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Effects of water content, input of roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover & determination of the spatial variability of subsoil properties

It is well established that reduced supply of fresh organic matter, interactions of organic matter with mineral phases and spatial inaccessibility affect C stocks in subsoils. However, quantitative information required for a better understanding of the contribution of each of the different processes to C sequestration in subsoils and for improvements of subsoil C models is scarce. The same is true for the main controlling factors of the decomposition rates of soil organic matter in subsoils. Moreover, information on spatial variabilities of different properties in the subsoil is rare. The few studies available which couple near and middle infrared spectroscopy (NIRS/MIRS) with geostatistical approaches indicate a potential for the creation of spatial maps which may show hot spots with increased biological activities in the soil profile and their effects on the distribution of C contents. Objectives are (i) to determine the mean residence time of subsoil C in different fractions by applying fractionation procedures in combination with 14C measurements; (ii) to study the effects of water content, input of 13C-labelled roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover in an automatic microcosm system; (iii) to determine general soil properties and soil biological and chemical characteristics using NIRS and MIRS, and (iv) to extrapolate the measured and estimated soil properties to the vertical profiles by using different spatial interpolation techniques. For the NIRS/MIRS applications, sample pretreatment (air-dried vs. freeze-dried samples) and calibration procedures (a modified partial least square (MPLS) approach vs. a genetic algorithm coupled with MPLS or PLS) will be optimized. We hypothesize that the combined application of chemical fractionation in combination with 14C measurements and the results of the incubation experiments will give the pool sizes of passive, intermediate, labile and very labile C and N and the mean residence times of labile and very labile C and N. These results will make it possible to initialize the new quantitative model to be developed by subproject PC. Additionally, we hypothesize that the sample pretreatment 'freeze-drying' will be more useful for the estimation of soil biological characteristics than air-drying. The GA-MPLS and GA-PLS approaches are expected to give better estimates of the soil characteristics than the MPLS and PLS approaches. The spatial maps for the different subsoil characteristics in combination with the spatial maps of temperature and water contents will presumably enable us to explain the spatial heterogeneity of C contents.

Spatial heterogeneity and substrate availability as limiting factors for subsoil C-turnover

In subsoils, organic matter (SOM) concentrations and microbial densities are much lower than in topsoils and most likely highly heterogeneously distributed. We therefore hypothesize, that the spatial separation between consumers (microorganisms) and their substrates (SOM) is an important limiting factor for carbon turnover in subsoils. Further, we expect microbial activity to occur mainly in few hot spots, such as the rhizosphere or flow paths where fresh substrate inputs are rapidly mineralized. In a first step, the spatial distribution of enzyme and microbial activities in top- and subsoils will be determined in order to identify hot spots and relate this to apparent 14C age, SOM composition, microbial community composition and soil properties, as determined by the other projects within the research unit. In a further step it will be determined, if microbial activity and SOM turnover is limited by substrate availability in spatially distinct soil microsites. By relating this data to root distribution and preferential flow paths we will contribute to the understanding of stabilizing and destabilizing processes of subsoil organic matter. As it is unclear, at which spatial scale these differentiating processes are effective, the analysis of spatial variability will cover the dm to the mm scale. As spatial segregation between consumers and substrates will depend on the pore and aggregate architecture of the soil, the role of the physical integrity of these structures on SOM turnover will also be investigated in laboratory experiments.

Ecological valuation of crop pollination in traditional Indonesian homegardens

Traditional Indonesian homegardens harbour often high crop diversity, which appears to be an important basis for a sustainable food-first strategy. Crop pollination by insects is a key ecosystem service but threatened by agricultural intensification and land conversion. Gaps in knowledge of actual benefits from pollination services limit effective management planning. Using an integrative and agronomic framework for the assessment of functional pollination services, we will conduct ecological experiments and surveys in Central Sulawesi, Indonesia. We propose to study pollination services and net revenues of the locally important crop species cucumber, carrot, and eggplant in traditional homegardens in a forest distance gradient, which is hypothesized to affect bee community structure and diversity. We will assess pollination services and interactions with environmental variables limiting fruit maturation, based on pollination experiments in a split-plot design of the following factors: drought, nutrient deficiency, weed pressure, and herbivory. The overall goal of this project is the development of 'biodiversity-friendly' land-use management, balancing human and ecological needs for local smallholders.

