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Turbulent fluxes of carbonyl sulfide (COS) and carbon disulfide (CS2) were measured over a spruce forest in Central Germany using the relaxed eddy accumulation (REA) technique. A REA sampler was developed and validated using simultaneous measurements of CO2 fluxes by REA and by eddy correlation. REA measurements were conducted during six campaigns covering spring, summer, and fall between 1997 and 1999. Both uptake and emission of COS and CS2 by the forest were observed, with deposition occurring mainly during the sunlit period and emission mainly during the dark period. On the average, however, the forest acts as a sink for both gases. The average fluxes for COS and CS2 are -93 ± 11.7 pmol m-2 s-1 and -18 ± 7.6 pmol m-2 s-1, respectively. The fluxes of both gases appear to be correlated to photosynthetically active radiation and to the CO2 and \chem{H_2O} fluxes, supporting the idea that the air-vegetation exchange of both gases is controlled by stomata. An uptake ratio COS/CO2 of 10 ± 1.7 pmol m mol-1 has been derived from the regression line for the correlation between the COS and CO2 fluxes. This uptake ratio, if representative for the global terrestrial net primary production, would correspond to a sink of 2.3 ± 0.5 Tg COS yr-1.
In der hier vorliegenden Arbeit wurde der troposphärische Kreislauf von Carbonylsulfid (COS) untersucht. COS ist ein Quellgas des stratosphärischen SulfatAerosols, das die Strahlungsbilanz beeinflussen und den chemischen Abbau des stratosphärischen Ozons beschleunigen kann. Trotz zahlreicher Studien sind die Quellen und Senken des atmosphärischen COS bisher nur unzulänglich quantifiziert. Insbesondere bestehen große Unsicherheiten in den Abschätzungen der Beiträge des Ozeans und der anthropogenen Quellen, sowie der Senkenstärke der Landvegetation. Schiffs und flugzeuggetragene Messungen des atmosphärischen COS ergaben kein einheitliches interhemisphärisches Verhältnis (IHR=MNH /M SH ). Während die Messungen von Bingemer et al. (1990), StaubesDiederich (1992) und Johnson et al. (1993) ein IHR zwischen 1.10 und 1.25 zeigten, fanden die Messungen von Torres et al. (1980), StaubesDiederich (1992), Weiss et al. (1995) und Thornton et al. (1996) keinen oder nur einen geringfügigen N/SGradienten. Die Untersuchung von Chin und Davis (1993) zeigt ein N/SVerhältnis der COS Quellstärke von 2.3, das hauptsächlich auf die stärkeren anthropogenen Quellen auf der Nordhalbkugel zurückzuführen ist. Es ist unklar, ob der zeitweilige Konzentrationsüberschuß der Nordhemisphäre Zeichen anthropogener Quellen dort oder Teil eines durch die Senkenfunktion der Landpflanzen verursachten saisonalen Signals ist. Die Konsistenz der Breitenverteilung des COSMischungsverhältnisses mit den geographischen bzw. saisonalen Variationen der COSQuellen und Senken muß überprüft werden. Dazu werden genaue Kenntnissen der Quell und Senkenstärken des atmosphärischen COS und ihrer raumzeitlichen Variabilität benötigt. Vor dem obigen Hintergrund ergeben sich als Schwerpunkte dieser Arbeit: (1) der Austausch von COS zwischen Atmosphäre und Ozean sowie (2) zwischen Atmosphäre und terrestrischer Vegetation und (3) die raumzeitliche Variabilität des atmosphärischen COS. Zur Untersuchung des Austausches von COS zwischen Atmosphäre und Ozean wurde das KonzentrationsUngleichgewicht von COS zwischen Ozean und Atmosphäre durch Messungen des COS im Seewasser und in der Meeresluft ermittelt und die resultierenden Austauschflüsse mit einem Modell berechnet. Die Messungen fanden an Bord des Forschungsschiffs Polarstern während der Fahrten ANT/XV1 (15.10.6.11.1997, BremerhavenKapstadt) und ANT /XV5 (26.5.6.20.1998, KapstadtBremerhaven) statt. Die Konzentration des gelösten COS und das Sättigungsverhältnis von COS zwischen Ozean und Atmosphäre zeigen ausgeprägte Tagesgänge und saisonale und geographische Variationen. Die mittlere Konzentration von COS im Seewasser beträgt 14.7 pmol L -1 für