Aircraft-borne spectroscopic limb measurements of trace gases absorbing in the UV-A spectral range [Elektronische Ressource] : investigations of bromine monoxide in the Arctic troposphere / put forward by Cristina Prados-Román

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 10
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 12 Mo

Extrait

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
M.Sc. - Physics: Cristina Prados-Rom´an
Born in: Madrid, Spain
Oral examination: 9.12.2010Aircraft-borne spectroscopic limb measurements of
trace gases absorbing in the UV-A spectral range.
Investigations of
bromine monoxide in the Arctic troposphere.
Referees: Prof. Dr. Klaus Pfeilsticker
Prof. Dr. Ulrich PlattAircraft-borne spectroscopic limb measurements of trace gases absorbing in
the UV-A spectral range. Investigations of bromine monoxide in the Arctic
troposphere.
Reactive halogen species (i.e., RHS=X, XO, X , XY, OXO, HOX, XONO , XNO , with2 2 2
X,Y being I, Br and Cl) are known to be key compounds for the oxidation capacity of the
troposphere, affecting the lifetime of relevant species such as O , HO , NO , hydrocarbons,3 x x
dimethylsulfide and gaseous elementary mercury. Furthermore, recent observations link iodine
species to the formation of new aerosol particles. This work aims at the characterization of the
abundance of BrO in the Arctic troposphere during the spring season, when the auto-catalytic
release of bromine species from sea ice related halides is known to cause tropospheric Ozone
Depletion Events (ODEs).
A novel limb scanning mini-DOAS spectrometer for the detection of UV/vis absorbing radicals
(e.g., O , BrO, IO) was deployed on the DLR-Falcon (Deutsches Zentrum fu¨r Luft- und3
oRaumfahrt) aircraft and tested during a field campaign that took place at Svalbard (78 N) in
spring 2007. Herein, a new algorithm for inferring concentration vertical profiles of tropospheric
trace gases from aircraft-borne DOAS limb observations is presented, characterized and
validated through the profile retrieval of the UV-A absorber O . The method is then applied4
for retrieving tropospheric vertical profiles of BrO during the polar campaign.
For deployments during ODEs, the retrieved BrO vertical profiles consistently indicate high
BrO mixing ratios (∼ 15 pptv) within the boundary layer, low BrO mixing ratios (≤ 1.5 pptv)
in the free troposphere, occasionally enhanced BrO mixing ratios in the upper troposphere
(∼ 1.5 pptv), and increasing BrO mixing ratios with altitude in the lowermost stratosphere.
These findings are well in agreement with satellite and balloon-borne soundings of total and
partial BrO atmospheric column densities. Moreover, the capabilities of the aircraft-borne
measurements are further exploited by analyzing the sources, photochemistry and transport
processes of BrO in the boundary layer above the sea ice.
Flugzeuggestu¨tzte Streulicht-Spektroskopie von UV-A absorbierenden
Spurengasen. Erforschung von Brommonoxid in der arktischen Troposph¨are.
Reaktive Halogenverbindungen (RHS=X, XO, X , XY, OXO, HOX, XONO , XNO , mit2 2 2
X,Y entweder I, Br oder Cl) haben eine Schlu¨sselfunktion fu¨r die Oxidationskapazit¨at der
Troposph¨are, insbesondere indem sie die Lebensdauer wichtiger Schadstoffe wie O , HO , NO ,3 x x
Kohlenwasserstoffe, Dimethylsulfid and gasf¨ormiges, elementares Quecksilber beeinflussen. Des
weiteren,weisenneuereBeobachtungenaufeinewichtigeRollevonIodverbindungenbeiderBil-
dungvonAerosolpartikelnhin.ZieldieserArbeitistes,dieVerteilungvonBrOinderarktischen
Troposph¨are zu charakterisieren, wenn im Fru¨hling Bromverbindungen auto-katalytisch aus
Haliden u¨ber dem Meereis freigesetzt werden und es dadurch zu troposph¨arischem Ozonabbau
(Ozone Depletion Events - ODEs) kommt.
Ein neuartiger mini-DOAS Spektrometer wurde auf dem Falcon-Flugzeug des DLR (Deutsches
Zentrum fu¨r Luft- und Raumfahrt) eingesetzt und w¨ahrend einer Messkampagne bei Svalbard
o(78 N) im Fru¨hling 2007 getestet. Der Spektrometer ist auf den Nachweis von Radikalen
ausgelegt, die im UV und sichtbaren Spektralbereich absorbieren, und kann Streulicht-
beobachtungen in verschiedenen Sichtgeometrien durchfu¨hren. In dieser Arbeit wird ein neuer4
Algorithmus zur Bestimmung von vertikalen Konzentrationsprofilen troposph¨arischer Spuren-
gase aus flugzeuggestu¨tzte DOAS Streulichtbeobachtungen vorgeschlagen, charakterisiert und
mittels der Profilbestimmung von O validiert. Anschließend wird die Methode zur Auswertung4
troposph¨arischer BrO-Profile w¨ahrend der Kampagne am Pol verwendet.
