteilung Modellierung des Institutes entwickelt. Der derzeitig verwendete Mehrphasenchemiemechanismus besteht aus dem Gasphasenmechanismus MCMv3.2 und dem Flüssigphasenmechanismus CAPRAM (Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism, Herrmann et al., 2005). Der Phasentransfer von löslichen Spurenstoffen ist nach dem Ansatz von Schwartz (1986) im Mechanismus implementiert.

Bei der Flüssigphasenchemie wird besonderer Wert auf chemische Prozesse von Radikalen bzw. Radikalanionen (NO3, OH, SO4-, Cl2-, Br2-, CO3- sowie Peroxyradikalen) und organischen Verbindungen in der wässrigen Phase gelegt. Im Gegensatz zu anderen existierenden Flüssigphasenmechanismen werden in CAPRAM neben der C1 und C2 - Chemie auch Reaktionen von organischen Verbindungen mit mehr als zwei Kohlenstoffatomen (Alkohole, Carbonyle, Carbonsäuren) berücksichtigt. Im Mechanismus ist außerdem ein detailliertes Reaktionsschema der Schwefel(IV) Oxidation durch Radikale, Übergangsmetalle (Eisen, Kupfer, Mangan), Peroxyde und Ozon integriert.

Neben dem Basismechanismus von CAPRAM wurden in den letzten Jahren auch reduzierte Chemiemechanismen (Deguillaume et al., 2009) für regionale Chemie-Transport-Modelle und weitere spezielle Reaktionsmodule entwickelt. Zu den Reaktionsmodulen gehört u. a. das Halogenmodul 1.0/2.0 (Herrmann et al., 2003Bräuer et al., 2013), welches zusätzlich Radikalreaktionen halogenhaltiger Spezies in beiden Phasen enthält und für die Modellierung der Multiphasenchemie in der marinen Troposphäre angewendet wird. Weiterhin wurde ein Modul entwickelt welches die Oxidation von DMS in der troposphärischen Mehrphasenchemie (CAPRAM-DM1.0, Hoffmann et al., 2016) sowie ein Modul, welches die Oxidation substituierter aromatischer Verbindungen in der troposphärischen Flüssigphase (CAPRAM-AM1.0, Hoffmann et al., 2018) betrachtet. Ferner wurden noch Mechanismusmodule zur Beschreibung der troposphärischen Mehrphasenchemie von Aminen entwickelt. In aktuellen Arbeiten wurde der Mechanismusgenerator GECKO-A (Aumont et al., 2005) für die Flüssigphase erweitert und erlaubt nun die automatische Generierung von Flüssigphasenchemiemechanismen zur Beschreibung der höheren organischen Chemie basierend auf einem vordefiniertem Mechanismusprotokoll (Bräuer et al., 2019). Der erweiterte GECKO-A Generator basiert auf einer Datenbank gemessener kinetischer Flüssigphasenkonstanten, evaluierter Struktur-Aktivitäts-Beziehungen und anderen Korrelationen zur Mechanismuskonstruktion. Detailliertere Informationen, entsprechende Referenzen, sowie alle verfügbaren Mechanismen und Reaktionsmodule werden auf der CAPRAM - Webseite zur Nutzung zur Verfügung gestellt. Ferner sind Kommentare und ggf. Korrekturen dort zu finden.

  • CAPRAM

  • Multiphasenmodellierung

Referenzen:

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Bräuer, P., Mouchel-Vallon, C., Tilgner, A., Mutzel, A., Böge, O., Rodigast, M., Poulain, L., van Pinxteren, D., Wolke, R., Aumont, B., and Herrmann, H. (2019), Development of a protocol for the auto-generation of explicit aqueous-phase oxidation schemes of organic compounds, Atmos Chem Phys Discuss, doi.org/10.5194/acp-2018-1318, in review.

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