OZONE PHOTOCHEMICAL PRODUCTION EFFICIENCY IN NEAR-SURFACE LAYER OVER BOREAL FORESTS OF CENTRAL AND SOUTHERN SIBERIA

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Quantitative assessments of photochemical ozone production (PO3), ozone production efficiency (ΔP) with respect to odd oxygen NOx (= NO + NO2), and NOx exponential lifetime (τN) are estimated from continuous measurements of near-surface mixing ratios of O3, NO and NO2 at the regional stations of ZOTTO (Central Siberia) and Fonovaya (Southern Siberia) in a photochemical active period from March–September. We obtain the general functional forms PO3 ≈ A·[NOx], ΔP = A/(1 + B[NOx]), τN = ΔP / A' uniformly valid for the range of the measured NOx mixing ratios (0.2–2 ppb), where A' is a proportionality constant in a NOx-limiting regime of ozone production, and coefficients A and B depend on the total OH reactivity and exact composition of the CO, CH4, and higher hydrocarbons (RH) mixture. We show that atmospheric oxidation of ozone precursors including those emitted from local biogenic sources, along with regional NOx emissions, provide an important regional source of O3 and sink for odd oxygen in the atmospheric boundary layer over boreal forests in the region of study.

About the authors

K. B. Moiseenko

Obukhov Institute of atmospheric physics RAS

Email: k_moeseyenko@ifaran.ru
Moscow, Russia

A. V. Vasileva

Obukhov Institute of atmospheric physics RAS

Moscow, Russia

I. B. Belikov

Obukhov Institute of atmospheric physics RAS

Moscow, Russia

E. V. Berezina

Obukhov Institute of atmospheric physics RAS

Moscow, Russia

M. Yu. Arshinov

Zuev Institute of atmospheric optics SB RAS

Tomsk, Russia

B. D. Belan

Zuev Institute of atmospheric optics SB RAS

Tomsk, Russia

References

  1. Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Козлов A.B., Краснов O.A., Праслова О.В., Рассказчикова Т.М., Савкин Д.Е., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Суточная динамика вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы в районе Томска // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26. № 8. С. 665–672.
  2. Белан Б. Д., Ковалевский В. К., Плотников А. П., Скляднева Т. К. Временная динамика озона и оксидов азота в приземном слое в районе г. Томска // Оптика атмосф. и океана. 1998. Т. 11. № 12. С. 1325–1327.
  3. Белан Б. Д., Савкин Д. Е., Толмачев Г. Н. Зависимость образования озона в приземном слое от температуры воздуха // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30. № 11. С. 971–979.
  4. Белан Б. Д., Толмачев Г. Н., Фофонов А. В. Вертикальное распределение озона в тропосфере над югом Западной Сибири // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23. № 9. С. 777–783.
  5. Березина Е. В., Моисеенко К. Б., Скороход А. И., Еланский Н. Ф., Беликов И. Б. Ароматические летучие органические соединения и их роль в формировании приземного озона на территории России // Докл. АН 2017. Т. 474. № 3. С. 356–360.
  6. Моисеенко К. Б., Штабкин Ю. А., Березина Е. В., Скороход А. И. Региональные фотохимические источники приземного озона в Европе и Западной Сибири // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2018. Т. 54. № 6. С. 645–648.
  7. Моисеенко К. Б., Васильева А. В., Скороход А. И., Штабкин Ю. А., Беликов И. Б., Репин А. Ю. Фотостационарное равновесие в системе O3-NOx и генерация озона по данным измерений на фоновой высотной мачте ZOTTO // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35. N 10. С. 850–857.
