Marines Aerosol und seine chemische Prozessierung hat einen beträchtlichen Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde und damit auf das Klima. Eine besondere Rolle in marinen Umgebungen nehmen Halogenspezies (chlor-, brom- und jodhaltige Verbindungen) ein. In den vom Ozean emittierten Seesalz-Partikeln werden Chlorid und Bromid zu reaktiven Halogenspezies umgewandelt und können in die Gasphase übergehen. Eine zusätzliche Quelle stellt die direkte Emission halogenierter Alkane aus dem Ozean oder, in Küstengebieten, durch während der Ebbe freiliegender Algen dar. Deren anschließende Photolyse oder Oxidation durch troposphärische Radikale wie OH und NO₃ bildet eine in-situ Quelle für Halogenradikale in der Troposphäre. In verschiedenen Multiphasen-Chemiezyklen werden weitere Halogenid-Ionen in reaktive Halogenspezies umgewandelt, troposphärisches Ozon abgebaut oder die Oxidationskraft der Troposphäre direkt und indirekt beeinflusst.

Um die komplexen multiphasenchemischen Prozesse besser verstehen und ihren Einfluss auf umweltrelevante Fragen wie Luftreinheit oder Klimawandel bestimmen zu können, wurden am TROPOS komplexe Chemiemechanismen zur Beschreibung der troposphärischen Multiphasen-Halogenchemie entwickelt.

Das Halogenmodul 3.0 (CAPRAM–HM3.0; Hoffmann et al., 2019b), ein speziell auf die marine Halogenchemie ausgerichteter Mechanismus, kann modular an den Multiphasenchemiemechanismus MCM/CAPRAM (Bräuer et al., 2019; Hoffmann et al., 2019a und b) gekoppelt werden. Es stellt eine Weiterentwicklung des Halogenmoduls 2.0 und 1.0 (Bräuer et al., 2013; Herrmann et al., 2003) dar und umfasst mehr als 1300 Reaktionen in der Gas- und Flüssigphase (siehe Abb. 1). Das CAPRAM–HM3.0 wurde für die Anwendung in den unterschiedlichsten Regionen der troposphärischen Grenzschicht konzipiert, die vom anthropogen unbeeinflussten offenen Ozean bis zu urban verschmutzen Küstengebieten in allen Breitengraden der Erde reichen können. Die im Halogenmodul 3.0 verarbeiteten Prozesse sind vereinfacht in Abbildung 2 dargestellt.

Mit dem CAPRAM–HM3.0 wurden umfassende Prozess-Studien mit dem Boxmodel SPACCIM (SPectral Aerosol Cloud Chemistry Interaction Model; Wolke et al., 2005) betrieben. Dabei wurden die verschiedenen Halogenzyklen, der durch Halogenchemie verursachte Ozonabbau, Wechselwirkungen reaktiver Halogenspezies mit anderen Subsystemen wie organischen Verbindungen und NO_x in der Gas- und Flüssigphase oder der Einfluss auf die Schwefeloxidation in der Flüssigphase an verschmutzten Küstengebieten untersucht (Hoffmann et al., 2019a und 2019b). Die Ergebnisse dieser Simulationen sind von globaler Bedeutung, da in küstennahen Gebieten etwa 40% der Menschheit lebt und sich 3/4 der Megacities mit mehr als 10 Millionen Einwohnern am Meer befinden.

Die durchgeführten Simulationen dienten als Grundlage um einen reduzierten Mechanismus für die Anwendung im Chemietransportmodell COSMO-MUSCAT zu entwickeln (Hoffmann et al., 2020).

Publikationen:

Herrmann, H., Majdik, Z., Ervens, B. und Weise, D.: Halogen production from aqueous tropospheric particles. Chemosphere, 52(2), 485–502, DOI: 10.1016/S0045‑6535(03)00202‑9, 2003.

Bräuer, P., Tilgner, A., Wolke, R. und Herrmann, H.: Mechanism development and modelling of tropospheric multiphase halogen chemistry: The CAPRAM Halogen Module 2.0 (HM2), J. Atmos. Chem., 1-34, DOI: 10.1007/s10874-013-9249-6, 2013.

Hoffmann, E. H., Tilgner, A., Wolke, R. und Herrmann, H.: Enhanced chlorine and bromine atom activation by hydrolysis of halogen nitrates from marine aerosols at polluted coastal areas, Environ. Sci. Technol., 53, 771-778, DOI:10.1021/acs.est.8b05165, 2019a

Hoffmann, E. H., Tilgner, A., Vogelsberg, U., Wolke, R. und Herrmann, H.: Near-explicit multiphase modeling of halogen chemistry in a mixed urban and maritime coastal area, ACS Earth Space Chem., 3, 2452-2471, DOI:10.1021/acsearthspacechem.9b00184, 2019b.

Hoffmann, E. H., Schrödner, R., Tilgner, A., Wolke, R. und Herrmann, H.: CAPRAM reduction towards an operational multiphase halogen and dimethyl sulfide chemistry treatment in the chemistry transport model COSMO-MUSCAT(5.04e), Geosci. Model Dev., 13, 2587-2609, DOI:10.5194/gmd-13-2587-2020, 2020.