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Emissions and Distribution of Reactive Iodine from Seaweed in Coastal Regions - Investigations using new mobile and in-situ DOAS techniques

Horbanski, Martin

German Title: Emission und Verteilung Reaktiver Iodverbindung von Makroalgen in Küstengebieten - Untersuchungen mittels neuen mobilen und in-situ DOAS Techniken.

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Abstract

Reactive iodine species impact atmospheric chemistry in several ways. They play an important role in the process of ozone destruction at mid-latitudes and possibly in polar regions. Reactive iodine compounds (besides bromine) also affect the atmospheric cleaning mechanisms by changing its oxidation capacity. Recent field studies indicate that reactive iodine may impact the local climate in coastal areas by playing a key role in the formation of new particles which could influence cloud micro physical properties. Particularly high concentrations of the reactive iodine are found at mid-latitude coastal sites, which are most likely emitted by seaweed exposed to oxidative stress during low tide. However, there is still very limited knowledge on the involved seaweed species and their contribution to local, regional and global iodine emissions and also the potential iodine mediated particle formation.

In the frame of this work a new mobile Open Path CE-DOAS instrument was developed for direct measurements of IO, one of the most important reactive iodine species. It was applied successfully in two field campaigns on the Irish west coast for measurements in the inter-tidal zone, directly above air-exposed seaweed patches. These measurements for the first time identify exposed seaweeds as IO "hot-spots" with very high IO mixing ratios often exceeding 50 ppt. This shows that local IO concentrations are sufficiently high to initiate the strong particle nucleation events previously observed at the Irish West Coast.

Furthermore, during the field campaigns on the Irish west coast, combined LP-DOAS and CE-DOAS measurements were applied, which extended previous observations of reactive iodine at Mace Head and the close by MRI to further locations. These observations now cover ten shores. This study showed that the major sources of reactive iodine at the Irish West coast are wave sheltered shores and not, as previously believed, wave exposed shores, like Mace Head. Since seaweed beds at wave sheltered shores cove larger areas and are longer exposed to air, this shows that Irish, and most likely also global, iodine emissions from coastal areas should be much higher compared to previous estimates based on wave exposed shores. From this finding a yearly emission of 2*10^8 gI/yr to 3*10^9 gI/yr is estimated for global coastal areas.

In a third field study on the east coast of the New Zealand south island, for the first time high IO mixing ratios of up to 68 ppt were observed on a southern hemispheric coast. Four, previously uninvestigated, seaweed species were identified as emitters of reactive iodine species and emission rates were estimated. The observations in New Zealand showed also distinct differences in the seaweed distribution to northern hemispheric locations which need to be considered in global estimates of coastal iodine emissions.

Translation of abstract (German)

Reaktive Iodverbindungen beeinflussen die Atmosphärenchemie in vielerlei Hinsicht. Sie spielen eine wichtige Rolle bei dem Ozonabbau in mittleren Breiten sowie möglicherweise in Polargebieten. Reaktive Iodverbindungen beeinflussen auch die Selbstreinigung der Atmosphäre, indem sie die Oxidationskapazität verändern. Neue Feldstudien weisen darauf hin, dass reaktives Iod ebenfalls eine zentrale Rolle bei der Partikelbildung an Küsten spielt und somit durch Beeinflussung der mikrophysikalischen Eigenschaften von Wolken das lokale Klima beeinflussen könnte. Besonders hohe Konzentrationen vom reaktivem Iod findet man an Küstenregionen mittlerer Breiten, wo sie höchstwahrscheinlich von Makroalgen emittiert werden, wenn diese während der Ebbe unter oxidativem Stress stehen. Die bei diesen Prozessen beteiligten Makroalgen Spezies und ihr Beitrag zu den lokalen, regionalen und globalen Iod Emissionen und ihr Beitrag zur Iod basierten Partikelbildung ist bisher unzureichend Erforscht.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues mobiles Open Path CE-DOAS Instrument für die direkte optische Messung von IO, einer der wichtigsten reaktiven Iodverbindungen, entwickelt. Dieses wurde erfolgreich in zwei Feldkampagnen an der Irischen Küste eingesetzt. Hierbei wurden Messungen in der Gezeitenzone direkt über der Umgebungsluft ausgesetzten Makroalgen durchgeführt. Diese Messungen erlauben die erstmalige Identifizierung von, der Umgebungsluft ausgesetzten, Makroalgen als IO "hot-spots" mit hohen IO Mischungsverhältnissen die oft 50 ppt übersteigen. Dies zeigt, dass die lokalen IO Konzentrationen hoch genug sind um die starke Partikelbildung zu initiieren, welche zuvor an der Irischen Westküste beobachtet wurde.

Des Weiteren wurden während der Messkampagnen an der Irischen Westküste kombinierte LP-DOAS und CE-DOAS Messungen durchgeführt, um die vorherigen Messungen in Mace Head und dem nahegelegenen MRI auf weiter Küstenabschnitte zu erweitern. Diese Studie deckt zehn Küstenabschnitte ab und zeigt, dass die Hauptquellen von reaktivem Iod brandungsgeschützte Küsten sind und nicht wie zu angenommen Küsten mit starker Brandung, wie zum Beispiel vor Mace Head, sind. An brandungsgeschützten Küsten bedecken die Makroalgen größere Flächen in der Gezeitenzone und sind länger der Luft ausgesetzt. Damit zeigt diese Studie, dass die Iod Emissionen an den Irischen und höchstwahrscheinlich auch den weltweiten Küsten deutlich größer sind als vorher angenommen aufgrund der Beobachtungen an Küsten mit starker Brandung. Basierend auf diesen neuen Erkenntnissen wurden für die weltweiten Küstenregionen jährliche Iodemissionen von 2*10^8 gI/yr bis 3*10^9 gI/yr abgeschätzt.

In einer dritten Feldstudie an der Ostküste der Neuseeländischen Südinsel konnten zum ersten Mal hohe IO Mischungsverhältnisse von bis zu 68 ppt an einer Küste auf der Südhalbkugel nachgewiesen werden. Vier zuvor noch nicht untersuchte Makroalgenspezies konnten als Emitter von reaktiven Iodverbindungen nachgewiesen werden, und deren Emissonsraten konnten abgeschätzt werden. Die Studie in Neuseeland zeigt auch charakteristische Unterschiede in der räumlichen Verteilung der Makroalgen im Vergleich zur Nordhemisphäre, die in zukünftigen globalen Abschätzungen der Iodemissionen von Küsten berücksichtigt werden müssen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Platt, Prof. Dr. Ulrich
Date of thesis defense: 22 December 2015
Date Deposited: 18 Jan 2016 08:19
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Seetang, Iod, Küste, Maritime atmosphärische Grenzschicht, Atmosphäre, Troposphäre, DOAS, CE-DOAS, Umweltphysik, UV-VIS-Spektroskopie, Optischer Resonator
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