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Forschergruppe (FOR) 1525: INUIT - Ice Nuclei research UnIT, Kompositionsanalyse von Eisresiduen mittels der Kombination von Aerosol-Massenspektrometrie mit einem virtuellem Gegenstromimpaktor

Dieser Fortsetzungsantrag eines bestehenden Forschungsprojekts innerhalb der Forschergruppe INUIT (Ice Nuclei Research UnIT) hat zum Ziel, die physikalischen und chemischen Eigenschaften von atmosphärischen Eiskeimen (ice nucleating particles, INP) und Eispartikelresiduen (ice particle residuals, IPR) zu untersuchen. Es werden hauptsächlich zwei Messtechniken eingesetzt: virtueller Gegenstromimpaktor und Laserablationsmassenspektrometrie. Eiskeime (INP) aus atmosphärischem Aerosol werden erst in einem Eiskeimzähler aktiviert, so dass sich Eiskristalle bilden, die dann mit einem bepumpten Gegenstromimpaktor aufgrund ihrer Größe extrahiert und verdunstet werden können. Die freigesetzten INP können wiederum mit dem Massenspektrometer oder anderen Messtechniken untersucht werden. Dieses Experiment wird während einer Feldmesskampagne in der Nähe der Quellen von potentiell guten Eiskeimen (Mineralstaub, Biopartikel, anthropogene Partikel) durchgeführt. Ein geeigneter Kampagnenort hierfür ist die Mittelmeerregion, z.B. Südspanien. Die Eispartikelresiduen werden direkt aus unterkühlten Mischphasenwolken gesammelt. Hierzu wird ein spezieller Eis-Gegenstromimpaktor eingesetzt, der nur Eiskristalle sammelt und von den unterkühlten Wolkentröpfchen trennt. Nach der Sammlung wird das Eis der Eiskristalle verdunstet, so dass die Eisresidualpartikel freigesetzt werden und mittels des Laser- Ablationsmassenspektrometers analysiert werden können. Dieses Experiment wird auf einer Bergstation (Jungfraujoch) durchgeführt. Die Kombination aus Eiskeimzähler, bepumptem Gegenstromimpaktor und Massenspektrometer wird auch unter Laborbedingen zur Bestimmung der Eiskeimfähigkeit von internen und externen Partikelmischungen (z.B. biologisch/mineralisch) betrieben. Das Laserablationsmassenspektrometer in seiner Eigenschaft als Einzelpartikel-Analysegerät wird ebenfalls dazu eingesetzt, um den Mischungszustand der erzeugten Mischpartikel zu charakterisieren.

Sonderforschungsbereich Transregio 38 (SFB TRR): Strukturen und Prozesse der initialen Ökosystementwicklung in einem künstlichen Wassereinzugsgebiet; Structures and Processes of the Initial Ecosystem Development Phase in an Artificial Water Catchment, Teilprojekt C 04: Hydrologische Oberflächenprozesse während der Entwicklungsphase eines künstlichen Einzugsgebiets

Das Hauptziel des Projekts ist die Untersuchung und die Entwicklung von Methoden nicht nur zur punktuellen, sondern auch zur flächenhaften Bestimmung der Bodenfeuchte. Zur Anwendung sollen Geländetechniken wie Time-Domain Reflectrometry (TDR), Georadar (GPR), Elektrische Widerstand (ER), Elektromagnetische Induktion (EMI) sowie GNSS Scatterometry kommen. Eine der methodischen Hauptfragen ist die Nutzung der GNSS Scatterometry zur Ermittlung der Bodenfeuchte im Feldmaßstab. Eine weitere grundlegende Forschungsfrage wird die weitere Entwicklung der elektrischen und elektromagnetischen geophysikalischen Techniken für bodenkundliche Anwendungen sein.

The iron-snow regime in Fe-FeS cores: a numerical and experimental approach

In the Earth, the dynamo action is strongly linked to core freezing. There is a solid inner core, the growth of which provides a buoyancy flux that drives the dynamo. The buoyancy in this case derives from a difference in composition between the solid inner core and the fluid outer core. In planetary bodies smaller than the Earth, however, this core differentiation process may differ - Fe may precipitate at the core-mantle boundary (CMB) rather than in the center and may fall as iron snow and initially remelt with greater depth. A chemical stable sedimentation zone develops that comprises with time the entire core - at that time a solid inner core starts to grow. The dynamics of this system is not well understood and also whether it can generate a magnetic field or not. The Jovian moon Ganymede, which shows a present-day magnetic dipole field, is a candidate for which such a scenario has been suggested. We plan to study this Fe-snow regime with both a numerical and experimental approach. In the numerical study, we use a 2D/3D thermo-chemical convection model that considers crystallization and sinking of iron crystals together with the dynamics of the liquid core phase (for the 3D case the influence of the rotation of the Fe snow process is further studied).The numerical calculations will be complemented by two series of experiments: (1) investigations in metal alloys by means of X-ray radioscopy, and (2) measurements in transparent analogues by optical techniques. The experiments will examine typical features of the iron snow regime. On the one hand they will serve as a tool to validate the numerical approach and on the other hand they will yield important insight into sub-processes of the iron snow regime, which cannot be accessed within the numerical approach due to their complexity.

