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s/c14/CH4/gi

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Methane concentration and diffusive flux in the Northern Sea off Heligoland in 2024

As part of the MOSES Project, in April 2023 methane measurements were started in the north-western part of the island Heligoland in the German Bight (North Sea). The objective was to complement the measurements of the Sternfahrten to identify the carbon cycle and its flow from the start of the Elbe river into the North Sea. Therefore, a Contros methane sensor for dissolved methane was deployed under water at about 10 to 12 meter depth (depending on the tide) close to the underwater observatory (UW-OBS) MarGate (54°11' N, 7°52' E), from the COSYNA Project. To ensure correct values latter was cleaned frequently from growing organisms by scientific divers. The present data contains the data from 2024, the second year running the sensors. Based on the concentrations of dissolved methane the methane emissions (diffusive flux) was calculated.

Absolute abundances of methane- and sulfate-cycling microorganisms, pore water gas concentrations and stable carbon isotopes (Table 1)

Soil cores for microbial, dissolved gas concentrations and isotopic analysis were taken using a Russian type peat corer (De Vleeschouwer et al. 2010) before and after rewetting. Each time, we took duplicates at stations 1-8 for this rather labor-intensive process and divided the core into four depth sections: surface, 5–20, 20–40 and 40–50 cm. Subsamples for dissolved gases and stable carbon isotope analyses were taken with tip-cut syringes with a distinct volume of 3 ml (Omnifix, Braun, Bad Arolsen, Germany) and immediately placed into NaCl-saturated vials (20 ml, Agilent Technologies, 5182-0837, Santa Clara, USA) leaving no headspace and closed gas-tight using rubber stoppers and metal crimpers (both: diameter 20 mm, Glasgerätebau Ochs, Bovenden, Germany).

Methane concentration and diffusive flux in the Northern Sea off Heligoland in 2023

As part of the MOSES Project, in April 2023 methane measurements were started in the north-western part of the island Heligoland in the German Bight (North Sea). The objective was to complement the measurements of the "Sternfahrten" to identify the carbon cycle and its flow from the start of the Elbe river into the North Sea. Therefore, a Contros methane sensor for dissolved methane was deployed under water at about 10 to 12 meter depth (depending on the tide) close to the underwater observatory (UW-OBS) MarGate (54°11' N, 7°52' E), from the COSYNA Project. To ensure correct values latter was cleaned frequently from growing organisms by scientific divers. The present data contains the data from 2023, the first year running the sensors. Based on the concentrations of dissolved methane the methane emissions (diffusive flux) was calculated.

MOSES Sternfahrt-10, Elbe water distribution and dispersion of pollutants from the Elbe outflow into the Northern Sea (German Bight), in 2023

The Sternfahrt-10 of the MOSES campaign, from 29th August until the 15th of September 2023, had two objectives. One was to follow the dispersion of pollutants, previously observed during the Elbe-Freshwater and Elbe-Tidal cruises, transported by the Elbe water into the North Sea. And second, on this occasion, the distribution of the Elbe water within the German Bight should be followed. To realize this, two drifter groups were deployed in the southern and, respectively, northern branch of the Elbe valley, which were continuously monitored by scientists at the Hereon institute. Further, the drifters were subsequently followed by three ships (RV Ludwig Prandtl, RV Littorina, RV Mya II), for in total three weeks, to measure hydrographic parameters multiple times along their journey. Additionally, to this stationary sampling, basic hydrographic parameters and dissolved methane were measured continuously along the tracks (content of the presented dataset). To ensure the comparability of the data from all three vessels a container was transferred from ship to ship. This "MOSES laboratory-container" was equipped with several sensors, amongst others a pocket FerryBox and a Greenhouse Gas Analyser (Los Gatos). The Ludwig Prandtl started the campaign on August 29th in Cuxhaven and deployed the drifters in the respective areas of the Elbe outflow section of the German Bight. Until the 1st of September the crew followed the drifters to sample this water body. Not all drifters could be reached every day, because it was too shallow, in this case the vessels occupied MOSES hydrographic stations from previous Sternfahrt cruises. On September 4th the vessel Littorina took over and started the second part of the campaign navigating from Cuxhaven to Heligoland covering as many drifter positions as possible. Until the 7th of September the crew sampled in the north eastern part of Heligoland up to Büsum. The handover of the container for the last episode of the cruise took place in Heligoland to the vessel Mya II. From there the crew navigated on September 12th towards west off the island Amrum. In the following days until September 14th, they sampled west off Heligoland to west off St. Peter-Ording. For more details about the exact tracks of the ships, have a look at the added map. More detailed information about the MOSES project and the Sternfahrten, see article cited in references.

