On the effect of reactive oxidized nitrogen emissions from natural sources on air concentrations and deposition of nitrogen compounds in European coastal areas

Abstract

Reaktive Stickstoffemissionen sind Teil des Stickstoffkreislaufs. Der Mensch verändert diesen Kreislauf, während die natürliche Emissionen einen festen Emissionshintergrund darstellen. Diese Dissertation untersucht den Einfuss natürlicher reaktiver oxidierter Stickstoffemissionen auf Luftkonzentration und Deposition von Stickstoff in Europa. Europa ist der Kontinent mit dem zweithöchsten Küstenanteil im Verhältnis zu seiner Fläche. Daher wird Europa von Küstenzonen dominiert, die fragile Lebensräume und Ökosysteme sind. Europa ist stark besiedelt und daher hinsichtlich möglicher Statusänderungen des Ökosystems von groÿem Interesse. Natürliche oxidierte Stickstoffemissionen sind hauptsächlich Stickstoffmonoxidemissionen. Stickstoffmonoxid wird von Bakterien, Gewitter und Vegetationsbrände emittiert. In dieser Arbeit werden die Jahre 2010-2012 betrachtet, um den Einfuss der Emissionen von oxidiertem Stickstoff auf Luftkonzentration und Deposition von Stickstoff zu bestimmen. Der Anteil der natürlichen Emissionen an den gesamten reaktiven oxidierten Stickstoffemissionen für Europa beträgt etwa 10%. Die Gesamtemission von reaktivem oxidiertem Stickstoff in Europa beträgt 7,2 Tg N, wobei 6,5 Tg N aus anthropogenen Quellen stammen. Der Boden hat mit 0,37 Tg N (5,3% der absoulten Emission) den größten Anteil an den gesamten natürlichen Emissionen, gefolgt von Blitzen mit 0,30 Tg N (4,4%). Vegetationsbrände sind mit 0,02 Tg (0,3%) für das Gesamtbudget von reaktivem oxidiertem Stickstoff von untergeordneter Bedeutung, sie sind jedoch für zeitlich und räumlich begrenzte Untersuchungen unerlässlich. Die Verringerung des primären Emissionsfusses durch die Vegetation, auch als "Canopy Reduction" bezeichnet, reduziert die aus Böden emittierte Menge Stickstoffmonoxid signifkant von 0,43 Tg N auf 0,37 Tg N (das entspricht einer Reduktion um 14%). Die Emissionen reduzierter Stickstoffverbindungen in Europa betragen insgesamt 5,8 Tg N. Viehhaltung, Gülle und Mineraldünger sind für den Groÿteil dieser Emissionen verantwortlich, Waldbrände, Industrie und Verkehr nur für etwa 10%. Die Gesamtemission von reaktivem Stickstoff in die europäische Luft beträgt Modellrechnungen nach 13 Tg N pro Jahr. Unter der Annahme eines maximal technisch realisierbaren Emissions-Reduktionsszenarios für 2040 wurde die Reduktion anthopogener Emissionen basierend auf den Emissionen von 2010 berechnet. Vorausgesetzt, dass sich die natürlichen Emissionen bis 2040 nicht verändern, verdoppelten sie ihren relativen Beitrag zum Gesamtbudget von reaktivem oxidiertem Stickstoff. Dies sieht man besonders im Sommer, wo der Anteil natürlicher Emissionen im Basifall etwa 20% beträgt, im Szenarienfall hingegen bis zu 40%. Die Verwendung von Chemietransportmodellen zeigt zudemein nicht-lineares Verhalten in einzelnen Modellregionen. Trockene Deposition und Nassdeposition, welche stark von der vorherigen Partikelbildung abhängen, reagieren regional mit einer Abnahme bei Zunahme der natürlichen Emissionen, die aus Stickstoffmonoxid und organischen Verbindungen aus biogenen Quellen bestehen. Die Depositionsabnahme erreicht regional Werte bis zu 30%. Die Berechnungen wurden mit der Modellkette COSMO-CLM, SMOKE for Europe und CMAQ durchgeführt. Für die Berechnungen der Canopy Reduction und der Blitzemissionen wurden Preprozessoren erstellt und Rechenmodelle entwickelt. Die Canopy Reduction wurde wie im GEOS-CHEM-Modell durch einen Big-Leaf- Ansatz in Abhängigkeit der Aktivität der Stomata implementiert. Die Blitzemissionen wurden mit einem linearen Regressionsansatz berechnet, der auf Modellsimulationen von konvektivem Niederschlag und Satellitenbeobachtungsklimatologien von Blitzdichten basiert. Beide Techniken wurden, in Kombination mit einer Auswertung für eine europäische Modelldomäne, in wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht und haben zum Grundlagenverständins und der Modellierung natürlicher Emissionen bedeutende neue Erkenntnisse beigetragen.

