Modeling halogen chemistry during ozone depletion events in polar spring [Elektronische Ressource] : a model study / Matthias Piot

Matthias Piot <Http://Www.Iup.Uni-Heidelberg.De/Institut/Forschung/Groups/Atmosphere/Modell/Piot>

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2008
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Modeling Halogen Chemistry
during Ozone Depletion Events in Polar Spring:
A Model Study
November 26, 20072Dissertation
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
presented by
Diplˆome d’Etudes Approfondies: Matthias Piot
born in: Paris
Oral examination: Heidelberg, 28.11.20072Modeling Halogen Chemistry
during Ozone Depletion Events in Polar Spring:
A Model Study
Referees: Prof. Dr. Ulrich Platt
Dr. Roland von GlasowZusammenfassung
Die vorliegende Doktorarbeit paser ntiert die Ergebnisse von box und eindimensionalen Model-
len der Halogenchemie w ahrend Ozonabbauvorangeng in der polaren Grenzschicht. Dieser tro-
posph arische Ozonabbau tritt regelm a ig im Fruh jahr in der polaren Grenzschicht der Arktis
und Antarktis ein und dauert zwischen einigen Stunden und mehreren Tagen an. Katalytische
Zyklen, welche reaktive Halogene mit sich bringen, sind fur den schnellen Ozonabbau verant-
wortlich. Hauptziel dieser Modellstudien ist es, zu erforschen, wie die Chemie das Eintreten dieses
Ozonabbaus beein usst. Die Bedeutung von HCHO, H O , DMS, Cl , C H , C H , HONO, NO2 2 2 2 4 2 6 2
und RONO wurde untersucht. Anschlie end wurde die potentielle Tragweite von “Frostblumen”,2
Prozessen im Schnee und Eiso n ungen hinsichtlich dieses chemischen Abbaus ermittelt. Weiterhin
wurde die Bedeutung von Kalziumkarbonatablagerungen durch Salzwasser, der Ein u von Arctic
Haze, und die potentielle direkte Freigabe von Brom durch Frostblumen erforscht. Abschlie end
wird in dieser Arbeit die Iodchemie der Antarktis untersucht, sowie die Wahrscheinlichkeit der
verschiedenen potentiellen Iod-Quellen ausgewertet. Es wurde herausgefunden, dass ein starker
Fluss von I erforderlich ist, um beobachtete IO und OIO Mischungsverh altnisse herbeizufuhren.2
Short Summary
Thisthesispresentsboxandone-dimensionalmodelresultsofthehalogenchemistryduringspring-
time Ozone Depletion Events in the polar boundary layer. These tropospheric ozone depletions
occur regularly in spring, both in the Arctic and Antarctic and last from several hours to several
days. Catalytic cycles involving reactive halogens are responsible for the rapid ozone depletion.
The main intention of these model studies was to investigate, rst, the chemistry in uencing the
occurrence of these ozone depletions, namely, the role of HCHO, H O , DMS, Cl , C H , C H ,2 2 2 2 4 2 6
HONO, NO , and RONO . Second, the potential importance of frost owers, recycling on snow,2 2
and open leads for these depletions was investigated. The importance of calcium carbonate pre-
cipitation out of the brine, the in uence of an “Arctic Haze” event and the potential direct release
of bromine from frost owers were also investigated. Third, the iodine chemistry in the Antarctic
was investigated, and the likelihood of the di erent potential sources of iodine was evaluated. A
strong uxofmoleculariodine,prescribedfromthesurface,wasfoundnecessarytoinduceobserved
mixing ratios of IO and OIO in the gas phase.
Resume
Cette these contient des resultats de modeles de type boite et unidimensionnel sur la chimie des
halogenes durant les periodes de destruction d’ozone au printemps dans la couche limite polaire.
Ces evenements apparaissent regulierement au printemps en Arctique et Antarctique. Les cycles
catalytiques produisant les halogenes reactifs sont responsables de cette destruction d’ozone.
Premierement, les dierentes chimies a ectant l’apparition de ces destructions d’ozone ont ete
examinees grˆace a ces etudes de modele. Le rˆole de HCHO, H O , DMS, Cl , C H , C H ,2 2 2 2 4 2 6
HONO, NO et RONO a ete examine. Puis, l’importance potentielle des “Fleurs de glace”, du2 2
recyclage sur la neige et des ouvertures de glace sur ces destructions chimiques ont ete etudiees.
L’importance de la precipitation du carbonate de calcium dans les saumures sursalees, l’in uence
d’un evenement de pollution en Arctique (Arctic haze) et le roleˆ potentiel d’emissions directes de
brome apartirdes Fleursdeglaceontaussieteexamines. En n, ilestmontre danscettetheseque
seule une importante production d’iode (tres probablement provenant de la neige) peut expliquer
les concentrations de IO et OIO en phase gazeuse observees en Antarctique.Contents
1 Introduction 1
1.1 Foreword and outline of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Ozone on Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Ozone in the troposphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 in the polar troposphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 History of Ozone Depletion Events (ODEs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 The ozone depletion process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.1 The ozone chemistry in polar regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.2 Bromine explosion mechanism and its trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5 Other chemical reaction cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.1 HCHO and HO chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22x
1.5.2 DMS chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.3 Chlorine chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.4 C H chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 4
1.5.5 C H che . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 6
1.5.6 NO chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25x
1.5.7 Iodine chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.6 Tropospheric halogens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6.1 Tropospheric bromine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.6.2 Tropospheric chlorine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.6.3 Tropospheric iodine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.6.4 Tropospheric uorine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.7 Sources of halogens in the Polar Boundary Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.8 Polar boundary layer and temperature inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.9 Open leads and polynyas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.10 Brine and frost ower formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.11 Ion segregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.12 Motivation for model studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2 Model description 51
2.1 The model MISTRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.1.1 Application to Arctic conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2 Characteristics of MISTRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.1 Model resolution and integration time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.2 Meteorology, microphysics and thermodynamics. . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.3 Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2.4 Emission and deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.5 Photolysis frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3 Model initialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3.1 Setup for box model runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
i0 CONTENTS
2.3.2 Setup for Arctic model runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.3.3 Setup for Antarctic model runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.3.4 Frost owers and open leads in 1D runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.3.5 Control tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3 Chemistry in uencing the occurrence of ODEs 75
3.1 Discussion of the sensitivity studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.1.2 Details of base runs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.1.3 HCHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.1.4 H O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812 2
3.1.5 DMS and DMSO “counter-cycle” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.1.6 Cl and “chlorine counter-cycle” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 832
3.1.7 C H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 872 4
3.1.8 C H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912 6
3.1.9 HONO, NO , and RONO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912 2
3.2 Discussion of deposited bromine on snow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.3 Summary and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4 The role of FF, OL and recycling on snow for ODE 99
4.0.1 Model sensitivity studies . .