Sentinel-5P TROPOMI – Ultraviolet Index (UVI), Level 3 – Global

UV Index (UVI) as derived from TROPOMI observations. The UVI describes the intensity of the solar ultraviolet radiation. Values around zero indicate low, values greater than 10 indicate very high UV exposure on the ground. The TROPOMI instrument onboard the Copernicus SENTINEL-5 Precursor satellite is a nadir-viewing, imaging spectrometer that provides global measurements of atmospheric properties and constituents on a daily basis. It is contributing to monitoring air quality and climate, providing critical information to services and decision makers. The instrument uses passive remote sensing techniques by measuring the top of atmosphere solar radiation reflected by and radiated from the earth and its atmosphere. The four spectrometers of TROPOMI cover the ultraviolet (UV), visible (VIS), Near Infra-Red (NIR) and Short Wavelength Infra-Red (SWIR) domains of the electromagnetic spectrum. The operational trace gas products generated at DLR on behave ESA are: Ozone (O3), Nitrogen Dioxide (NO2), Sulfur Dioxide (SO2), Formaldehyde (HCHO), Carbon Monoxide (CO) and Methane (CH4), together with clouds and aerosol properties. This product is created in the scope of the project INPULS. It develops (a) innovative retrieval algorithms and processors for the generation of value-added products from the atmospheric Copernicus missions Sentinel-5 Precursor, Sentinel-4, and Sentinel-5, (b) cloud-based (re)processing systems, (c) improved data discovery and access technologies as well as server-side analytics for the users, and (d) data visualization services.

PGS: POLSTRACC / GWLCYCLE and SALSA: Teilnahme der universitären Partner an einer koordinierten Arktis Mission mit HALO

Ziel diesen Antrags ist die Teilnahme der universitären Partner an den Messungen der Kampagne PGS (POLSTRACC/ GWLCYCLE/ SALSA), die im Winter 2015/2016 durchgeführt werden sollen. An der geplanten HALO Kampagne sind die Universitäten Frankfurt, Mainz, Heidelberg und Wuppertal beteiligt. Die Universität Mainz ist kein voller Partner dieses Antrages, da es kein Projekt der Universität Mainz (AG Prof. Peter Hoor) in der letzten Phase des Schwerpunktprogramms gab. Der finanzielle Teil der geplanten Aktivitäten der Universität Mainz soll daher über die Universität Frankfurt abgewickelt werden. Der wissenschaftliche Beitrag der Universität Mainz ist allerdings in einer ähnlichen Weise dargestellt wie für die anderen universitären Partner. Das Ziel von PGS ist es, Beobachtungen einer großen Zahl verschieden langlebiger Tracer zur Verfügung zu stellen, um chemische und dynamische Fragestellungen in der UTLS zu untersuchen (POLSTRACC und SALSA) und die Bildung und Propagation von Schwerwellen in der Atmosphäre zu untersuchen. (GWLCYCLE). Die Universitäten Frankfurt und Wuppertal schlagen vor hierfür GC Messungen von verschieden langlebigen Spurengasen und von CO2 (Wuppertal) durchzuführen. Die Universität Mainz schlägt den Betrieb eines Laser Spektrometers für schnelle Messungen von N2O, CH4 und CO vor und die Universität Heidelberg plant Messungen reaktiver Chlor und Bromverbindungen mit Hilfe der DOAS Technik. Die wissenschaftlichen Studien, die mit den gewonnen Daten durchgeführt werden sollen, werden im Antrag umrissen. Es sind Studien zu Herkunft und Transport von Luftmassen in der UTLS, zu Transportzeitskalen und zum chemischen Partitionierung. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass diese wissenschaftlichen Arbeiten zwar hier umrissen werden, die Studien selbst aber aufgrund der begrenzten Personalförderung und der kurzen Laufzeit nicht Teil dieses Antrags sind. Ziel dieses Antrags ist es, die Vorbereitung und Integration der Messgeräte zu ermöglichen, die Messungen durchzuführen und die Daten für die Datenbank auszuwerten. Wir beantragen daher hier den universitären Anteil an den Missionskosten (incl. Zertifizierung der Gesamtnutzlast und der Flugkosten), die Personalmittel, Reisekosten und Verbrauchskosten für die Durchführung der Messungen.

