TY - THES A1 - Koch, Bernhard T1 - Atmospheric traces monitoring using cavity ringdown spectroscopy N2 - Cavity Ringdown laser Spectroscopy has been applied to develop a novel in-situ monitoring device for atmospheric trace gases. The study has been dedicated to the detection of NO2 and HONO compounds which play an important role in atmospheric chemistry. The system, based on a Nd-YAG pumped UV-VIS OPO laser, has performed field experiments under harsh conditions showing high reliability and a detection limit in the 500 ppt range. Longer term measurements performed from the laboratory of the institute for air chemistry (BTU Cottbus) in Berlin-Adlershof in autumn and winter 2001/2002 showed very good coincidence with the results of the Berliner Luftgüte Meßnetz (BLUME). Present limitations in the performance have been elucidated putting in to evidence the effect of the aerosol content of the atmosphere. On the other hand, the possibility of quantitative aerosol analysis could be demonstrated. N2 - Unter Anwendung der Cavity Ringdown Laserspektroskopie wurde ein neuartiges Verfahren zur in-situ Messung atmosphärischer Spurengase entwickelt. Hierbei konzentrierte sich die Arbeit auf den Nachweis von NO2 und HONO, Verbindungen die in der Chemie der Atmosphäre eine entscheidende Rolle spielen. Das System, dessen Kernstück ein mittels eines Nd-YAG gepumpter UV-VIS OPO-Laser bildet, zeigte selbst auf Feldmesskampagnen unter widrigen Verhältnissen eine hohe Zuverlässigkeit und lieferte Nachweisgrenzen im 500 ppt Bereich. Darüber hinaus wurden vom Institutsgebäude der AG Luftchemie (BTU Cottbus) in Berlin-Adlershof aus im Herbst und Winter 2001/2002 Langzeitmessungen durchgeführt die eine sehr gute Übereinstimmung mit den Werten des Berliner Luftgüte Meßnetzes (BLUME) zeigten. Es konnten die derzeitigen Grenzen der Möglichkeiten des Versuchsaufbaus aufgezeigt und teilweise auf den Aerosolgehalt der Atmosphäre zurückgeführt werden. Auf der anderen Seite bietet das Experiment die Möglichkeit zur Analyse und Quantifizierung von Aerosolen. KW - Atmosphäre KW - Spurengas KW - Stickstoffoxide KW - Cavity-Ring-Down-Spektroskopie KW - In situ KW - Cavity ringdown spectroscopy KW - CROS KW - Optical parametric oscillator KW - OPO KW - Nitrogen dioxide Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000363 ER - TY - THES A1 - Sehili, Aissa Mounir T1 - Coupling between complex multiphase chemistry and detailed microphysics in a size resolved cloud model N2 - The target of the present work was to develop, implement and test a coupling strategy between a complex multiphase chemistry and a size resolved microphysics in order to accurately simulate the multiphase processes taking place in a cloud. The coupling scheme provides time-interpolated meteorological variables and time-averaged mass fluxes over a defined coupling time interval for chemistry. The resulting ODEs are large, non-linear and extremely stiff. Implicit time integration schemes based on the BDF and on the second order Rosenbrock methods associated with direct sparse solvers were used to solve the resulting systems. The coupled model SPACCIM (Spectral Aerosol Cloud Chemistry Model) was evaluated for various case studies. Comparison with measured values from a field experiment showed a good agreement and proofed that the coupling strategy is robust and reliable. Moreover, the model is capable to handle different microphysical approaches and to deal with different reacting mechanisms under various types of dynamics with high flexibility. N2 - Die vorliegende Arbeit zeigt auf, wie die in Wolken ablaufenden chemischen und mikrophysikalischen Prozesse adäquater simuliert werden können. Dazu wird eine Kopplungsstrategie zwischen einer komplexen Multiphasen-Chemie und einer detaillierten Mikrophysik entwickelt, implementiert und getestet. Die Kopplung liefert zeitinterpolierte meteorologische Variablen und zeitgemittelte Masse-Flüsse über ein Kopplungszeitintervall für die Chemie. Die daraus resultierenden zahlreichen ODEs sind nicht-linear und extrem steif. Die impliziten Zeitintegrationsverfahren basieren auf BDF und Rosenbrock zweiter Ordnung, die mit direct sparse solvers assoziierte sind. Das gekoppelte Modell SPACCIM (Spectral Aerosol Cloud Chemistry Model) wurde in verschiedenen Fallstudien evaluiert. Der Vergleich mit gemessenen Werten aus einem Feldexperiment hat gute Übereinstimmungen gezeigt und damit bewiesen, dass die Kopplung robust und zuverlässig ist. Darüber hinaus ermöglicht das Modell die Verwendung verschiedener mikrophysikalischer Herangehensweisen, Reaktionsmechanismen und dynamischer Bedingungen mit hoher Flexibilität. KW - Atmosphäre / Chemie KW - Atmosphäre KW - Physik Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000938 ER - TY - THES A1 - Rusumdar, Ahahmad Jhony T1 - Treatment of non-ideality in the multiphase model SPACCIM and investigation of its influence on tropospheric aqueous phase chemistry T1 - Behandlung von nicht-idealen Lösungen im Mehrphasenmodell SPACCIM und Untersuchungen von deren Einfluss auf die troposphärische Flüssigphasenchemie N2 - The troposphere is a complex multiphase and multicomponent environment with simultaneously occurring gas and aqueous phase as well as heterogeneous chemical transformations, which can potentially alter the physico-chemical composition of aerosols. In this multicomponent system, phase transfer processes take place, which can influence