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Space-based Monitoring of Volcanic Emissions Using the GOME-2 Instrument

Hörmann, Christoph

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Abstract

Die satellitengestützte Beobachtung der Erdatmosphäre ermöglicht es heutzutage, Vulkanemissionen, insbesondere auch während großer Eruptionen, global und aus sicherer Entfernung zu quantifizieren. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Daten des Satelliteninstruments GOME-2 mit Hilfe der differentiellen optischen Absorpionsspektroskopie (DOAS) systematisch auf das Vorkommen vulkanischer Emissionen von Schwefeldioxid (SO2) und Brommonoxid (BrO) untersucht. Neben einer Verbesserung des SO2 Auswertealgorithmus, der nun die deutlich genauere Ermittlung von Säulendichten im Fall sehr hoher SO2 Konzentrationen ermöglicht, wurde ein neues Verfahren entwickelt, das die automatische Detektion von Vulkanfahnen aus globalen Satellitendaten erlaubt. Die Anwendung auf den GOME-2 Datensatz der Jahre 2007-2011 ermöglichte eine systematische Suche nach BrO in nahezu 800 extrahierten Vulkanfahnen, welches in 64 Fällen nachgewiesen werden konnte. In einer Vielzahl dieser Fälle wurden Unterschiede in den räumliche Verteilungen von SO2 und BrO festgestellt. Die mittleren BrO/SO2 Verhältnisse entsprachen dabei weitgehend den Beobachtungen durch Bodenmessungen der letzten Jahren. Auf Grund der erzielten Ergebnisse konnte die Gesamtzahl der weltweit bekannten Vulkane mit signifikanten Bromemissionen von 12 auf 19 gesteigert werden. Darüber hinaus wurde erstmals das BrO-Vorkommen an einem passiv ausgasenden Vulkan durch jährlich gemittelte Satellitenmessungen nachgewiesen. Der neu gewonnene, umfangreiche Datensatz vulkanischer BrO Emissionen erlaubt eine detaillierte Untersuchung der Halogenchemie in großflächigen Vulkanfahnen sowie eine Abschätzung der globalen Bromemissionen in die Atmosphäre.

Translation of abstract (English)

Today's satellite observations of the earth's atmosphere allow to quantify global volcanic emissions from a save distance, in particular during major eruptions. In this thesis, GOME-2 satellite data has been investigated for the occurrences of volcanic sulfur dioxide (SO2) and bromine monoxide (BrO) emissions using Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS). An improved version of the SO2 evaluation scheme has been implemented, which is able to retrieve accurate column densities in the case of very high SO2 concentrations. Furthermore, the automatic detection of volcanic plumes from global satellite data can be achieved by a newly developed algorithm. Almost 800 volcanic plumes were extracted from the GOME-2 dataset for the years 2007-2011 and systematically investigated for potentially elevated BrO, which has been detected in 64 cases. A large number of the volcanic plumes showed differences in the spatial distributions of BrO and SO2. The associated mean BrO/SO2 ratios were generally consistent with those from ground-based measurements in recent years. Based on the results of this thesis, the total number of volcanoes known for significantly high bromine emissions could be raised from 12 to 19. Moreover, BrO from a passively degassing volcano was successfully detected for the first time by using yearly averaged satellite data. The new and extensive dataset of volcanic BrO emissions offers the possibility to further investigate halogen chemistry in widespreaded volcanic plumes, as well as to provide an estimate of the atmospheric bromine input from global volcanic emissions.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Platt, Prof. Dr. Ulrich
Date of thesis defense: 6 February 2013
Date Deposited: 28 Feb 2013 07:53
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Satellitenfernerkundung, DOAS, Vulkan, Schwefeldioxid, Halogene
Uncontrolled Keywords: SO2, BrO, GOME-2, Bromexplosion
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