Produktion und Konsumption (Flüsse) der klimarelevanten Spurengase, Lachgas und Methan in einem Dauergrünland unter steigender atmosphärischer CO2-Konzentration

Außer dem bekannten Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) existieren weitere stark klimawirksame Spurengase biologischen Ursprungs, z.B. Lachgas (N2O) und Methan (CH4), die mikrobiell im Boden produziert (N2O, CH4) oder im Falle des Methans auch verbraucht (oxidiert) werden. Die steigende atmosphärische CO2-Konzentration kann sich über die Pflanzen in vielfacher Weise auf die bodenmikrobiellen, Spurengasproduzierenden Prozesse auswirken. So ist beispielsweise nachgewiesen worden, dass der Wasserverbrauch der Pflanzen unter erhöhtem CO2 häufig sinkt und die Abgabe von leicht zersetzbarem Kohlenstoff an den Boden (Wurzelexudation) steigt. Beides könnte die Denitrifikation und damit die N2O-Produktion begünstigen, ebenso die Methanproduktion, wenn im Boden anaerobe Bedingungen (z.B. durch Überflutung) eintreten. Steigende Bodenfeuchte würde zugleich die Sauerstoff-abhängige Methanoxidation im Oberboden hemmen. Zu diesem Thema existieren bislang weltweit nur Kurzzeit- und Laborstudien. Im hier vorgestellten Projekt werden im Freilandexperiment die Langzeitauswirkungen steigender atmosphärischer CO2-Konzentrationen über das System Pflanze-Boden auf die Flüsse der klimawirksamen Spurengase N2O und CH4 in einem artenreichen Dauergrünland untersucht. Hierzu gelangt ein im Institut für Pflanzenökologie neuentwickeltes Freiland-CO2-Anreicherungssystem (FACE) zur Anwendung, bei dem die CO2-Konzentration in drei Anreicherungsringen seit Mai 1998 um etwa 20 Prozent gegenüber den drei Kontrollringen erhöht wurde. Über die Jahresbilanzierungen der Spurengasflüsse sowie über begleitende Prozessstudien soll geklärt werden, wie und auf welche Weise erhöhtes CO2 auf die N2O- und CH4-Spurengasflüsse rückwirkt. Die ersten Ergebnisse zeigen deutlich, dass in einem etablierten artenreichen Ökosystem wie dem untersuchten Feuchtgrünland zuerst die unterirdischen Prozesse auf die steigenden CO2-Konzentrationen reagierten (Bestandesatmung). Die oberirdische Biomasse zeigte erst nach etwa 1,5 Jahren der CO2-Anreicherung einen signifikanten Zuwachs gegenüber den Kontrollflächen. Im Jahr 1997, vor dem Beginn der CO2 -Anreicherung, waren sowohl die N2O-Emissionen als auch die CH4 Flüsse auf den (späteren) Anreicherungs- und den Kontrollflächen fast identisch. Seit Beginn der Anreicherung hingegen sind die N2O-Emissionen vor allem während der Vegetationsperiode dramatisch angestiegen: auf 278 Prozent der Emissionen der Kontrollflächen. Die Methanoxidation war rückläufig unter erhöhtem CO2: Mittlerweile oxidieren die CO2 Anreicherungsflächen 20 Prozent weniger CH4 als die Kontrollflächen (Jahr 2000), wobei auch hier der größte Unterschied während der Vegetationsperiode auftrat. Eine erhöhte Bodenfeuchte kommt als Erklärung nicht in Frage, da sich diese nicht geändert hat.

Forschergruppe (FOR) 5664: Agroforstwirtschaft für eine nachhaltige multifunktionale Landwirtschaft, Teilprojekt SP1: Treibhausgasflüsse und Kohlenstoffspeicherung