  8. Antonovich V.V., Antokhin P.N., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Balin Yu.S., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Kozlov V.S., Kokhanenko G.P., Novoselov M.M., Panchenko M.V., Penner I.E., Pestunov D.A., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Tolmachev G.N., Fofonov A.V., Chernov D.G., Smargunov V.P. Station for the comprehensive monitoring of the atmosphere at Fonovaya Observatory, West Siberia: current status and future needs // Proc. SPIE. 2018. V. 10833. id. 108337Z. P. 6.
  9. Atkinson R., Baulch D.L., Cox R.A., Crowley J.N., Hampson R.F., Hynes R.G., Jenkin M.E., Rossi M.J., Troe J. Evaluated kinetic and photochemical data for atmospheric chemistry: Volume I — gas phase reactions of Ox, HOx, NOx and SOx species // Atmos. Chem. Phys. 2004. V. 4. P. 1461–1738. https://doi.org/10.5194/acp-4-1461-2004
  10. Atkinson R., Baulch D.L., Cox R.A., Crowley J.N., Hampson R.F., Hynes R.G., Jenkin M.E., Rossi M.J., Troe J., IUPAC Subcommittee: Evaluated kinetic and photochemical data for atmospheric chemistry: Volume II — gas phase reactions of organic species // Atmos. Chem. Phys. 2006. V. 6. P. 3625–4055. https://doi.org/10.5194/acp-6-3625-2006
  11. Bakwin P.S., Jacob D.J., Wofsy S.C., Munger J.W., Daube B.C., Bradshaw J.D., Sandholm S.T., Talbot R.W., Singh H.B., Gregory G.L. Reactive Nitrogen Oxides and Ozone Above a Taiga Woodland // J. Geophys. Res. 1994. V. 99 (D1). P. 1927–1936. 10.1029/93JD02292' target='_blank'>https://doi.org/doi: 10.1029/93JD02292
  12. Barker D.J.Jr., Grossenbacher J.W., Hurst J.M., Shepson P.B., Olzyna K., Thornberry T., Carroll M.A., Roberts J., Stroud C., Bottenheim J., Biesenthal T. A study of the NOx dependence of isoprene oxidation // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. D11310. https://doi.org/10.1029/2003JD003965
  13. Brown E.C., Cohen R.C. Effects of biogenic nitrate chemistry on the NOx lifetime in remote continental regions // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12. P. 11917–11932. https://doi.org/10.5194/acp-12-11917-2012
  14. Brown E.C., Min K.-E., Wooldridge P.J., Apell E., Blake D.R., Brune W.H., Cantrell C.A., Cubison M.J., Diskin G.S., Jimenez J.L., Weinheimer A.J., Wennberg P.O., Wishalter A., Cohen R.C. Observations of total RONO2 over the boreal forest: NOx sinks and HNOx sources // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. P. 4543–4562. https://doi.org/10.5194/acp-13-4543-2013
  15. Derwent R.G., Manning A.J., Simmonds P.G., Spain T.G., O’Doherty S. Analysis and interpretation of 25 years of ozone observations at the Mace Head Atmospheric Research Station on the Atlantic Ocean coast of Ireland from 1987 to 2012 // Atmos. Environ. 2013. V. 80. P. 361–368. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2013.08.003
  16. Engvall-Stjernberg A.-C., Skorokhod A.I., Elansky N.F., Paris J.-D., Nedelec P., Stohl A. Low concentrations of near-surface ozone in Siberia // Tellus (B). 2012. V. 64. P. 11607. https://doi.org/10.3402/tellusb.v64i0.11607
  17. Guenther A., Hewitt C.N., Erickson D., Fall R., Geron C., Graedel T., Harley P., Klinger L., Lerdau M., McKay WA., Pierce T., Scholes B., Steinbrecher R., Tallamraju R., Taylor J., Zimmerman P. A global-model of natural volatile organic compound emissions // J. Geophys. Res. 1995. V. 100 (D5). P. 8873–8892. https://doi.org/10.1029/94JD02950
