German Title: Konstruktion eines miniaturisierten Chemilumineszenz-Ozonmessgeräts für drohnenbasierte Messungen in Vulkanfahnen: Ein Weg zur Lösung des vulkanischen Ozon-Rätsels

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Abstract

Volcanic plumes contain reactive halogen species, especially bromine monoxide (BrO), which catalyzes ozone (O3) destruction. Therefore, local O3 depletion is commonly assumed inside volcanic plumes and has also been measured to varying degrees at different volcanoes. However, a calculation comparing atmospheric mixing with the rate of O3 destruction inside the plume suggests no significant reactive halogen catalyzed O3 loss (1% or less) in the plume. So far, O3 and its distribution in volcanic plumes have only been insufficiently determined since commonly used ultraviolet (UV) absorption O3 monitors show interference with sulfur dioxide (SO2), an abundant volcanic gas. This issue can be overcome by using a chemiluminescence (CL) O3 monitor, which has no known interference from trace gases abundant in volcanic plumes. However, field measurements with former CL O3 monitors are challenging, as they are heavy and bulky. Here we report on a lightweight version of the instrument (1.5 kg, shoebox size), which can be mounted onto a drone. In particular, the design, construction, and characterization are presented in this thesis. Measurements in the field were performed, including ambient measurements in Heidelberg and drone measurements during which a vertical O3 profile was measured. The main focus of the measurements is the drone-based O3 measurements in the plume of Etna. With the simultaneous SO2 measurement, an anti-correlation in the data can be observed, suggesting an O3 depletion of up to ~60% in the volcanic plume of Etna. This raises the question of which process leads to this observed O3 depletion.

Translation of abstract (German)

Vulkanfahnen enthalten reaktive Halogenspezies, insbesondere Brommonoxid (BrO), das den Abbau von Ozon (O3) katalysiert. Daher wird eine lokale O3-Abnahme in Vulkanfahnen häufig angenommen und wurde auch in unterschiedlichem Ausmaß an verschiedenen Vulkanen gemessen. Eine Berechnung, die die atmosphärische Durchmischung mit der Geschwindigkeit des O3-Abbaus in der Fahne vergleicht, deutet jedoch darauf hin, dass es keine signifikante O3-Abnahme (~1%) durch reaktives Brom in der Fahne gibt. Bisher wurde O3 in Vulkanfahnen nur unzureichend bestimmt, da üblicherweise verwendete Ultraviolett (UV) Absorptions-O3-Messgeräte Interferenzen mit Schwefeldioxid (SO2), einem häufigen vorhandenem vulkanischen Gas, zeigen. Dieses Problem kann durch die Verwendung eines Chemilumineszenz (CL) O3-Messgeräts, das keine bekannten Interferenzen mit Spurengasen aus Vulkanfahnen aufweist, überwunden werden. Allerdings sind Feldmessungen mit früheren CL O3-Messgeräten herausfordernd, da sie schwer und sperrig sind. Hier berichten wir über eine leichte Version eines solchen Instruments (1,5 kg, Schuhkartongröße), die auf eine handelsübliche Drohne montiert werden kann. Insbesondere werden Design, Konstruktion und Charakterisierung des CL O3-Messgeräts in dieser Arbeit vorgestellt. Messungen im Feld wurden durchgeführt, einschließlich Umgebungsmessungen in Heidelberg und Drohnenmessungen, bei denen ein vertikales O3-Profil gemessen wurde. Hauptfokus der Feldstudien sind die drohnenbasierten O3-Messungen in der Vulkanfahne des Ätna. Mit den gleichzeitigen SO2 Messungen ist eine Antikorrelation sichtbar. Es wurde eine O3-Abnahme von bis zu ~60% in der Vulkanfahne des Ätna bestimmt. Dies wirft die Frage auf, welcher Prozess zu dieser nun eindeutig beobachteten O3-Abnahme führt.