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Reactive organic species on natural dust

Batsaikhan, Ariunaa

German Title: Reaktive organische Verbindungen auf Mineralstaub

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Abstract

Annually 1000-3000 Tg mineral dust aerosol are emitted into the atmosphere, and transported over the oceans from one continent to the other. During the transport dust particles interact with components in the marine atmosphere and also with seawater as they fall into the ocean. Increased methyl iodide concentrations were observed during a field campaign on the Atlantic Ocean when dust storms occurred. Volatile halogenated organic compounds (VHOC) are photolyzed to produce reactive halogen species which are responsible for ozone depletion. An abiotic production mechanism for VHOC, involving humic-like substance (HULIS), iron and halide, was supposed to produce methyl iodide through the interaction of dust particles with seawater as all necessary ingredients were present. The main goal of this study was to test this hypothesis and to further elucidate the process. For this, simple dust-seawater addition experiments in headspace glasses were conducted in the laboratory, following a purge-and-trap GC-MS analysis of the headspace gas. Dust samples were collected in the source regions in southern Algeria and the Gobi Desert and, as representatives for aeolian dust, samples from Cape Verde Island and Lanzarote Island were used. To exclude the biological contribution, sterilized samples were also employed in this study. As assumed, methyl iodide was produced abiotically and the concentration increased tenfold after addition of Fe (III) within half an hour. Methylene chloride was also produced abiotically along with methyl iodide. In contrast to methyl iodide and methylene chloride, methyl chloride and isoprene were produced biologically, provided the production occurred after at least 24 hours of interaction of only non-sterilized samples with seawater. If the microorganisms responsible for the production of isoprene are common soil organisms found everywhere in the world, this process can be the reason for a hitherto not fully explained increase in atmospheric isoprene concentration during wet seasons, especially when the rain falls practically everyday. The results of this study show the importance of natural dust aerosols for the production and emission of volatile organic compounds to the atmosphere and open interesting questions for further studies.

Translation of abstract (German)

Interkontinentale Staubstürme transportieren jährlich riesige Mengen (1000-3000 Tg) an feinstem Mineralstaub, vorwiegend aus den Wüsten, über den ganzen Globus. Während dieses Transportes reagieren die Mineralstaubpartikel über den Meeren mit Komponenten der ozeanischen Atmosphäre, sowie mit dem Meerwasser. Bei Feldmessungen im Atlantik wurden jeweils nach Sandstürmen erhöhte Methyliodid Konzentrationen gemessen. Methyliodid und andere leichtflüchtige halogenorganische Verbindungen produzieren unter Einwirkung von UV-Strahlung reaktive Halogenverbindungen, die maßgeblich für die Zerstörung der Ozonschicht verantwortlich sind. Es wurde vermutet, dass Methyliodid infolge des abiotischen Prozesses gebildet wird, der zwischen organischem Material, Fe (III) und Halogenid stattfindet, da durch die Wechselwirkung von Staubpartikeln mit Ozeanwasser eigentlich alle für die Bildung von Methyliodid notwendigen Bestandteile vorhanden sind. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war es, diese Vermutung über die Bildung von Methyliodid zu überprüfen, und den Prozess genauer zu untersuchen. Dafür wurden Mineralstaub und Seewasser in Headspace-Gläsern gemischt und danach die Gasphase mit Purge-und-Trap GC-MS analysiert. Die Mineralstaub-Bodenproben wurden aus der Sahara im Süden Algeriens und aus der Wüste Gobi genommen, und repräsentativ für den durch Stürme übertragenen Mineralstaub, wurden Proben von den Kapverdischen Inseln und von Lanzarote verwendet. Um eine biologische Produktion von Methyliodid ausschliessen zu können, wurden die Proben teilweise auch sterilisiert. Bei den Untersuchungen wurde dann, wie erwartet Methyliodid abiotisch produziert, und nach Zugabe von Fe (III) stieg die Konzentration um das Zehnfache innerhalb von 30 Minuten. Ebenso bildete sich auch Methylenchlorid. Im Gegensatz zu Methyliodid und Methylenchlorid, entstanden Methylchlorid und Isopren nur biologisch. Sie wurden frühestens nach 24 Stunden, und auch nur in unsterilisierten Proben mit Meerwasser gebildet. Falls die, für die Produktion von Isopren in Frage kommenden Mikroorganismen den üblichen Bodenorganismen entsprechen, die man überall auf der Welt finden kann, könnte dieser Prozess ein Grund für das bisher nicht völlig geklärte Ansteigen von Isopren in der Atmosphäre in Regenzeiten sein. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Mineralstaub eine grosse Bedeutung für die Produktion und Emission von leichtflüchtigen halogenorganischen Verbindungen in der Atmosphäre hat, und es ergeben sich interessante Fragen für zukünftige Untersuchungen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schöler, Prof. Dr. Heinz Friedrich
Date of thesis defense: 26. July 2007
Date Deposited: 27. Sep 2007 12:47
Date: 2007
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords: Staub , Isopren , Methyliodid , Methylchlorid , SaharaDust , Isoprene , Methyl iodide , Methyl chloride , Sahara
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