  18. Hakola H., Hellen H., Tarvainen V., Back J., Patokoski J., Rinne J. Annual variations of atmospheric VOC concentrations in a boreal forest // Boreal Environ. Res. 2009. V. 14. P. 722–730.
  19. Heimann M., Schulze E.D., Winderlich J., Andreea M., Chi X., Gerbig C., Kolle O., Kübler K., Lavric J.V., Mikhalov E., Panov A., Park S., Rödenbeck C., Skorochod A. The Zotino Tall Tower Observatory (Zotto): Quantifying Large Scale Biogeochemical Changes in Central Siberia // Nova Acta Leopoldina NF. 2014. V. 117. № 399. P. 51–64.
  20. Hens K., Novelli A., Martinez M., Auld J., Axine R., Bohn B., Fischer H., Keronen P., Kubistin D., Nölscher A.C., Oswald R., Paasonen P., Petäjä T., Regelin E., Sander R., Sinha V., Sipitä M., Taraborelli D., Tatum Ernest C., Williams J., Leileveld J., Harder H. Observation and modelling of HOX radicals in a boreal forest // Atmos. Chem. Phys. 2014. V. 14. P. 8723–8747. https://doi.org/10.5194/acp-14-8723-2014
  21. Kenagy H.S., Sparks T.L., Ebben C.J., Wooldrige P.J., Lopez-Hijfiker F.D., Lee B.H., Thornton J.A., McDuffie E.E., Fibiger D.L., Brown S.S., Montaka D.D., Weinheimer A.J., Schroder J.C., Campuzano-Jost P., Day D.A., Jimenez J.L., Dibb J.E., Campos T., Shah V., Jaeglé L., Cohen R.C. NOx lifetime and NOy partitioning during WINTER // J. Geophys. Res. 2018. V. 123. PP. 9813–9827. https://doi.org/10.1029/2018JD028736
  22. Kleinman L., Lee Y.-N., Springston S.R., Lee J.H., Nummermacker L., Weinstein-Lloyd J., Zhou X., Newman L. Peroxy radical concentration and ozone formation rate at a rural site in the southeastern United States // J. Geophys. Res. 1995. V. 100 (D4). P. 7263–7273. https://doi.org/10.1029/95JD00215
  23. Kulmala M., Suni T., Lehtinen K.E.J., Dal Maso M., Boy M., Reissell A., Rannik U., Aalto P., Keronen P., Hakola H., Back J.B., Hoffmann T., Vesala T., Hart P. A new feedback mechanism linking forests, aerosols, and climate // Atmos. Chem. Phys. 2004. V. 4. P. 557–562. https://doi.org/10.5194/acp-4-557-2004
  24. Lew M.M., Rickly P.S., Bottoff B.P., Reidy E., Sklaverit S., Léonardis T., Locope N., Dusanter S., Kundu S., Wood E., Stevens P.S. OH and HOx radical chemistry in a midlatitude forest: measurements and model comparisons // Atmos. Chem. Phys. 2020. V. 20. P. 9209–9230. https://doi.org/10.5194/acp-20-9209-2020
  25. Liebmann J., Sobanski N., Schuladen J., Karu E., Hellen H., Hakola H., Zha Q., Ehn M., Riva M., Heikkinen L., Williams J., Fischer H., Leileveld J., Crowley J.N. Alkyl nitrates in the boreal forest: formation via the NO3-OH—and O3-induced oxidation of biogenic volatile organic compounds and ambient lifetimes // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P. 10391–10403. https://doi.org/10.5194/acp-19-10391-2019
  26. Liu S.C., Trainer M., Fehsenfeld F.C., Parrish D.D., Williams E.J., Fahey D.W., Hobler G., Murphy P.C. Ozone Production in the Rural Troposphere and the Implications for Regional and Global Ozone Distributions // J. Geophys. Res. 1987. V. 92 (D4). P. 4191–4207. https://doi.org/10.1029/JD0921D04p04191
  27. Moiseenko K.B., Vasileva A.V., Skorokhod A.I., Belikov I.B., Repin A.Yu., Shubkin Yu.A. Regional impact of ozone precursor emissions on NOX and O3 levels at ZOTTO tall tower in central Siberia // Earth and Space Science. 2021. V. 8. e2021EA001762. https://doi.org/10.1029/2021EA001762
