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Time dependent profiling of UV/vis absorbing radicals by balloon-borne spectroscopic Limb measurements and implications for stratospheric photochemistry

Kritten, Lena

German Title: Zeitabhängige Profilmessung von UV/vis absorbierenden Radikalen mittels ballongestützter spektroskopischer limb Messungen und Schlußfolgerungen für die stratosphärische Photochemie

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Abstract

Nitrogen bearing compounds play an important role in catalytic loss of stratospheric ozone and, as studies indicate, will become even more important in future. Here balloon-borne limb measurements of the time and altitude dependent variation of O3, NO2, BrO and HONO are presented, providing new insight into the NOx and NOy photochemistry of the tropical upper troposphere, lower and middle stratosphere. A new method is discussed aiming at the retrieval of the diurnal variation of UV/vis absorbing radicals from balloon-borne limb scattered skylight observations in a self consistent manner. The method employs the spectroscopic measurements in combination with radiative transfer modeling and a mathematical inversion on a regularized time and height grid. The retrieval is tested by comparing the results to in-situ ozone sonding, simultaneous O3, NO2 and BrO direct sun observations, performed on the same payload, and to measurements of the ENVISAT/SCIAMACHY satellite instrument during a collocated overpass. The comparison demonstrates the strength and validity of our approach which renders meteorological and photochemical corrections of measured radical concentrations due to temporal mismatches of corresponding observations unnecessary. The collected data are further explored to in-situ test photochemical parameters, critical for stratospheric ozone, exemplarily for the N2O5 photolysis rate. The present study indicates a slightly larger N2O5 photolysis rate than the commonly referred JPL-2006, but agrees within the given error bars of a factor of 2. Finally, first detection of HONO in the tropical upper troposphere is reported, and discussed with respect to the known photochemistry and formation of NOx in nearby thunderstorms.

Translation of abstract (German)

Stickstoffverbindungen spielen schon heute eine tragende Rolle beim katalytischen Abbau von stratosphärischem Ozon, und aktuelle Studien zeigen, dass ihre Bedeutung in Zukunft wachsen wird. Die hier vorgestellten ballongestützten, spektroskopischen Beobachtungen der zeitlichen und räumlichen Variation von O3, NO2, BrO und HONO erlauben neue Einsichten in die NOx und NOy Fotochemie der tropischen oberen Troposphäre sowie der unteren und mittleren Stratosphäre. Eine neue, an die Messung von sich zeitlich ändernden Radikalen angepasste Methode der Auswertung wird vorgestellt. Sie beinhaltet spektroskopische Beobachtungen von limb gestreutem Himmelslicht unter verschiedenen Blickwinkeln in Kombination mit Strahlungstransportmodellierung und mathematischer Inversion auf einem diskreten Zeit- und Höhengitter. Die Ergebnisse der Methode werden überprüft durch einen Vergleich mit in-situ Ozon Sonden, O3, NO2 und BrO Messungen mittels direktem Sonnenlicht und Beobachtungen des ENVISAT/SCIAMACHY Satelliten Instruments während zeit- und ortsnaher Messungen. Diese Vergleiche zeigen die Stärke und Gültigkeit unseres Verfahrens, das meteorologische und photochemische Korrekturen der gemessenen Konzentrationen, die bisher auf Grund zeitlicher Abweichungen der zu vergleichenden Messung angewandt wurden, überflüssig macht. Die Daten werden, exemplarisch anhand der N2O5 Photolyserate, weiter untersucht, um Parameter insitu zu testen, die für die stratosphärische Ozonchemie ausschlaggebend sind. Die vorgestellte Studie deutet, verglichen mit der üblicherweise aus JPL-2006 zitierten, eine leicht größere Photolyserate an. Innerhalb der Fehlergrenzen stimmen sie aber beide überein. Schließlich wird die Beobachtung von HONO in der oberen tropischen Troposphäre unter Einbeziehung der bekannten Photochemie und der beobachteten Bildung von NOx durch Gewitterblitze diskutiert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Pfeilsticker, Prof. Dr. Klaus
Date of thesis defense: 2 December 2009
Date Deposited: 23 Feb 2010 07:09
Date: 2009
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: UV/vis , spectroscopy , limb , stratosphere , photochemistry
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