Angesichts der sich verschärfenden globalen Klimakrise besteht dringender Handlungsbedarf die Ursachen des Klimawandels zu bekämpfen und zu mindern. Da die Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) wesentlich zur globalen Erderwärmung beitragen, müssen sich alle Anstrengungen auf deren Vermeidung und Verminderung konzentrieren. Außerdem könnte die zusätzliche Bindung von Kohlenstoff (C) in Böden und Baumbiomasse/Holz ein wirksames Instrument für den Klimaschutz sein. Deutschland ist bestrebt, durch verschiedene Minderungsmaßnahmen bis 2045 Klimaneutralität zu erreichen. Es gibt bereits belastbare Hinweise, dass Agroforstsysteme (AFS) die N2O- und/oder CO2-Emissionen reduzieren und so den Carbonfootprint verringern können. Dies ist vor allem auf die Erhöhung der unter- und oberirdische Biomasse durch Anpflanzung von Gehölzen und Gehölzen und der dazugehörigen Vegetation zurückzuführen ist. Darüber hinaus werden die THG-Emissionen stark von den mikroklimatischen Bedingungen und dem Wasser- und Nährstoffkreislauf beeinflusst. AFS zeichnen sich insbesondere durch ein hohes Maß an kleinräumiger Heterogenität aus. Bislang gibt es jedoch keine systematischen Erkenntnisse über das quantitative THG-Reduktions- und C-Sequestrierungspotenzial von AFS und über deren räumlich-zeitliche Variabilität. Dies ist teilweise auf methodische Beschränkungen zurückzuführen, wenn es um umfassende Analysen des gesamten Systems geht, einschließlich der Kulturpflanzen- und Baumreihen. Daher konzentriert sich dieses Projekt auf umfassende Messungen der räumlich-zeitlichen Muster der THG-Emissionen und der C-Dynamik in AFS, um die zugrundeliegenden Prozesse und Treiber besser zu verstehen und zu ermitteln, wie AFS wirksam zur Verringerung der THG-Emissionen beitragen und möglicherweise die C-Sequestrierung in der gemäßigten Klimazone verbessern können. Die angewandten Messtechniken beinhalten: i) mikrometeorologische Sensornetzwerke, (ii) halbautomatische geschlossene Kammersysteme zur Bestimmung der tageszeitlichen CO2-, CH4-, N2O- und ET-Flüsse (enge Verknüpfung von SP1 und 2), iii) Isotopenansätze und iv) Methoden zur Bestimmung des Netto-Ökosystem-Kohlenstoffbudgets und Bodenkohlenstoff-Stabilisierungsmechanismen. Die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen Parametern, die sich auf THG-Emissionen, Kohlenstoffdynamik und die Integration von Bäumen beziehen, werden untersucht, um Modellparameter für Upscaling und Szenarioanalysen abzuleiten. Um diese Ziele zu erreichen, werden im Projekt folgende Arbeitspakete behandelt: WP1) Einfluss von AFS auf die räumlich-zeitliche Dynamik der THG-Flüsse, WP2) Einfluss von AFS auf das C-Sequestrierungspotenzial und WP3) Interaktion von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserkreisläufen in AFS. Die Arbeiten finden an zwei verschiedenen Standorten (in Hessen, Gladbacherhof und in Brandenburg, Großmutz) statt, um die wissenschaftlichen Erkenntnisse unter verschiedenen pedoklimatischen Bedingungen zu bewerten und zu validieren.

Surface water parameters (pH, specific conductivity, salinity, nutrients, oxygen, sulfate and chloride concentrations, DOC/DIC) (Table 4)

Surface water parameters were measured in parallel to the gas measurements and soil coring for microbial analyses. Most surface water variables (pH, specific conductivity, salinity, nutrients, oxygen, sulfate and chloride concentrations, DOC/DIC) were measured in-situ using a multiparameter digital water quality meter or taken to the laboratory as water samples for further analysis. While surface water analysis was only conducted in the drainage ditch before rewetting, it was done along the entire transect after rewetting.

Distribution of contaminants from the Elbe outflow into the North Sea (German Bight) based on water samples from the MOSES cruise Sternfahrt 10 in 2023

The Sternfahrt-10 of the MOSES campaign, from 29th August until the 15th of September 2023, had two objectives. One was to follow the dispersion of pollutants transported by the Elbe water into the North Sea, previously observed during the Elbe-Freshwater and Elbe-Tidal cruises. And second the distribution of the Elbe water within the German Bight. Therefore, drifter groups were deployed to follow individual water parcels. Those drifters were followed subsequently by three ships (RV Ludwig Prandtl, RV Littorina, RV Mya II), to extend the time period of measurements. Along the tracks, water samples were taken close to the drifters, alternatively at stations from previous cruises, resulting in 12 to 24 sampling points per week. In terms to detect the concentration of a variety of nutrients and carbon compounds from the south-eastern North Sea up to the island Amrum. Additionally, basic hydrographic parameters and greenhouse gases were sampled continuously throughout the whole cruise. Those results are not part of the present dataset, but can be found here, https://doi.org/10.1594/PANGAEA.971874. To ensure the comparability of the measured parameters a transportable container laboratory was passed from ship to ship always equipped with the same sensor systems. Just for specific water samples some special equipment was added. A map of the different tracks as well as information about the used sensors and data treatment, you can find in the additional material. For more detailed information about the MOSES Project and the cruise Sternfahrt-10, see the article cited in references.

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