Transport And Composition in the UT/LMS: TACTS

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1 Transport And Composition in the UT/LMS: TACTS A Demo Mission for HALO Andreas Engel Institut für Atmosphäre und Umwelt J.W.Goethe Universität Frankfurt, Partners: DLR, FZK, FZJ, MPICH Mainz, Univ Wuppertal, Uni Hd. Univ. Mainz, Univ. Köln, Univ. Frankfurt Transport And Composition in the UT/LMS: TACTS

2 Transport Processes Affecting the lower and lowermost Stratosphere Aged stratospheric air high O 3, low H 2 O tropical tropospheric air rather low O 3, low H 2 O Fresh tropospheric air low O 3, high H 2 O adapted after Holton et al., 1995

3 seasonality of lag time in the UT/LS SPURT February 2003, winter SPURT April 2003, spring SPURT October 2002, Fall SPURT Juli 2003, summer SPURT October 2002, Fall

4 Scientific Objectives and rationale A major finding of SPURT was the very fast and strong change of the LMS composition during the transition from summer to autumn. The moistest air in the LMS was observed during summer. In contrast, the LMS in autumn was very dry. Interestingly, long-lived tracers (e.g. N2O or SF6) showed a different pattern, with the strongest tropospheric signature during autumn. A possible explanation for such a change in composition is the transport of large amounts of air masses originating in the upper tropical troposphere into the LMS during late summer/early fall. We will measure the trace gas composition in the sub-tropical to mid latitude UT/LMS for a better quantification of air mass transport around the sub-tropical jet during the summer/fall transition. Transport And Composition in the UT/LMS: TACTS

5 Deliverables and planned studies budget studies of air mass origin in the LMS, based on tracer measurements (CO, SF 6, CO 2, N 2 O), e.g. in a similar way as shown in Hoor et al. (2005) or Bönisch et al., (2008). water vapour (total and gas phase), water vapour isotopes and also particle observations, primarily as proxies for the dehydration pathways from the troposphere into the LMS air mass origin studies, based on correlation analysis (O 3 vs. N 2 O, NO y vs. O 3 ). observations of short lived tracers as hydrocarbons and some halocarbons and their photochemical active decay products for determination of fast transport from marine and continental boundary layer into the LMS. Intensive modelling (CLaMS, trajectory models, Chemical transport models) and meteorological support/data assimilation studies are needed to understand the data.

6 Proposed HALO flight pattern Original Plan: Ideally 3 campaigns, early August, mid September and late October. Option 2: 3 campaigns, late August, mid September and late September. cover the UT, the LMS, part of the tropically controlled transition layer from the extratropics to the subtropics, TTL composition as input Flightlevel northbound 4 southbound out 2 tropopause Latitude altitude / km

7 Proposed Instrumentation Instrument Spezies PI Org. TDL CO, N 2 O, evtl. CH 4 Fischer MPI NDIR CO 2 Fischer MPI FISH Ly-a H 2 O Schiller FZJ HAI H 2 O Ebert FZJ/UHd JOE O3 - UV O 3 Schiller FZJ ANEAS NOx/NOy Ziereis DLR ISOWAT TDL H 16 2 O, H 18 2 O, HDO Dyroff FZK FAIRO O3-chemilumO 3 Zahn FZK mini DOAS O 3, NO 2, CH 2 O, O 4, BrO, OClO, IO, OIO Pfeilsticker IUP ITMS SO 2, CH 3 CN, HCN Schlager DLR GhOST-MS SF 6, N 2 O, F12, CH 3 Br, CHBr 3, CHCl 3 etc. Engel UFRA MIRAH Probensam Isotope, Koppmann Uni Wu Gloria N 2 O, CH 4, H 2 O, HDO, SF 6, CFCs, O 3 Oelhaf, Preuß FZK/FZJ AIMS HCl, HNO 3, ClONO 2, SO 2 Voigt DLR

8 HALO TACTS Floor-Plan (10 Racks) Green racks are not occupied!! 3: AENEAS 9: TDL and NDIR (CO2) 5: mini DOAS (free) 6: 2*O3 Gloria PC 11: H2O and H2O isotopes 17 AIMS, HCl 18 in situ MS, CH3CN 19 in situ GC/MS 20 whole air sampler 21 mini DOAS