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.

Quantification of small-scale physicochemical properties of intact macropore surfaces in structured soils

In structured soils, the interaction of percolating water and reactive solutes with the soil matrix is mostly restricted to the surfaces of preferential flow paths. Flow paths, i.e., macropores, are formed by worm burrows, decayed root channels, cracks, and inter-aggregate spaces. While biopores are covered by earthworm casts and mucilage or by root residues, aggregates and cracks are often coated by soil organic matter (SOM), oxides, and clay minerals especially in the clay illuviation horizons of Luvisols. The SOM as well as the clay mineral composition and concentration strongly determine the wettability and sorption capacity of the coatings and thus control water and solute movement as well as the mass exchange between the preferential flow paths and the soil matrix. The objective of this proposal is the quantitative description of the small-scale distribution of physicochemical properties of intact structural surfaces and flow path surfaces and of their distribution in the soil volume. Samples of Bt horizons of Luvisols from Loess will be compared with those from glacial till. At intact structural surfaces prepared from soil clods, the spatial distribution (mm-scale) of SOM and clay mineral composition will be characterized with DRIFT (Diffuse reflectance infrared Fourier transform) spectroscopy using a self-developed mapping technique. For samples manually separated from coated surfaces and biopore walls, the contents of organic carbon (Corg) and the cation exchange capacity (CEC) will be analyzed and related to the intensities of specific signals in DRIFT spectra using Partial Least Square Regression (PLSR) analysis. The signal intensities of the DRIFT mapping spectra will be used to quantify the spatial distribution of Corg and CEC at these structural surfaces. The DRIFT mapping data will also be used for qualitatively characterizing the small scale distribution of the recalcitrance, humification, and microbial activity of the SOM from structural surfaces. The clay mineral composition of defined surface regions will be characterized by combining DRIFT spectroscopic with X-ray diffractometric analysis of manually separated samples. Subsequently, the spatial distribution of the clay mineral composition at structural surfaces will be determined from the intensities of clay mineral-specific signals in the DRIFT mapping spectra and exemplarily compared to scanning electron microscopic and infrared microscopic analysis of thin sections and thin polished micro-sections. The three-dimensional spatial distribution of the total structural surfaces in the volume of the Bt horizons will be quantified using X-ray computed tomography (CT) analysis of soil cores. The active preferential flow paths will be visualized and quantified by field tracer experiments. These CT and tracer data will be used to transfer the properties of the structural surfaces characterized by DRIFT mapping onto the active preferential flow paths in the Bt horizons.

Forschergruppe (FOR) 1525: INUIT - Ice Nuclei research UnIT, Heterogende Eisnukleation ausgelöst durch poröse Materialien

Die Nukleation von Eispartikeln spielt eine wichtige Rolle bei der Wolken- und Niederschlagsbildung, mit Konsequenten für die atmosphärische Chemie, die Wolkenphysik und das Erdklima. Für eine Quantifizierung und Vorhersage des Einflusses von Wolken in Wettervorhersage- und Klimamodellen muss die Bildung von Eispartikeln daher in einer realistischen Art und Weise beschrieben werden. Einer der wichtigen Bildungsmechanismen ist dabei die heterogene Eisnukleation im Immersionsmodus, bei dem Eis an der Oberfläche eines in einem wässrigen Tröpfchen suspendierten Eiskeims - zum Beispiel eines Mineralstaub- Partikels - gebildet wird. Wir werden im Rahmen dieses Forschungsprojekts zahlreiche Gefrierexperimente im Immersionsmodus durchführen. So werden eine Reihe verschiedener, als Aerosolpartikel in der Atmosphäre vorkommende Materialien auf ihre Eisnukleationseigenschaften hin untersucht werden. Insbesondere sollen hier die Temperatur- und Zeitabhängigkeit der von diesen Materialien ausgelösten Eisnukleation quantifiziert werden. Dabei werden wir spezielles Augenmerk auf die systematische Untersuchung der von porösen Materialien ausgelösten Eisnukleation legen. Es sollen sowohl synthetische Materialien wie beispielsweise mesoporöse Silikate untersucht werden, als auch natürlich vorkommende Materialien wie etwa mikroporöse Zeolithe.

