title: Atmospheric Trace Gas Measurements Using Chemical Ionisation Time-of-Flight Mass Spectrometry
Creators: name: Li, Yun
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2021

description: Atmospheric trace gases whose concentrations range from parts per million by volume (ppt) to parts per quadrillion by volume (ppq) undergo complicated microphysical and chemical processes in the lower atmosphere and play a significant role in climate by indirectly affecting the global radiative feedback through particle formation processes. This work presents the first detailed validation and interpretation of nitric acid (HNO3), hydrogen cyanide (HCN) and some other relevant trace gases measured during the first two campaign deployments of the innovative Time-of-Flight Chemical Ionisation Mass Spectrometer FunMass. The two campaigns span science objectives as versatile as upper tropospheric and lower stratospheric processes above the Asian Monsoon region for the 2017 StratoClim campaign and the nighttime oxidation of isoprene for the 2018 NO3-Isoprene campaign. The Asian Summer Monsoon (ASM) is the dominant circulation system in boreal summer. During high monsoon season, air in the highly polluted Asian boundary is rapidly transported into the Upper Troposphere and Lower Stratosphere (UTLS) by strong convective activities, where it is horizontally retained in the Asian Monsoon Anticyclone (AMA).With the upwelling motion inside the upper part of the AMA, these air pollutants can enter the global stratosphere, potentially affecting the worldwide climate. During the StratoClim aircraft campaign from Kathmandu, Nepal, in July and August 2017, FunMass was deployed onboard the high-altitude research aircraft M55-Geophysica. On August 6 and 8 of the campaign, the first two successful high spatial and temporal resolution insitu measurements of gaseous HNO3 and HCN with high spatial and temporal resolution were carried out inside the AMA. The atmospheric concentrations of HNO3 and HCN were calibrated with reference to gravimetrically controlled permeation devices. HNO3 was further referred to ion-chromatographic analyses. The in-situ measurements show a good agreement with satellite observations, i.e. HNO3 from Aura-MLS and HCN from ACE-FTS. Tracer correlations have been studied with CO and O3 obtained by the airborne instruments COLD and FOZAN, respectively. The HCN observations show significant vertical and horizontal signatures within the AMA which have been analysed by backward trajectory analyses employing the Lagrangian models TRACZILLA and CLaMS. Some of the structures are consistent with the CO measurements indicating quite recent convective events while some segments show CO enhancements without obvious HCN features, which is attributed to different origin regions. Measurements in both flights point to the existence of a layer with enhanced HCN at ~ 365 K potential temperature level which probably is the main convective outflow layer. A filament of high HNO3 and O3 correlated with high HCN signatures between 420 – 437 K was observed uncorrelated with any convective activities. A mean Age of Air (AOA) analysis employing long forward modelling nearly perfectly explains the formation of the filament as isentropic mixing of older HCN rich air from middle or high latitude lower stratosphere with high HCN which was caused by an overall strong enhancement from peatland burning in winter 2015 – 2016. Given its good performance in measuring HNO3 in the UTLS, FunMass was coupled to the SAPHIR chamber to measure HNO3 with an improved concentric-DBD ion source while studying the nighttime oxidation of isoprene (C5H8), one of the most prominent and abundant Biogenic Volatile Organic Compounds (BVOCs), by NO3 radicals in the atmospheric simulation chamber SAPHIR in July and August 2018. This process is deemed to play a major role in Secondary Organic Aerosol (SOA) formation. An online calibration unit employing the established permeation device was connected to the inlet line. HNO3 formation from selected experiment days under very different conditions (with changes in isoprene, NO2, O3, humidity, photolysis, etc.) is discussed. The first detection of organic nitrates is reported herein employing mass peaks corresponding to the respective CO3 – -clusters, especially the Isoprene Nitrate Peroxide (INP) as the first-generation product from the oxidation of isoprene by NO3 radicals. FunMass showed a quite good response and signal-to-noise ratio for the INP measurements and also good to very good correlations with other parallel measurements, mainly by the Br– -CIMS and Vocus-PTR instruments. However, quite a strong variation in absolute responses on different measurement days were identified, which remains up-to-date unexplained. FunMass contributed excellent HNO3 measurements and has shown great potential for the measurement of highly oxidized SOA precursors like INP. Apart from the relevant atmospheric results presented herein, this thesis has shown that FunMass can perform as an extremely sensitive tool for the analysis of various atmospherically relevant processes under extreme conditions in the upper troposphere and lower stratosphere as well as for ground-based and chamber-based measurements.