die HerbstFahrt bzw. 18.1 pmol L -1 für die SommerFahrt. Höchste COSKonzentrationen werden in der jeweiligen SommerHemisphäre und in Gebieten mit hoher biologischer Produktivität beobachtet, d.h. im BenguelaStrom im November, im NordostAtlantik im Juni und in den Auftriebgebieten vor Westafrika im Oktober bzw. Juni. In den übrigen Gebieten sind die Konzentrationen um eine Größenordnung niedriger. Die Konzentration von COS im Seewasser steigt frühmorgens von ihrem tiefsten Stand an. Um ca. 15 Uhr Ortszeit erreicht sie ihr Maximum, danach nimmt sie ab. Der Tagesgang unterstützt die Theorie, daß COS im Seewasser photochemisch produziert wird. Während der Tagesstunden wird eine Übersättigung des offenen Ozean für COS gefunden. Dagegen ist eine Untersättigung des Ozeans in den späten Nachtstunden zu beobachten. Der Ozean wirkt in den Tagesstunden als COSQuelle, in der späten Nacht als COSSenke. Die Untersättigung tritt sogar im Sommer in produktiven Meeresgebieten regelmäßig auf. Eine Konsequenz dieser Beobachtung ist die weitere Reduzierung der ozeanischen Quelle von COS gegenüber bisher publizierten Abschätzungen. Methylmercaptan (CH 3 SH) ist in allen Seewasserproben zu beobachten. Der Tagesmittelwert der CH 3 SHKonzentration variiert zwischen 29 und 303 pm L -1 und ist 316 fach größer als der der COSKonzentration. Der Tagesgang der CH 3 SHKonzentration zeigt ein Minimum um die Mittagszeit. Die Tagesmittel der CH 3 SH und COSKonzentrationen sind signifikant miteinander korreliert. Diese Daten liefern den Beweis dafür, daß CH 3 SH eine der wichtigen Vorgängersubstanzen von COS ist. Die Regressionslinie der Korrelation zwischen den mittleren COS und CH 3 SHKonzentrationen weist nur einen geringfügigen Achsenabschnitt auf. Somit kann die CH 3 SHKonzentration als ein Indikator der Konzentration von COSVorgängern benutzt werden. Es besteht außerdem eine Korrelation zwischen der CH 3 SHKonzentration und dem Logarithmus der Konzentration des gelösten Chlorophyll a. Diese Korrelation deutet darauf hin, daß der Gehalt von CH 3 SH im Seewasser eine enge Beziehung zur marinen Primärproduktion hat. COS wird im Seewasser durch Hydrolyse abgebaut. Die Abbaurate hängt von der Temperatur des Seewassers ab. Je wärmer das Seewasser ist, desto schneller wird COS abgebaut, und um so kürzer ist die Lebenszeit von COS im Seewasser. Die Lebenszeit kann einerseits durch das ReaktionsgeschwindigkeitsGesetz von Arrhenius berechnet werden, andererseits läßt sie sich durch exponentielle Anpassung an den nächtlichen Konzentrationsverlauf (d.h. bei Abwesenheit von Photoproduktion) abschätzen. Eine solche Anpassung des exponentiellen Abklingens wurde anhand von dicht gestaffelten Messungen während einiger Nächte vorgenommen. Die gefitteten Lebenszeiten stimmen mit den theoretischen Werten gut überein, obwohl die gefittete Lebenszeit neben Hydrolyse noch von anderen Prozessen (z.B. Transport nach unten, AirSeaAustausch, usw.) beeinflußt wird. Diese gute Übereinstimmung unterstützt die Aussage, daß die Hydrolyse eine bedeutende Rolle beim Abbau von COS im Seewasser spielt. Die berechnete HydrolyseLebenszeit ist mit dem Tagesmittel der COSKonzentration korreliert. Da die Tagesmittelwerte sowohl zeitliche wie auch räumliche Mittelwerte der COSKonzentrationen darstellen, zeigt diese Korrelation, daß Hydrolyse eine bedeutende Rolle in der raumzeitlichen Variabilität der COSKonzentration einnimmt. Da die Konzentration des gelösten COS von mehreren Faktoren abhängig ist, scheint eine multivariable Betrachtung sinnvoll. Hierfür wurde eine "Multiple Linear Regression Analysis'' (MLRA) ausgeführt. Diese Analyse ergibt ein empirisches Modell der folgenden Form für die Berechnung des Tagesmittels der COSKonzentration: [COS] = 1.8# 13log[Chl] - 1.5W s 0.057G - 0.73, mit [COS] = mittlere Konzentration von COS in pmol L -1 # = HydrolyseLebenszeit in Stunde [Chl] = mittlere Konzentration von Chlorophyll a in mg m -3 W s = Windgeschwindigkeit in m s -1 G = Intensität der Globalstrahlung in W m -2 . Die Parameter auf der rechten Seite der Gleichung können direkt oder indirekt von Satelliten aus gemessen werden, deshalb kann dieses Modell für die Abschätzung der Konzentration von COS im Seewasser anhand von Satelliten Daten verwendet werden. Das empirische Modell soll noch durch weitere Messungen bestätigt bzw. verbessert werden. Der Austauschfluß von COS zwischen der Atmosphäre und dem offenen Ozean wurde mit dem AirSeaFlußModell von Liss and Slater (1974) zusammen mit dem Modell von Erickson (1993) f