Reactive nitrogen emissions are part of the nitrogen cycle. Human activities alter this cycle, while natural emissions remain as background emissions. This thesis investigates the infuence of natural reactive oxidized nitrogen emissions in Europe on air concentrations and nitrogen deposition. Europe is the continent with the second highest share of coastline relative to its area; thus, it is dominated by coastal zones that are fragile habitats and ecosystems. It is highly populated and therefore an area of high interest regarding possible ecosystem status changes. Natural oxidized nitrogen emissions are mainly nitrogen monoxide emissions, originating from microbes, lightning and vegetation fires. In this thesis, the years 2010-2012 are used to determine the influence of natural oxidized nitrogen emissions on air concentrations and nitrogen deposition. Including all processes, the share of natural emissions of the total reactive oxidized nitrogen emissions is approximately 10% for Europe. The total annual emission of reactive oxidized nitrogen in Europe is 7.2 Tg N, with 6.5 Tg N originating from anthropogenic sources. Soil has the greatest share in the total natural emissions, with 0.37 Tg N (5.3% of total emissions), followed by lightning 0.30 Tg N (4.4%). Wildfires are of minor relevance, with 0.02 Tg (0.3%) for the total budget of reactive oxidized nitrogen, but they are essential for temporally and spatially limited investigations. Primary emission flux reduction by vegetation, called canopy reduction, reduces the amount emitted by soil significantly from 0.43 Tg N to 0.37 Tg N (reduction of 14%). Reduced nitrogen emissions in Europe are 5.8 Tg N in total. Livestock, manure and mineral fertilizers are responsible for the majority of such emissions, and wildfires, industries and traffic are only responsible for approximately 10%. The total emissions of reactive nitrogen to the European air are 13 Tg N per year according to the model calculations. By assuming the maximum technically feasible reduction scenario for 2040, the emissions reduction based on 2010 emissions is calculated and compared to natural emissions. Under the assumption of unchanged natural emissions, they doubled their relative contribution to the total budget of reactive oxidized nitrogen. This is clearly visible in summer with a contribution of about 20% in the base case to 40% in the scenario calculations. The use of chemistry transport models reveals nonlinear responses to emission changes in single regions. Dry deposition and wet deposition, which are sensitive to the particle formation reactions, decrease regionally when nat- ural emissions of nitrogen and organic compounds from biogenic sources are added. The deposition decrease reaches over 30% regionally. The calculations were performed with the COSMO-CLM, SMOKE for Europe and CMAQ model chain. For the calculation of canopy reduction and lightning emissions, preprocessors were built, and models were developed. The canopy reduction was implemented as in the GEOS-Chem model through a big-leaf approach depending on stomatal activity. Lightning was calculated with a fitting approach based on model simulations of convective precipitation and satellite observation climatologies of flash densities. Both techniques, in combination with an evaluation for the European model domain, are published in peer-reviewed scientific journals and have added significant new findings to the knowledge base.