  28. Petersen R., Holst T., Mölder M., Kijun N., Rinne J. Vertical distribution of sources and sinks of volatile organic compounds within a boreal forest canopy // Atmos. Chem. Phys. 2023. V. 23. P. 7839–7858. https://doi.org/10.5194/acp-23-7839-2023
  29. Pochanari P., Akimoto H., Kajii Y., Potemkin V.M., Khodzher T.V. Regional background ozone and carbon monoxide variations in remote Siberia/East Asia // J. Geophys. Res. 2003. V. 108 (D1). P. 4028. https://doi.org/10.1029/2001JD004412
  30. Schultze E.-D., Vygadskaya N.N., Tchebakova N.M., Czinczik C.I., Kozlov D.N., Lloyd J., Mollicone D., Parfenova E., Sidorov K.N., Varlagin A.V., Wirth C. The Eurosiberian Transact: an introduction to the experimental region // Tellus (B). 2002. V. 54. № 5. P. 421–428. https://doi.org/10.3402/tellusb.v54i5.16678
  31. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change, 3rd Edition. New York: John Wiley & Sons, Inc. 2016. 1152 p.
  32. Sillman S., Logan J.A., Wofsy S.C. The sensitivity of ozone to nitrogen oxides and hydrocarbons in regional ozone episodes // J. Geophys. Res. 1990. V. 95. P. 1837–1851. https://doi.org/10.1029/JD0951D02p01837
  33. Skorokhod A.I., Berezina E.V., Moiseenko K.B., Elansky N.F., Belikov I.B. Benzene and toluene in the surface air of northern Eurasia from TROICA-12 campaign along the Trans-Siberian Railway // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17. P. 5501–5514. https://doi.org/10.5194/acp-17-5501-2017
  34. Spirig C., Guenther A., Greenberg J. P., Calanca P., Tarvainen V. Tethered balloon measurements of biogenic volatile organic compounds at a Boreal forest site // Atmos. Chem. Phys. 2004. V. 4. P. 215–229. https://doi.org/10.5194/acp-4-215-2004
  35. Taraborrelli D., Cabrera-Perez D., Bacer S., Gromov S., Lelieveld J., Sander R., Pozzer A. Influence of aromatics on tropospheric gas-phase composition // Atmos. Chem. Phys. 2021. V. 21. P. 2615–2636. https://doi.org/10.5194/acp-21-2615-2021
  36. Thorp T., Arnold S.R., Pope R.J., Spracklen D.V., Conibear L., Knote C., Arshinov M., Belan B., Asmi E., Laurila T., Skorokhod A.I., Nieminen T., Petäjä T. Late-spring and summertime tropospheric ozone and NO2 in western Siberia and the Russian Arctic: regional model evaluation and sensitivities // Atmos. Chem. Phys. 2021. V. 21. P. 4677–4697. https://doi.org/10.5194/acp-21-4677-2021
  37. Trainer M., Hsie E.Y., McKeen S.A., Tallamruju R., Parrish D.D., Fehsenfeld F.C., Liu S.C. Impact of natural hydrocarbons on hydroxyl and peroxy radicals at a remote site // J. Geophys. Res. 1987. V. 92 (D10). P. 11879–11894. https://doi.org/10.1029/JD092ID10p11879
  38. Trainer M., Parrish D.D., Buhr M.P., Norton R.B., Fehsenfeld F.C., Anlauf K.G., Bottenheim J.W., Tang Y.Z., Wiebe H.A., Roberts J.M., Tanner R.L., Newman L., Bowersox V.C., Meagher J.F., Olszyna K.J., Rodgers M.O., Wang T., Berresheim H., Demerjian K.L., Roychowdhury U.K. Correlation of ozone with NOx in photochemically aged air // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. P. 2917–2925. https://doi.org/10.1029/92JD01910
  39. Young V.L., Kieser B.N., Chen S.P., Niki H. Seasonal trends and local influences on nonmethane hydrocarbon concentrations in the Canadian boreal forest // J. Geophys. Res. 1997. V. 102 (D5). P. 5913–5918. https://doi.org/10.1029/96JD03375

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».