Bei Auftreten von ODEs, weisen die BrO Vertikalprofile durchgehend hohe BrO Konzen-
trationen (∼ 15 pptv) in der planetaren Grenzschicht, niedrige BrO Konzentrationen (≤
1.5 pptv) in der freien Troposph¨are, gelegentlich erh¨ohte BrO Konzentrationen in der
oberen Troposph¨are (∼ 1.5 pptv) sowie mit der H¨ohe ansteigende BrO Konzentrationen
in der unteren Stratosph¨are auf. Diese Befunde werden von Satelliten- und Ballonmessun-
gen der BrO Gesamt- and Teils¨aulendichte best¨atigt. Weiterhin werden die M¨oglichkeiten
der flugzeuggestu¨tzten Messungen zur Erforschung von Brom-Quellen sowie der relevanten
PhotochemieundTransportprozesseu¨berdemMeereisinderplanetarenGrenzschichterkundet.Contents
1 Introduction 1
2 Physics of radiation and molecular absorption 5
2.1 Interaction of electromagnetic radiation with matter . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Solar radiation and the Earth-atmosphere system . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Radiative transfer in the Earth’s atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1 Scattering of light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 Absorption and emission of light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.3 Radiative transfer equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Atmospheric structure and dynamics 21
3.1 Vertical structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Atmospheric circulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1 Tropospheric circulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2 Stratospheric circulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.3 Stability and vertical transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 Atmospheric chemistry 35
4.1 Ozone photochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Hydrogen oxide radicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3 Nitrogen oxide radicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4 Halogen oxide radicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4.1 Reactive halogen species in the troposphere . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.2 Reactive halogen species in the stratosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5 Aerosol particles and heterogeneous chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5 The Arctic environment 71
5.1 Defining the Arctic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.1.1 Geographical extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.1.2 The Arctic Ocean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.3 Sea ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.4 Particles and pollution in the Arctic atmosphere . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2 Halogen species in the Arctic atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.1 Polar Stratospheric Clouds and the Ozone Hole . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.2 Bromine explosion and Ozone Depletion Events . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3 Arctic and Climate Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
iii CONTENTS
6 Remote sensing of the atmosphere 97
6.1 Basics of the optical absorption spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2 Differential Optical Absorption Spectroscopy in the UV/vis . . . . . . . . . . . . 99
6.2.1 The DOAS principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2.2 Experimental DOAS measurements setups . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3 Radiative transfer modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7 Aircraft deployment of the mini-DOAS instrument 115
7.1 Description of the mini-DOAS instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.2 Deployment on the DLR-Falcon aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.3 Aircraft-borne limb DOAS measurements in the Arctic . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.3.1 The ASTAR 2007 campaign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.3.2 The GRACE 2008 campaign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8 Retrieval of tropospheric trace gas abundances 129
8.1 Spectral retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.1.1 BrO spectral retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.1.2 OClO spectral retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.1.3 O spectral retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1384
8.2 Tropospheric vertical profile retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.2.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . .