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Abstract

Volcanic plumes are known to contain reactive halogen species, especially bromine monoxide, which are known to efficiently catalyse ozone (O3) destruction. Therefore, local O3 depletion is expected inside volcanic plumes, which has been measured in several field studies and is also found in several modelling studies. Recently, in order to quantify O3 mixing ratios in volcanic plumes, mainly UV absorption monitors have been used as these have become the standard technique for ambient O3 monitoring. However, these instruments show a large positive interference with sulfur dioxide (SO2), which is difficult to correct. This poses a significant problem for volcanic measurements since SO2 mixing ratios can exceed O3 mixing ratios by factors of 1000 or more. This interference problem can be solved by using the 'antiquated' technique of chemiluminescence (CL) O3 monitors since these devices have been shown to exhibit no interference from trace gases contained in volcanic plumes - in particular SO2. In this thesis, a compact and mobile (backpack-size, 10kg) CL monitor is introduced and characterised. The results of O3 measurements in ambient air and inside the plume emanating from a fumarole at the summit of Mt. Etna volcano, Italy with the CL monitor are compared to those of a conventional UV absorption monitor. In this first field study inside a fumarole, no significant interference with volcanic SO2 concentrations for the CL monitor was observed. Additionally, a rough calculation to estimate the expected O3 depletion in volcanic plumes was made. Contrary to popular belief, this calculation suggests no significant reactive halogen catalysed O3 loss (i.e. ca. 1%) in volcanic plumes for typical bromine monoxide concentrations.

Translation of abstract (German)

Vulkanfahnen enthalten reaktive Halogenverbindungen, insbesondere Brommonoxid, welche den Abbau von Ozon (O3) katalysieren. Deshalb ist ein lokaler Abbau von O3 in Vulkanfahnen zu erwarten. Dieser wurde in mehreren Feldmessungen und auch in Modellstudien nachgewiesen. In den letzten Jahren wurden hauptsächlich Ultraviolett (UV) Absorption Ozon Monitore verwendet um O3 in Vulkanfahnen zu messen. Diese Geräte werden standardmäßig in der Untersuchung der Umgebungsluft verwendet, zeigen aber eine signifikante Interferenz mit Schwefeldioxid (SO2), welche nur schwer zu korrigieren ist. Das stellt ein Problem für Messungen in Vulkanfahnen dar, da dort SO2 Mischungsverhältnisse diese von O3 um den Faktor 1000 oder mehr übersteigen können. In dieser Arbeit wird ein mobiler (Rucksackgroßer, 10kg) Chemolumineszenz (CL) Ozon Monitor vorgestellt und charakterisiert. Die Wahl fiel auf ein CL Gerät, da gezeigt wurde, dass diese keine Interferenz mit Spurengasen aus Vulkanfahnen aufweisen. Die Ergebnisse der O3 Messungen mit dem CL Monitor in Umgebungsluft und in einer Fumarole am Krater des Ätnas, Italien, werden mit denen eines UV-Absorption Monitors verglichen. Diese erste Feldmessung in der Fahne einer Fumarole zeigt tatsächlich keine Interferenz des CL Monitors mit vulkanischen Spurengasen. Zusätzlich wird eine Überschlagsrechnung vorgestellt, die den O3 Abbau in der Fahne abschätzt. Diese Rechnung zeigt, entgegen der allgemeinen Meinung, dass für typische Brommonoxid Konzentrationen kein signifikanter, durch reaktive Halogenverbindungen katalysierter O3 Abbau (ca. 1%) zu erwarten ist.