Turbulent fluxes of carbonyl sulfide (COS) and carbon disulfide (CS2) were measured over a spruce forest in Central Germany using the relaxed eddy accumulation (REA) technique. A REA sampler was developed and validated using simultaneous measurements of CO2 fluxes by REA and by eddy correlation. REA measurements were conducted during six campaigns covering spring, summer, and fall between 1997 and 1999. Both uptake and emission of COS and CS2 by the forest were observed, with deposition occurring mainly during the sunlit period and emission mainly during the dark period. On the average, however, the forest acts as a sink for both gases. The average fluxes for COS and CS2 are -93 ± 11.7 pmol m -2 s -1 and -18 ± 7.6 pmol m -2 s -1, respectively. The fluxes of both gases appear to be correlated to photosynthetically active radiation and to the CO2 and H2O fluxes, supporting the idea that the air-vegetation exchange of both gases is controlled by stomata. An uptake ratio COS / CO2 of 10 ± 1.7 pmol mmol -1 has been derived from the regression line for the correlation between the COS and CO2 fluxes. This uptake ratio, if representative for the global terrestrial net primary production, would correspond to a sink of 2.3 ± 0.5 Tg COS yr-1.
The theoretical basis for the link between the leaf exchange of carbonyl sulfide (COS), carbon dioxide (CO2) and water vapour (H2O) and the assumptions that need to be made in order to use COS as a tracer for canopy net photosynthesis, transpiration and stomatal conductance, are reviewed. The ratios of COS to CO2 and H2O deposition velocities used to this end are shown to vary with the ratio of the internal to ambient CO2 and H2O mole fractions and the relative limitations by boundary layer, stomatal and internal conductance for COS. It is suggested that these deposition velocity ratios exhibit considerable variability, a finding that challenges current parameterizations, which treat these as vegetation-specific constants. COS is shown to represent a better tracer for CO2 than H2O. Using COS as a tracer for stomatal conductance is hampered by our present poor understanding of the leaf internal conductance to COS. Estimating canopy level CO2 and H2O fluxes requires disentangling leaf COS exchange from other ecosystem sources/sinks of COS. We conclude that future priorities for COS research should be to improve the quantitative understanding of the variability in the ratios of COS to CO2 and H2O deposition velocities and the controlling factors, and to develop operational methods for disentangling ecosystem COS exchange into contributions by leaves and other sources/sinks. To this end, integrated studies, which concurrently quantify the ecosystem-scale CO2, H2O and COS exchange and the corresponding component fluxes, are urgently needed.
We investigate the potential of carbonyl sulfide (COS) for being used as a tracer for canopy net photosynthesis, transpiration and stomatal conductance by examining the theoretical basis of the link between leaf COS, carbon dioxide (CO2) and water vapour (H2O) exchange. Our analysis identifies several limitations that need to be overcome to this end, however at present we lack appropriate ecosystem-scale field measurements for assessing their practical significance. It however appears that COS represents a better tracer for CO2 than H2O. Concurrent measurements of ecosystem scale COS, CO2 and H2O exchange are advocated.