Drivers and mechanisms of 13C discrimination in Cleistogenes squarrosa (C4) - reducing uncertainties on bundle sheath leakiness

The energetic efficiency of C4 photosynthesis is strongly affected by bundle sheath leakiness, which is commonly assessed with the 'linear version' of the Farquhar model of 13C discrimination, and leaf gas exchange and 13C composition data. But, the linear Farquhar model is a simplification of the full mechanistic theory of ? in C4 plants, potentially generating errors in the estimation of leakiness. In particular, post-photosynthetic C isotope fractionation could cause large errors, but has not been studied in any detail. The present project aims to improve the understanding of the ecological and developmental/physiological factors controlling discrimination and leakiness of the perennial grass Cleistogenes squarrosa. C. squarrosa is the most important member of the C4 community which has spread significantly in the Mongolia grasslands in the last decades. It has an unusually high and variable discrimination, which suggests very high (and potentially highly variable) leakiness. Specifically, we will conduct the first systematic study of respiratory 13C fractionation in light and dark at leaf- and stand-scale in this C4 species, and assess its effect on discrimination and estimates of leakiness. These experiments are conducted in specialized 13CO2/12CO2 gas exchange mesocosms using ecologically relevant scenarios, testing specific hypotheses on effects of environmental drivers and plant and leaf developmental stage on discrimination and leakiness.

LA-ICP-MS data (Mg/Ca, Sr/Ca and Mn/Ca) of foraminifera from controlled growth experiments

LA-ICP-MS data from three different experiments including five foraminiferal species: Ammonia confertitesta (Bourgenuf, France), Bulimina marginata, Cassidulina laevigata (Gullmard Fjord, Sweden), Amphistegina lessonii and Operculina ammonoides (Eilat, Israel). Foraminifera were cultured at different oxygen concentrations (30% and 100% oxygen saturation). Element to calcium ratio (E/Ca) and partition coefficients (D) of Mg, Mn and Sr are noted for individual laser ablation measurements per specimen.

Quantification of the influence of current use fungicides and climate change on allochthonous Organic MATer decomposition in streams (QUANTOMAT)

The decomposition of terrestrial organic material such as leaf litter represents a fundamental ecosystem function in streams that delivers energy for local and downstream food webs. Although agriculture dominates most regions in Europe and fungicides are applied widely, effects of currently used fungicides on the aquatic decomposer community and consequently the leaf decomposition rate are largely unknown. Also potential compensation of such hypothesised adverse effects due to nutrients or higher average water temperatures associated with climate change are not considered. Moreover, climate change is predicted to alter the community of aquatic decomposers and an open question is, whether this alteration impacts the leaf decomposition rate. The current projects follows a tripartite design to answer these research questions. Firstly, a field study in a vine growing region where fungicides are applied in large amounts will be conducted to whether there is a dose-response relationship between the exposure to fungicides and the leaf decomposition rate. Secondly, experiments in artificial streams with field communities will be carried out to assess potential compensatory mechanisms of nutrients and temperature for effects of fungicides. Thirdly, field experiments with communities exhibiting a gradient of taxa sensitive to climate change will be used to investigate potential climate-related effects on the leaf decomposition rate.