9 Development of a Tunable Diode Laser Spectrometer (TDLAS) for the In-situ Measurement of the Isotopic Composition of Water Vapor Proposal ZA 550/1-1 (ISOWAT) Institute of Meteorology and Climate Research, Atmospheric Chemistry Group Christoph Dyroff and Andreas Zahn * Institute of Meteorology and Climate Research (IMK) Karlsruhe Institute of Technology (KIT) KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Large-scale Research Center of the Helmholtz Association

10 Status ISOWAT is ready for employment High precision for δ 18 O and δd in water vapour ( 50 at 10 ppmv) Compact and lightweight (<40 kg) In-flight calibration Described in Dyroff et al., Appl. Phys. B, 2009 doi: /s Participation in ML-CIRRUS TACTS POLSTRACC Spectrometer Certification by Optimare Calibration Institute of Meteorology and Climate Research

11 Outlook and further work Tests aboard the CARIBIC passenger aircraft as of January 2010 Further technical improvements Improvement of data handling Instrument deployment aboard HALO New instrument proposal: Application of TDLAS to CO 2 isotope-ratio measurements Institute of Meteorology and Climate Research

12 ION TRAP MASS SPECTROMETER (ITMS) HALO-SPP 1294 PIs: Frank Arnold (MPI-K) and Hans Schlager (DLR) with Anke Roiger (DLR) and Heinfried Aufmhoff (MPI-K) Status: ITMS komplett aufgebaut (inklusive radioaktiver Ionenquelle und isoptopischer in-flight Kalibrierung) ITMS-Zulassung für HALO von PI Seite abgeschlossen HALO-ITMS ITMS Probe-Einsatz auf Falcon in mehreren Kampagnen (POLARCAT, INTEX, ) Messung zahlreicher Spurengase Beispiel: POLARCAT (PAN, HCN, ) ITMS Nachweisgrenze für PAN: 20 pptv bei 2 s Auflösung

13 POLARCAT summer 2008 : 16 ITMS missions plus 2 transfer-flights (all succesful)

14 POLARCAT: Intercomparison of ITMS with NASA DC-8 PAN-detector

15 POLARCAT: all ITMS PAN data

16 POLARCAT: all ITMS PAN data

17 POLARCAT: all ITMS PAN data

18 DFG-Fortsetzungsantrag advanced ITMS Instrument Erweiterung der mit ITMS messbaren Spurengase: - halogenierte Verbindungen (BrO, Br 2, ClNO 2 ), -N 2 O 5, H 2 SO 4, HNO3, -HCN, CH 3 CN - organ. Säuren Einsatz des ITMS bei den HALO Missionen - TACTS (SO 2, HNO3, HCN, CH 3 CN) - OMO (PAN, PPN, HCN) - POLSTRACC (PAN, HCN, N 2 O 5, BrO, Br 2, ClNO 2 ) - ACRIDICON (SO 2, HNO3, H 2 SO 4, PFC)

19 Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) Observations from HALO (DFG PF-384 7/1) K. Pfeilsticker, U. Platt, and T. Wagner(*) IUP-Heidelberg University of Heidelberg (*) now with MPI for Chemistry, Mainz Mini-DOAS instrument status for missions: OMO, TACTS, POLSTRACC, CIRRUS, ACRIDICON, HALO-EO, NARVAL, (*) second instrument within SPP-1294: Imaging DOAS

20 Mini-DOAS instrument: Technical features 1. Total weight: 47 kg, excl. water 40 kg 2. Dimensions: (mini rack) 43x43x49 cm, (aperture pl.) 10x7 = 25x18 cm 3. Power: 100 W, 28 VDC 4. Parts: 6 optical spectrometers (2x UV/vis/near-IR in nadir direction and limb scanning) immersed in a pressurized spectrom. housing, ice/water tank for T-control Electronics (PC, T-controller, motor controllers, spectrometer readout electronics) Aperture plate: (1) limb obs. webcam, (2) motors for limb scanning and (3) 6 telescopes 5. Measurement principle: scattered sunlight DOAS combined with RT modelling 6. Detectable species: (1) BrO, ClO OClO, IO, O 3, HCHO, HONO, SO 2 in the UV; (2) I 2, IO, OIO, OBrO, NO 2, O 3, O 4, C 2 H 2 O 2 in the visible; (3) H 2 O (g, l, s), O 4, (CO 2, CH 4 ) in the near-ir Components of the mini-doas instrument 1YMID spectrometer unit 2-4YMID electronics unit 5-15YMID aperture plate 16YMID mini rack 49 cm