description: Atmosphärische Spurengase, deren Konzentrationen von Teilen pro Million Volumenprozent (ppt) bis zu Teilen pro Billiarde Volumenprozent (ppq) reichen, durchlaufen in der unteren Atmosphäre komplizierte mikrophysikalische und chemische Prozesse und spielen eine bedeutende Rolle für das Klima, indem sie indirekt die globale Strahlungsrückkopplung durch Partikelbildungsprozesse beeinflussen. Diese Arbeit präsentiert die erste detaillierte Validierung und Interpretation von Salpetersäure (HNO3), Cyanwasserstoff (HCN) und einiger anderer relevanter Spurengase, die während der ersten beiden Kampagneneinsätze des innovativen Time-of-Flight Chemical Ionisation Mass Spectrometer FunMass gemessen wurden. Die beiden Kampagnen umfassen so unterschiedliche wissenschaftliche Ziele wie Prozesse in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre über der asiatischen Monsunregion für die StratoClim-Kampagne 2017 und die nächtliche Oxidation von Isopren für die NO3-Isoprene-Kampagne 2018. Der Asiatische Sommermonsun (ASM) ist das dominierende Zirkulationssystem im borealen Sommer. Während der Hochmonsunzeit wird die stark verschmutzte Luft in der asiatischen Randzone durch starke konvektive Aktivitäten schnell in die obere Troposphäre und untere Stratosphäre (UTLS) transportiert, wo sie horizontal im Asiatischen Monsun-Antizyklon (AMA) zurückgehalten wird.Durch die Auftriebsbewegung im oberen Teil des AMA können diese Luftschadstoffe in die globale Stratosphäre gelangen, und können so das weltweite Klima beeinflussen. Während der StratoClim-Flugzeugkampagne von Kathmandu, Nepal, im Juli und August 2017 wurde FunMass an Bord des Höhenforschungsflugzeugs M55-Geophysica eingesetzt. Am 6. und 8. August der Kampagne wurden die ersten beiden erfolgreichen Insitu-Messungen von gasförmigem HNO3 und HCN mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung innerhalb der AMA durchgeführt. Die atmosphärischen Konzentrationen von HNO3 und HCN wurden mit Bezug auf gravimetrisch gesteuerte Permeationsgeräte kalibriert. HNO3 wurde weiterhin auf ionenchromatographische Analysen bezogen. Die in-situ Messungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit Satellitenbeobachtungen, d.h. HNO3 von Aura-MLS und HCN von ACE-FTS. Tracer-Korrelationen wurden mit CO und O3 untersucht, die mit den luftgestützten Instrumenten COLD bzw. FOZAN gemessen wurden. Die HCN-Beobachtungen zeigen signifikante vertikale und horizontale Signaturen innerhalb der AMA, die durch Rückwärts-Trajektorienanalysen unter Verwendung der Lagrange-Modelle TRACZILLA und CLaMS analysiert wurden. Einige der Strukturen stimmen mit den CO-Messungen überein und deuten auf recht junge konvektive Ereignisse hin, während einige Segmente CO-Verstärkungen ohne offensichtliche HCN-Merkmale zeigen, was auf unterschiedliche Ursprungsregionen zurückgeführt wird. Messungen in beiden Flügen deuten auf die Existenz einer Schicht mit erhöhtem HCN bei ~ 365 K potentiellem Temperaturniveau hin, bei der es sich wahrscheinlich um die konvektive Hauptausflussschicht handelt. Ein Filament mit hohem HNO3 und O3 korreliert mit hohen HCN-Signaturen zwischen 420 - 437 K wurde beobachtet, das nicht mit konvektiven Aktivitäten korreliert. Eine Analyse des mittleren Alters der Luft (AOA) unter Verwendung von Long-Forward-Modellen erklärt die Bildung des Filaments nahezu perfekt als isentrope Vermischung älterer HCN-reicher Luft aus der unteren Stratosphäre mittlerer oder hoher Breitengrade, die durch eine insgesamt starke Anreicherung durch Torfverbrennung im Winter 2015 - 2016 verursacht wurde. Aufgrund seiner guten Leistung bei der Messung von HNO3 in der UTLS wurde FunMass an die SAPHIR-Kammer gekoppelt, um HNO3 mit einer verbesserten konzentrischen-DBD-Ionenquelle zu messen, während die nächtliche Oxidation von Isopren (C5H8), einer der prominentesten und häufigsten biogenen flüchtigen organischen Verbindungen (BVOCs), durch NO3-Radikale in der atmosphärischen Simulationskammer SAPHIR im Juli und August 2018 untersucht wurde. Es wird angenommen, dass dieser Prozess eine wichtige Rolle bei der Bildung von sekundären organischen Aerosolen (SOA) spielt. Eine Online-Kalibriereinheit mit dem etablierten Permeationsgerät wurde an die Einlassleitung angeschlossen. Die HNO3-Bildung von ausgewählten Versuchstagen unter sehr unterschiedlichen Bedingungen (mit Änderungen von Isopren, NO2, O3, Luftfeuchtigkeit, Photolyse usw.) wird diskutiert. Hier wird über den erstmaligen Nachweis von organischen Nitraten berichtet, wobei Massenpeaks, die den jeweiligen CO3 -Clustern, insbesondere dem Isopren-Nitrat-Peroxid (INP) als Produkt der ersten Generation aus der Oxidation von Isopren durch NO3-Radikale. FunMass zeigte ein recht gutes Ansprechverhalten und Signal-Rausch-Verhältnis für die INP-Messungen und auch gute bis sehr gute Korrelationen mit anderen parallelen Messungen, hauptsächlich durch die Br- -CIMS- und Vocus-PTR-Geräte. Allerdings wurde eine recht starke Variation der absoluten Ansprechwerte an verschiedenen Messtagen festgestellt, die aktuell unerklärt bleibt. FunMass lieferte exzellente HNO3-Messungen und zeigte großes Potenzial für die Messung von hoch oxidierten SOA-Vorläufern wie INP gezeigt. Neben den hier vorgestellten relevanten atmosphärischen Ergebnissen hat diese Arbeit gezeigt, dass FunMass als äußerst empfindliches Werkzeug für die Analyse verschiedener atmosphärisch relevanter Prozesse unter extremen Bedingungen in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre sowie für boden- und kammergestützte Messungen eingesetzt werden kann.