the particle and droplet formation as well as particle growth. In the modeling of such multiphase processes it is necessary to consider non-ideal conditions in deliquescent particles. Such, highly concentrated solutions are typical when small amounts of water available in aqueous aerosol particles. The behavior of this non-ideal mixed solvent-electrolyte solutions including inorganic and organic chemistry is not yet described satisfyingly in existing multiphase models. In light of this, a modeling framework has been developed in the context of multiphase air parcel model to treat the kinetic description of phase transfer processes considering complex multiphase chemistry and an extended description of non-ideal solutions for the aqueous phase chemistry by means of activity coefficient models. Activity coefficient models, such as AIOMFAC, mod. LIFAC and Pitzer-ion interaction models were implemented in this work. The current available activity coefficient models developed for electrolyte-organic-water mixtures are evaluated in the first part of the thesis. For that, the model investigations cover a scale, ranging from very simple to complex simulations. The implemented module can use different combinations of mixing rules and activity coefficient models flexibly. In the second part of the thesis, the extended activity coefficient model was implemented in the parcel model framework SPACCIM, in order to investigate the influence of treatment of non-ideality on multiphase chemistry. The effect of considering non-ideal solutions was studied for two different aerosol types (remote, urban) regarding complex multiphase chemistry. The advanced model simulations have shown under which circumstances it is important to consider non-ideal solutions and how they will affect the simulated particle/droplet growth and chemical transformations. The modeled activity coefficients and their pattern, which decides the multiphase chemical transformations, were investigated for inorganic and organic systems. The present results have shown that, the inclusion of the treatment of non-ideality can substantially extend our ability to model complex multiphase chemistry especially in the particle phase. N2 - Die Troposphäre ist ein komplexes Multiphasen- und Mehrkomponentensystem, in dem gleichzeitig chemische Gas- und Flüssigphasenprozesse sowie heterogene chemische Transformationen ablaufen, welche die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Aerosolen verändern können. In diesem Mehrkomponentensystem finden Phasentransferprozesse statt, welche die Partikel- und Wolkentropfenbildung sowie das Partikelwachstum beeinflussen können. Um diese Multiphasenprozesse zu modellieren ist es notwendig nicht-ideale Bedingungen zu berücksichtigen. Für feuchte Partikel, in denen nur geringe Mengen an Wasser zur Verfügung stehen, sind hoch-konzentrierte Lösungen typisch. Die Beschreibung des Verhaltens dieser nicht-idealen Lösungen, welche sich aus einer Mixtur von Lösungsmittel und Elektrolyten zusammensetzen, gemeinsam mit einer Behandlung der anorganischen und organischen Chemie ist derzeit in existierenden Multiphasenmodellen nicht zufriedenstellend. Deshalb wurde hierfür in dieser Arbeit ein Modellansatz entwickelt und im bereits verfügbaren Multiphasenluftpaketmodell SPACCIM implementiert. Das erweiterte Modellsystem enthält neben einer kinetischen Behandlung der Phasentransferprozesse und der komplexen Multiphasenchemie auch eine Beschreibung nicht-idealer Lösungen, welche durch ein Aktivitätskoeffizientenmodul realisiert wird. Hierzu sind im ersten Teil der Arbeit unterschiedliche derzeit verfügbare Aktivitätskoeffizientenmodelle (z. B. AIOMFAC, mod. LIFAC sowie Pitzer-Ionen-Interaktionsmodelle), die für gemischte Elektrolyte-Organik-Wasser Mischungen entwickelt wurden, getestet und evaluiert worden. Dabei wurden sowohl sehr simple als auch komplexe Systeme untersucht. Das implementierte Modul kann verschiedene Kombinationen von Mischungsregeln und Aktivitätskoeffizientenmodellen flexibel nutzen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde das erweiterte Aktivitätskoeffizientenmodul in das Boxmodell SPACCIM implementiert, um den Einfluss der nicht-Idealität auf die Multiphasenchemie zu untersuchen. Der Effekt der nicht-idealen Lösungen, in Bezug auf komplexe Multiphasenchemie, wurde für zwei verschiedene Umweltszenarien (remote, urban) analysiert. Simulationen mit dem erweiterten Modelsystem haben gezeigt unter welchen Bedingungen Effekte von nicht-idealen Lösungen zu berücksichtigen sind und wie sie das modellierte Partikel-/Wolkentropfenwachstum sowie chemische Transformationen beeinflussen können. Die modellierten Aktivitätskoeffizienten und ihre Verläufe, welche mit über die chemischen Transformationen entscheiden, wurden für anorganische und organische Subsysteme untersucht. Die bisherigen Resultate haben gezeigt, dass die sachgerechte Behandlung von nicht-idealen Lösungen eine verbesserte Modellierung der komplexen Multiphasenchemie in der Partikelphase ermöglicht. KW - Wolke KW - Aerosol KW - Phasenumwandlung KW - Modellierung KW - Multiphasenmodellierung KW - Aerosol-Wolken-Wechselwirkung KW - Phasentransfer KW - Nicht-ideale Lösungen KW - Aktivitätskoeffizienten KW - Multiphase modeling KW - Aerosol-cloud-interactions KW - Phase transfer KW - Non-ideal solutions KW - Activity coefficients Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-28190 ER -