21 Mini-DOAS instrument (Oct. 2009) webcam spectrom. unit with insulation and water tank limb telescopes electronics box 2

22 Status of the mini-doas instrument (Oct. 2009) 1. All mechanical parts are manufactured and close to be assembled 2. Electronics is tested and just being finally assembled 3. Mechanical fitting test of the instrument to the aircraft (Pos 21) is okayed! 4. Major delays is/was with the delivery of the 6 optical spectrometers (from OMT/Ulm), but they should arrive during KW 43 (now!) 5. Software needs to be adapted and finalized 6. Certification documents with OPTIMARE drawings of electrical part and wiring are ready 3D mechanical drawings are a work in progress Certification documents are just being prepared 7. Tbd Tesile/mechanical test EMC test Test and characterization of the instrument in the laboratory Verlängerung des Antrages zur Teilnahme an den Missionen OMO, TACTS, POLSTRACC, CIRRUS, ACRIDICON, HALO-EO, NARVAL,.. Ist vorgesehen!

23 First Mini-DOAS instrument spectra

24 Measurements of stable Isotope Ratios on HALO Ralf Koppmann, Marc Krebsbach Bergische Universität Wuppertal Fachbereich C: Atmosphärenphysik Atmosphärenphysik Measurements of stable Isotope Ratios on HALO 22/ MIRAH 24

25 Intention Intention Status Welche Informationen über VOC gibt es in der Atmosphäre re? Mischungsverhältnisse einzelner VOC, deren zeitliche Verläufe, Konzentrationsverhältnisse sowie meteorologische Parameter Isotopenanalyse verschiedene Quellen emittieren VOC mit unterschiedlichen Isotopenverhältnissen: Herkunft der VOC, unterschiedlich schnelle Reaktionen der VOC chemische Prozesse, sind damit unterscheidbar! Atmosphärenphysik 22/ Measurements of stable Isotope Ratios on HALO 25 22/ MIRAH

26 Intention Intention Status Isotopenmessungen von VOC in Atmosphäre re: Problematik Lösung Messinstrumente sehr groß und schwer kein Einsatz auf Flugzeug Sammlung Luftproben Analyse im Labor große Luftvolumina erforderlich zur genauen Bestimmung von 13 C/ 12 C und D/H großvolumiges Sammelsystem mit möglichst kurzer Sammelzeit Atmosphärenphysik Measurements of stable Isotope Ratios on HALO 22/ MIRAH 26

27 Intention MIRAH im Gep Status Status ckraum der HALO Gepäckraum Elektronik / Steuereinheit Pumpeneinschub Kompressoreinheit Behältermodule I+II 24 Proben/Flug mit 35 L stp Instrument: fertig geplant und gebaut erfolgreiche Testintegration in HALO Zulassung: eingereicht: Oktober 2008(!) bis dato ohne Beanstandung geprüft und freigegeben durch EIs muss noch zur MPL Ausstehende Arbeiten/Tests: Reinheit der Behälter, Pumpen etc. Stabilität der chem. Komponenten Charakterisierung Anträge werden gestellt für die Teilnahme an OMO, TACTS, ChArMEX Atmosphärenphysik Measurements of stable Isotope Ratios on HALO 22/ MIRAH 27

28 HAI Hygrometer for Atmospheric Investigations Universität Heidelberg Phys.Chem.Inst Volker Ebert Oliver Witzel Matthias Höh Cornelius Schiller Tim Klostermann Armin Afchine Harald Saathoff Konzept Spektroskopie Linsendesign Optik Optik Zellendesign CFD Analyse Mechanische Konstruktion Zulassung AIDA- Valid.- Messungen Schematischer Aufbau Enviscope Mechanische Konstruktion Zulassung AIDA - Konzeptstudie

