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Observations of reactive bromine, iodine and chlorine species in the Arctic and Antarctic with Differential Optical Absorption Spectroscopy

Zielcke, Johannes

German Title: Beobachtungen reaktiver Brom-, Iod- und Chlorverbindungen in der Arktis und Antarktis mittels Differentieller Optischer Absorptionsspektroskopie

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Abstract

A unique feature of the polar troposphere is the strong activity of halogen photochemistry, in which reactive halogen species (RHS), such as BrO, IO and ClO, are responsible for ozone depletion, the oxidation of elemental mercury and dimethyl sulphide. The typical abundances, sources, as well as the release and recycling mechanisms of these halogen species are far from being completely understood. Within this work, field observations were undertaken, in the Arctic (at Alert) and Antarctic (around Ross Island and in the Weddell Sea), using remote sensing and in-situ instruments based on Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) techniques such as MAX-DOAS, CE-DOAS and LP-DOAS. Chlorine monoxide was directly detected and quantified (up to 60 pptv, 20 pptv typical) in the Antarctic boundary layer for the first time, with IO and BrO being present simultaneously. The diurnal variation, correlating with insolation, point to the source being the oxidation of surface Cl- by OH or O3. In the Arctic, IO was observed for the first time on a regional scale and throughout the sunlit period during several years (2007 - 2014). The IO mixing ratios between 0 - 0.5 pptv are in agreement with an inorganic, oceanic source and resemble those at both Antarctic sites. The Antarctic IO mixing ratios are significantly lower than previous measurements at similar locations. IO was not detected (<1 pptv) originating from the snowpack nor within a penguin colony.

Translation of abstract (German)

Die polare Troposphäre ist durch die hohe photochemische Aktivität reaktiver Halogenverbindungen, wie BrO, IO und ClO gekennzeichnet, welche dort mit Frühlingsbeginn nach der Polarnacht auftritt und zu Ozonabbau, Quecksilberdeposition und Oxidation von Dimethylsulfid führt. Die Mengen, Quellen und Freisetzungs- sowie Regenerierungsmechanismen sind noch nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit wurden Verfahren der Differentiellen Optischen Absorptionsspektroskopie (DOAS), wie MAX-DOAS, CE-DOAS und LP-DOAS angewandt, um Halogenverbindungen in der Arktis (bei Alert) und der Antarktis (um die Ross-Insel und im Weddell-Meer) zu messen. Chlormonoxid (ClO) wurde zum ersten Mal in der antarktischen Grenzschicht detektiert und quantifiziert (bis zu 60 pptv, typisch 20 pptv), bei gleichzeitiger Anwesenheit von BrO und IO. Der mit Sonneneinstrahlung korrelierende Tagesgang lässt auf eine Quelle durch Oxidation von gelöstem Cl- durch OH oder O3 schliessen. In der Arktis wurde zum ersten Mal IO auf regionaler Skala und über den gesamten Polartag mehrerer Jahre beobachtet (2007 - 2014). Die Mischungsverhältnisse zwischen 0 - 0.5 pptv lassen sich über eine ozeanische, inorganische Iodquelle erklären, und spiegeln die beiden Messungen in der Antarktis wider. Die Mischungsverhältnisse in der Antarktis sind signifikant niedriger als bei früheren Beobachtungen an ähnlichen Orten. IO konnte dort weder im Schneepack noch in einer Pinguinkolonie nachgewiesen werden (<1 pptv).

Item Type: Dissertation
Supervisor: Platt, Prof. Dr. Ulrich
Date of thesis defense: 17 June 2015
Date Deposited: 01 Jul 2015 09:49
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Atmosphäre, Physik, Chemie, DOAS, Polarforschung, UV-VIS-Spektroskopie, Iod, Chlor, Brom, Arktis, Antarktis, Umweltphysik, Halogenverbindungen, Troposphäre
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