Tropospheric Chemistry
Our group is concentrated on researching the role and concentration distribution of free radicals in the troposphere. This is accomplished with the Differentielle Optische Absorptionsspektroskopie (DOAS).
Free radicals are key components in the atmosphere:
- They lead to the distruction of most pollutants that enter the atmosphere by natural or anthropogenic processes.
- Free radicals control most chemical processes, e.g. the creation of ozone in the troposphere.
- Free Radicals can create 'chain reactions'.
What are free radicals?
Traditionally, there are two definitions:
- Radicals are group of atoms that contain one or more unpaired electrons. >This definition is clearly based in physics, but also includes molecules that are not regarded as particularly reactive, e.g. O2, NO or NO2.
- Radikals are (short-lived) groups of atoms that play the roles of elements and which can (just like the elements) join with elements themelves and with each other. This definition (originated in the works of Justus von Liebig) is more diffuse in its physical significance, but corresponds better to the common use of the term.
Among others, this group of substances includes the radicals OH, HO2, as well as the 'stable' molecules H2O2 (Wasserstoffperoxyd) and CH3OOH (Methylhydroperoxid). These molecules are the main components (together with ozone, NO3 radicals and halogen radicals) that determine the 'oxidation capacity' of the atmosphere. The role of free radicals in the atmosphere is strongly controlled by photochemistry.
In the atmosphere there are a multitude of important free radicals:
- The hydroxyl radical OH
- The hydro-peroxy radical HO2
- Organic peroxy radicals such as CH3O2, ....
- The nitrate radical NO3
- Halogen and halogenoxid radicals (Cl, Br, I, ClO, BrO, IO, OIO, ...)
OH– and Peroxy Radicals in the Troposphere
Die Hydroxylradikale sind das wichtigste freie Radikal in der Atmosphäre, sie entstehen photochemisch aus Ozon. Der Abbau der meisten (aber nicht aller) oxidierbaren Spurenstoffe in der Atmosphäre wird durch Reaktion mit OH - Radikalen eingeleitet (vergl. [Platt 1999, Platt et al. 2003]). Die OH - Radikale werden daher auch gelegentlich als das "Waschmittel" der Atmosphäre bezeichnet. Folgeprodukte der Reaktion von OH Radikalen mit Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffen sind Hydro-Peroxy Radikale oder organische Peroxy Radikale. Diese Reaktionszyklen produzieren als "Nebenprodukt" Ozon in der Troposphäre.
O3– Radikale in der Troposphäre
Nitratradikale entstehen durch Oxidation von Stickstoffdioxid, auch ohne Sonneneinstrahlung. NO3–Radikale spielen eine wichtige Rolle bei der Reinigung der Atmosphäre in der lichtarmen Jahreszeit und in der Umwandlung von Stickoxiden in Salpetersäure.
Halogen- Radikale in der Troposphäre
Anorganische Halogenverbindungen und Halogenatome sind aus mehreren Gründen interessant. Erstens sind Halogenatome und Halogenoxidradikale starke Oxidationsmittel, die wesentlich zur "Oxidationskapazität" der Atmosphäre beitragen können. Zum Beispiel reagieren Chloratome mit Kohlenwasserstoffen etwa 10 mal so schnell wie OH-Radikale. Andererseits können Halogenoxide, wie erst kürzlich nachgewiesen wurde, in der Troposphäre Ozon abbauen und damit die Oxidationskapazität stark vermindern.
Auch können Bromoxid-Radikale (BrO) eine Rolle beim Abbau von organischen Verbindungen, insbesondere von DMS, spielen. Zudem spielen Halogenoxidradikale, insbesondere BrO, eine Schlüsselrolle im Abbau von bodennahem Ozon in Polgebieten [Hausmann und Platt 1994, Platt und Lehrer 1995, Barrie und Platt 1998] – dem Polaren Troposphärischen Ozonloch.
Ein weiteres interessantes Thema ist die autokatalytische Freisetzung von reaktiven Bromverbindungen (BrO, Br) aus Seesalz-Bromid, die sogenannte "Bromexplosion".
Die Forschungsschwerpunkte der "Troposphärengruppe":
- Untersuchung der Freisetzung von Halogenradikalen aus Salzablagerungen (Salzseen und Meereis)
- Freisetzung und Einfluss von Halogenradikalen aus leichtflüchtigen halogenierten Kohlenwasserstoffen in der marinen Grenzschicht
- Untersuchung der Bromexplosion und anderer chemischer Instabilitäten in der Atmosphäre.
- Emissionen von Radikalen aus Vulkanen
- Produktion von OH–Radikalen aus Salpetriger Säure und deren Entstehungsmechanismen
- Weiterentwicklung der DOAS und MAX-DOAS Technologie
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Previous Theses:
2023
- Schöne, Moritz:
Tropospheric BrO plumes in Arctic spring – A comparison of TROPOMI satellite observations and model results
2022
2021
- Tirpitz, Jan-Lukas:
Enhancing MAX-DOAS atmospheric remote sensing by multispectral polarimetry
2020
- Dinger, Anna Solveig:
Quantitative imaging of turbulent tracer dispersion in the atmospheric boundary layer with a tomographic setup of SO2 cameras
2019
- Nasse, Jan-Markus:
Halogens in the coastal boundary layer of Antarctica
2018
- Kleinschmitt, Christoph:
Climate Engineering with Stratospheric Sulphate Aerosol: Development and Application of a Global Atmosphere-Aerosol Model for Studying Potential Efficacy and Impacts
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