29 H 2 O-Spektroskopie S(T) [10-20 cm -1 /(molec*cm -2 )] C B Telekom -Modul ,6µm 1,4µm λ vac [nm] 20x untere Stratosphäre Troposphäre Laser N 2 gespült Lichttransport per Glasfaser ( Vermeidung parasitärer Absorption) Neuentwicklung: 2,6µm Faserkopplung 2λ Faserkopplung OD Residuum [10-4 ] µm H2O TDLAS in Zelle L = 0.705m f Laser = 500Hz #Avg = 100 p = 1bar S/N = 590 Δc = 92 ppb m Hz ppm Erster 2,6µm Lasertest Δc = 92 ppb m Hz -05 Bei 1s Auflösung und L=4,8m: Δc = 19ppb noch ohne Faser Measurement Fit Wavelength [nm] Weitere S/N Verbesserung Entwicklung neue Einkoppeloptik σ= Universität Heidelberg

30 White-Zellen zur in-situ Messung Hai White Zelle 4,8m Absorptionsweg für 1,4µm und 2,6µm Laser, optimiert durch Ray-tracing Simulation CFD-Analyse der Pylon-Struktur für maximal homogenes Druck- und Temperaturfeld Entwicklung einer Faserkopplung 2,6µm Laser (optische Ausgangsleistung 3,5mW) Simulation der mechanischen Festigkeit für den Fall eines Vogelschlags Optiksimulation CFD-Simulation 2,6µm Faserkopplung Universität Heidelberg

31 Wasser-Rack in HALO Messung verschiedener Parameter HAI Instrument: Gasphasenwasser (TDLAS, in-situ und extraktiv, Neuentwicklung) FISH Instrument: Gesamtwasser (Lyman-α, lang erprobt) ISOWAT Instrument: Isotopenverhältnis (TDLAS, Unterdruckmessung) Teilnahme in dieser Zusammenstellung an den ersten HALO Demonstrations-missionen ML-Cirrus Tacts Polstracc Universität Heidelberg

32 GHOST MS a Gas Chromatograph for the Observation of Stratospheric Tracers Mass Spectrometer Andreas Engel, Harald Bönisch und Stephan Sala insgesamt stehen drei Kanäle zur Messung zur Verfügung Kanal 1 & 2: Messung der Spurengase N 2 O, SF 6 und F12 mit einer Zeitauflösung von Sekunden mittels Elektroneneinfangdetektor (ECD) Kanal 3 : Messung von bis zu 10 Halogenkohlenwasserstoffen nach Wahl mit einer Zeitauflösung von ca. 4 5 Minuten mittels Massenspektrometer (MS) Einsatz bei TACTS, POLSTRACC und SHIVA geplant Fortsetzungsantrag für Einsatz von GhOST MS in Phase 2 des SPP geplant

33 Instrumentenrack: Übersicht Modulare Bauweise : Unterbringung der Analytik in separaten 19 Einschüben Festigkeit der Einschübe durch Zugversuch (Firma enviscope) nachgewiesen Vorteile: o o o komponentenweise Zulassung der Baugruppen vereinfachte Wartung und Fehlersuche nur teilweise Bestückung des Racks möglich

34 Instrumentenrack: Versorgungseinschübe

35 Instrumentenrack: ECD Einschübe

36 Cetrification, status and aircraft requirements Belly Pod is imperative for TACTS Co-ordination is financed; incl. Meteorological support; looking for suitable candidate Most instruments ready or being build Certification cooperations with Optimare and enviscope Mission certification: t.b.d. after more insight into experience gained from OMO and TACTS. Transport And Composition in the UT/LMS: TACTS

37 TACTS TIME PLANNING and OPTIONS In 2010 nicht realistisch durchführbar Erste Möglichkeit in 2011 Bevorzugt etwas längeren Zeitraum zwischen den einzelnen Transects Erweiterung auf urspüngliche Planung zur Messung eines kompletten Jahresganges im Rahmen des SPP2 geplant. Urspünglicher Vorschlag: Seasonality of Air mass transport and origin in the Lowermost Stratosphere and the tropically controlled transition region using the HALO Aircraft: SALSA Aufstockungsantrag für Phase II des SPP geplant. Transport And Composition in the UT/LMS: TACTS

