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Abstract

Ozone plays an important role in volcanic plume chemistry, a particular process is its destruction by reactive halogen species, especially BrO. To better understand this chemical system, further measurements of the ozone concentration in volcanic plumes are needed. The usual UV absorption ozone monitors suffer from a severe interference with the high SO2 concentration in volcanic plumes. Therefore, we use the chemiluminescence method, which is based on the detection of photons emitted when ethylene is mixed with ozone containing air. This method has no interference with volcanic plume components, but ist field deployability is so far very limited, because the instruments are typically very heavy and bulky. This thesis reports the construction of a lightweight (< 1.5 kg) chemiluminescence ozone monitor, that can be mounted on a drone to be carried through volcanic plumes. The weight reduction was mainly achieved by using a modern photomultiplier module and omitting its cooling. In addition, the battery and ethylene storage container are easy to exchange between flights. This means that they can be quite small, as they only need to last for one flight. The flow rates and the dimension of the reaction chamber are optimized based on the calculation of the photon rate and a simulation of the photon trajectories.

Translation of abstract (German)

Ozon spielt eine wichtige Rolle in der Chemie von Vulkanfahnen, vor allem weil es durch die Katalyse von reaktive Halogenverbindungen, insbesondere BrO, zerstört wird. Um dieses chemische System besser zu verstehen, sind weitere Messungen der Ozon-Konzentration in Vulkanfahnen erforderlich. Die übliche UV-Absorptions-Messmethode hat signifikante Interferenzen durch die hohen SO2-Konzentrationen in Vulkanfahnen. Daher verwenden wir Chemilumineszenz-Ozonmonitore, welche auf der Reaktion von Ozon mit Ethen basieren. Solche Geräte weisen keine Interferenz mit Vulkangasen auf. Allerdings sind sie normalerweise sehr groß und schwer, sodass Messungen am Vulkan nur sehr eingeschränkt möglich sind. In dieser Arbeit wird ein leichter (< 1.5 kg) Chemilumineszenz-Ozonmonitor gebaut, der auf einer Drohne montiert und durch die Vulkanfahne geflogen werden kann. Die Gewichtsreduzierung wurde hauptsächlich durch die Verwendung eines modernen Photomultiplier-Moduls und den Verzicht auf dessen Kühlung erreicht. Außerdem lassen sich der Akku und die Ethen-Gasflasche zwischen Messflügen leicht austauschen. Da sie somit nur für einen Flug reichen müssen, können sie sehr klein und leicht sein. Auf der Grundlage von Berechnungen der Reaktionsrate und der Simulation von Photonenflugbahnen werden die Größe der Reaktionskammer und die Flussraten von Ethen und Luft optimiert.