Strömungsdynamik über ästuarinen Bodenformen

Ziel dieses Projektes ist die Beschreibung von Strömungsmustern über ästuarinen Bodenformen anhand von Rinnenexperimenten und numerischen Simulationen. Bodenformen (Riffel und Dünen) sind weitverbreitete Bestandteile von Flüssen, Ästuaren, Küstengewässern- und Tiefseegebieten. Bodenformen liefern Hinweise auf Richtung und Stärke von Sedimenttransportprozessen, haben einen starken Einfluss auf die über ihnen liegende Strömung und sind zudem von großer sozioökonomischer Bedeutung, z. B. hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Schiffbarkeit der Gewässer. In vielen Ästuaren bilden sich aufgrund der starken Hydrodynamik und der hohen Verfügbarkeit von sandigen Sedimenten große Bodenformfelder. Die Strömung über diesen Bodenformfeldern unterscheidet sich grundlegend von der Strömung über den bekannten, dreieckigen Bodenformen mit einem Neigungswinkel von 30°, die bisher im Fokus von Labor- und numerischen Modellierungsstudien standen. Ästuarine Bodenformen sind hauptsächlich flachgeböschte Dünen mit mittleren Luvwinkeln von 5 bis 20°. Die Strömungseigenschaften über derartigen, flachen Winkeln sind derzeit nicht genau bekannt. So ist zum Beispiel der Zusammenhang zwischen der Neigung der Leeböschung und dem Vorhandensein oder Fehlen einer intermittierenden oder permanenten Strömungsablösung noch nicht ausreichend verstanden. Außerdem haben ästuarine Dünen ein relativ flaches Tal und steile Böschungen in der Nähe des Kammes, während Flussdünen einen flachen Kamm und in der Nähe des Tals steile Böschungen haben. Die Auswirkungen dieses Unterschieds in der Dünenmorphologie auf die Strömung sind derzeit noch unbekannt. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen einer sich in der Richtung ändernden Gezeitenströmung und der natürlichen Morphologie von Dünen, einschließlich der dreidimensionalen Variationen, noch nicht im Detail untersucht.Im Rahmen der vorgeschlagenen Studie werden mehrere Versuchsreihen in einer großen Laborrinne durchgeführt, um die Strömungseigenschaften (Geschwindigkeit und Turbulenz) über an Ästuardünen angelehnten Modelldünen aus Beton zu charakterisieren. Basierend auf Feldmessungen von Bodenformen in der Weser werden drei Dünenformvarianten untersucht: Steilgeböschte asymmetrische Dünen, flachgeböschte asymmetrische Dünen und flachgeböschte symmetrische Dünen. Darüber hinaus werden hochauflösende numerische Simulationen der Strömung über dreidimensionalen Bodenformfeldern die Rinnenexperimente ergänzen. Mithilfe der Modellsimulationen ist es möglich, die Geschwindigkeitsstrukturen der Gezeitenströmung und die Turbulenzstrukturen über natürlichen, in der Weser vorkommenden Dünenfeldern zu bestimmen. Die Ergebnisse dieses Projekts tragen zu einem besseren Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen ästuarinen Dünen und der Gezeitenströmung bei und erlauben eine bessere Parametrisierung der kleinräumigen Prozesse in großräumigen hydro- und morphodynamischen Modellen.

Can the resistance and resilience of trees to drought be increased through thinning to adapt forests to climate change?

Recent and predicted increases in extremely dry and hot summers emphasise the need for silvicultural approaches to increase the drought tolerance of existing forests in the short-term, before adaptation through species changes may be possible. We aim to investigate whether resistance during droughts, as well as the recovery following drought events (resilience), can be increased by allocating more growing space to individual trees through thinning. Thinning increases access of promoted trees to soil stored water, as long as this is available. However, these trees may also be disadvantaged through a higher transpirational surface, or the increased neighbourhood competition by ground vegetation. To assess whether trees with different growing space differ in drought tolerance, tree discs and cores from thinning experiments of Pinus sylvestris and Pseudotsuga menziesii stands will be used to examine transpirational stress and growth reduction during previous droughts as well as their subsequent recovery. Dendroecology and stable isotopes of carbon and oxygen in tree-rings will be used to quantify how assimilation rate and stomatal conductance were altered through thinning. The results will provide crucial information for the development of short-term silvicultural adaptation strategies to adapt forest ecosystems to climate change. In addition, this study will improve our understanding of the relationship between resistance and resilience of trees in relation to extreme stress events.

Design and analysis of unreplicated plant breeding trials

Early generation plant breeding trials are often laid out according to unreplicated designs. Replicated checks may be used for error control, for example in augmented designs based on an incomplete block design for checks which are augmented with unreplicated entries. Traditional augmented designs require considerable resources to be spent on genotypes that are not themselves of interest. Therefore, it has been suggested to replace checks with partially replicated entries, leading to so-called prep designs. In the present proposal we suggest combining both ideas to develop what we call augmented prep designs. A non-trivial design problem arises when trials are to be performed at multiple locations. The main challenge then is how to augment the blocks so as to balance the number of pairwise concurrences. This task can be tackled in different ways based on the use (-arrays which are well-known as the basis for (-designs in fully replicated experiments. Furthermore, we also explore the refinement of designs when analysis by spatial models is envisioned. Robustness of the designs to the presence of genotype-environment interaction is also investigated.

Effects of canopy structure on salinity stress in cucumber (Cucumis sativus L.)

Salinity reduces the productivity of cucumber (Cucumis sativus L.) through osmotic and ionic effects. For given atmospheric conditions we hypothesize the existence of an optimal canopy structure at which water use efficiency is maximal and salt accumulation per unit of dry matter production is minimal. This canopy structure optimum can be predicted by integrating physiological processes over the canopy using a functional-structural plant model (FSPM). This model needs to represent the influence of osmotic stress on plant morphology and stomatal conductance, the accumulation of toxic ions and their dynamics in the different compartments of the system, and their toxic effects in the leaf. Experiments will be conducted to parameterize an extended cucumber FSPM. In in-silico experiments with the FSPM we attempt to identify which canopy structure could lead to maximum long-term water use efficiency with minimum ionic stress. The results from in-silico experiments will be evaluated by comparing different canopy structures in greenhouses. Finally, the FSPM will be used to investigate to which extent the improvement of individual mechanisms of salt tolerance like reduced sensitivity of stomatal conductance or leaf expansion can contribute to whole-plant salt tolerance.

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