38 Aufteilung der Flugstundenkosten Rechnung mit Racks und Operator Flugstunden DFG % 15.2 FZJ % 8.9 FZK % 7.9 DLR % 17.5 MPG 125 7% 3.5 Transport And Composition in the UT/LMS: TACTS

39 Racks and Apertures Liste der Instrumente für die HALO Demo Mission TACTS Instrument S P O GRacks Rack.Nr direction size Aperture TDL C FiM forw 11 NDIR C FiM forw FISH Ly-a H ScFZ forw 1/2 " VA 2 HAI H EFZ JOE O3 - UV OScFZ backw. 6mm Teflon 6/7 ANEAS N Zi D 1 3 forw/backw 2*3/8" PFA 2 ISOWAT TDL H DFZ forw 1/4" VA 2 FAIRO O3-chemilumOZaFZ forw/backw 6/7 mini DOAS OPfIU in-situ MS S ScD 1 18 backw. 11 GhOST-MS S E U 1 19 forw 3/8" 11 MIRAH ProbensammIsKoUn 1 20 forw 11 Gloria N O FZ AIMS H VoD 1 17 backw. 8 Anmerkung: Vermutlich muss noch ein 5. TGI auf Aperture 12, da TDL und NDIR getrennte Einlässe brauchen. Transport And Composition in the UT/LMS: TACTS

40 HALO Aperture distribution 2: AENEAS, Isowat, FISH 4: HAI 6/7: JOE/FAIRO (Ozone) 8: AIMS 11: TDL, NDIR, GhOST-MS, MIRAH, in-situ MS Transport And Composition in the UT/LMS: TACTS

41 Power Consumption Powerverteilung Demo Mission TACTS Instrument P O2nd PD 28V 220 V 115V in Ampere TDL MMRC4 2 NDIR MMRC4 3 FISH Ly-a FZF LC HAI FZF LC1 2,2 JOE O3 - UV FZF RC2 3 1,2 ANEAS D DRC1 13,6 ISOWAT TDL FZF LC1 12,5 0 0 FAIRO O3-cheFZF RC2 mini DOAS IUIUAFT 5 in-situ MS D DLC GhOST-MS U ULC MIRAH Probe U UBAG 10 Gloria FZF RC3 2,7 11 AIMS D DLC3 0,8 12 Total: 30 A@28V, 7.5A@220V; 102A@115V

42 HALO Power Distribution LC1: Isowat, FISH, HAI LC2: not used LC3: AIMS LC4: GhOST-MS, in-situ MS BAG: MIRAH RC1: AENEAS RC2: FAIRO/JOE (Ozone) RC3: Gloria RC4: NDIR, TDL

43 instrument status and certification plans Instrument PI Org. status March 2009 TDL Fischer MPI fertig, Beginn Zertifizierung 2. Jahreshälfte 2009 NDIR Fischer MPI fertig, Beginn Zertifizierung 2. Jahreshälfte 2009 FISH Ly-a Schiller FZJ Fertigstellung bis Ende 2009; Zulassung über Optimare HAI Ebert FZJ/UHd Fertigstellung bis Anfang 2010; Zulassung via enviscope JOE O3 - UV Schiller FZJ ANEAS DLR DLR ISOWAT TDL Dyroff FZK fertig, Zertifizierung über Optimare (wird auch für Cirrus-ML eingesetzt) FAIRO O3-cheZahn FZK Zertifizierungsunterlagen im Okt an DLR mini DOAS Pfeilsticker IUP Ferigstellung der Unterlagen im April/Mai 2009 geplant in-situ MS Schlager DLR Zulassung über Optimare (wird auch für Cirrus-ML eingesetzt) GhOST-MS Engel UFRA Ifertigstellung, Anfang 2010, Zulassung über enviscope und Gomolzig MIRAH Probe Koppmann Uni Wu Gloria Oelhaf, PreußFZK/FZJ AIMS Voigt DLR Zertifizierung über Optimare (wird auch für Cirrus-ML eingesetzt) Transport And Composition in the UT/LMS: TACTS