Mehrphasige Chemische Kinetik

Spurengase, die in die Atmosphäre abgegeben werden, enthalten Elemente in relativ niedrigen Oxidationsstufen. Ihre Oxidation in der O₂-reichen Atmosphäre ist entscheidend für die Bestimmung ihrer Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Atmosphäre. Dies wird durch chemische Reaktionen in der Gasphase, zerfließende Aerosole und Wolkentröpfchen verursacht. Die chemische Kinetik in und zwischen diesen verschiedenen Medien ist unser Schlüssel, um das Verständnis und die Vorhersage von Oxidationsmitteln und Aerosolvorläufern in der Troposphäre voranzutreiben.

Troposphärische Oxidantien

• Flüchtige organische Verbindungen und troposphärisches Ozon
• Einfluss von Übergangsmetallionen auf den Radikalzyklus
• Heterogene Bildung von salpetriger Säure

Aerosolvorläufer

• Wege zur Bildung organischer Säuren
• Bildung von Polyolen und Oligomeren
• Hochsauerstoffhaltige Moleküle aus der Autooxidation organischer Stoffe
• Bildung von Carbonylsulfid aus biogenem organischem Schwefel
• Schwefel- und Stickstoffchemie, die zu extremer Luftverschmutzung führt
• Bildung und Alterung von Aromaten, die zur Bildung von braunem Kohlenstoff beitragen

Aktivitäten

1. Entwicklung von Oxidationsmechanismen mit dem Open-Community-Box-Modell CAABA/MECCA.
2. Entwicklung eines 0D-Basismodells innerhalb von MESSy, das mehrphasige chemische Kinetik, Aerosol-Mikrophysik, Photolyse usw. umfasst.
3. ECHAM5/MESSy für Atmosphärenchemie (EMAC), das einzige globale Modell, das explizit die mehrphasige chemische Kinetik simuliert
4. Planung und Auswertung der SAPHIR-Experimente.
5. Bewertung des Mechanismus anhand von Kammerversuchen.
6. Sammeln von experimentellen kinetischen Daten und Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Messungen aus Feldversuchen.

Atmosphärenchemie in allen Größenordnungen

Die Bewertung und Erforschung der Rolle der Atmosphärenchemie im Erdsystem stützt sich auf den effizienten Einsatz von Supercomputern für immer detailliertere und höher aufgelöste Simulationen. In diesem Zusammenhang erweitern wir im Rahmen des HGF-ESM-Projekts die Grenzen des Wissens und die technischen Grenzen für atmosphärenchemische Modelle. Unsere Entwicklungen zielen darauf ab, die kommenden Exascale-Supercomputing-Technologien effizient für unsere Simulationen zu nutzen. Insbesondere

• befassen wir uns mit der Portierung des MESSy-Submodells MECCA auf GPUs mit CUDA C, CUDA-Bibliotheken und OpenACC.
• implementieren und testen wir matrixfreie Integratoren für große und starre ODE-Systeme mit Zeitschrittverfahren höherer Ordnung.
• entwickeln wir einen Prototyp „MESSy dwarf“, d. h. ein Framework, um jedes MESSy-Submodell oder eine Kombination von MESSy-Submodellen außerhalb der MESSy-Legacy-Modelle in einem sorgfältig verfeinerten (Test-)Setup auszuführen und zu testen.
• beteiligen wir uns aktiv an der Entwicklung von ICON/MESSy, das ECHAM5/MESSy in Zukunft voraussichtlich ersetzen wird.

Diese Entwicklungen können als Beitrag des ICE-3 zum Projekt PL-ExaESM der Helmholtz-Gemeinschaft gewertet werden.

Umweltverschmutzung und Wetter

Das Wetter bestimmt die physikalischen Bedingungen, unter denen sich Umweltverschmutzung und Schadstoffemissionen entwickeln. Umgekehrt beeinflussen gasförmige und partikelförmige Schadstoffe den lokalen Strahlungsantrieb und die Wolkenbildung. Darüber hinaus führen die kurzfristigen Reaktionen der Landvegetation auf Wetterextreme zu erheblichen Veränderungen bei der Emission und dem Abbau von Spurengasen. Konkret untersuchen wir:

• Die Auswirkungen der Evapotranspiration auf Schadstoffe bei Dürren und Hitzewellen
• Die Rolle von Temperatur und Luftfeuchtigkeit bei der photochemischen Ozonbildung bei Wetterextremen
• Den Zusammenhang zwischen Luftfeuchtigkeit und atmosphärischem Braunkohlenstoff und der damit verbundenen regionalen Erwärmung

Atmosphärische Zusammensetzung und Klima

Die Chemie der Atmosphäre vermittelt verschiedene Kopplungen zwischen der Biosphäre und dem Klima. Wir untersuchen die kurzfristigen Rückkopplungen, die Störungen des physikalischen Zustands der Atmosphäre entgegenwirken oder dämpfen können. Wir sind daran interessiert, mechanistische Darstellungen darüber zu erstellen, wie flüchtige organische Verbindungen die Aerosol- und Wolkenbildung und damit den Strahlungshaushalt der Atmosphäre beeinflussen können. Insbesondere konzentrieren wir uns auf die Bedeutung von:

• Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe aus Landvegetation
• Organische Schwefelverbindungen aus Phytoplankton im Meer