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.

Forschergruppe (FOR) 1525: INUIT - Ice Nuclei research UnIT, Die Bedeutung von Eisnukleationspartikeln und -moden für die Entstehung der Eisphase und Niederschlag: Modellsimulationen basierend auf Labormesssungen

In diesem Projekt sollen mit COSMO-SPECS, einem 3D-Wolkenmodell mit einer spektralen Beschreibung der wolken-mikrophysikalischen Prozesse von Hydrometeoren und Aerosolpartikeln, Modellsimulationen durchgeführt werden. Da dasselbe mikrophysikalische Schema in dem Luftpaketmodell enthalten ist, mit dem in INUIT-1 gearbeitet wurde, werden alle neuen Entwicklungen und Verbesserungen der Mikrophysik aus INUIT-1 direkt in COSMO-SPECS übertragen. Zunächst soll ein künstlicher Testfall simuliert werden, eine Wärmeblase über einem flachen Gelände. Sensitivitätsstudien sollen die Entwicklung der Eisphase und die Bildung von Niederschlag aufzeigen, wobei die Verteilung und die Typen der Eisnukleations-Partikel auf realistische Weise variiert werden. Ein anderer Schwerpunkt der Sensitivitätsstudien soll auf der Wirkung von sog. kleinen Triggern liegen, wie etwa Eisnukleations-Partikel oder Gefriermoden (z.B. biologische Partikel oder Kontaktgefrieren), die keine signifikanten Effekte hinsichtlich der Anzahl der entstehenden Eispartikel zeigen, aber doch die Dynamik der Wolke in einer Weise beeinflussen können, dass sich im Endeffekt die Eisbildung erhöht. Weiterhin ist in Zusammenarbeit mit INUIT RP5 eine Fallstudie geplant, die auf INUIT Feldexperimenten basiert. Hier sollen die Beiträge der verschiedenen eisbildenden Prozesse quantifiziert werden und dadurch die atmosphärische Relevanz der Eisbildungs-Regimes, wie sie in INUIT Labor- und Feldexperimenten untersucht werden, abgeschätzt werden. Gleichzeitig werden neue Parametrisierungen für Partikel, die während INUIT-2 untersucht werden, entwickelt und in das mikrophysikalische Schema eingebunden; vorhandene Parametrisierungen sollen weiter modifiziert und verbessert werden. Dieses Projekt schließt selbst auch Laborexperimente zum Kontakt- und Immersionsgefrieren ein, die am Mainzer vertikalen Windkanal und mit einer akustischen Tropfenfalle durchgeführt werden. Hier liegt der Schwerpunkt auf einer Verbesserung des Kontaktgefrierens. Die Experimente sollen am Mainzer vertikalen Windkanal durchgeführt werden, wobei unterkühlte Tropfen in einem Luftstrom, der die potentiellen Kontakteiskeime mit sich führt, frei ausgeschwebt werden. Auf diese Weise kann die Anzahl der Kollisionen zwischen Tropfen und Partikeln berechnet und die Gefriereffizienz, d.h. die Gefrierwahrscheinlichkeit für eine Tropfen-Partikel Kollision bestimmt werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1315: Biogeochemische Grenzflächen in Böden; Biogeochemical Interfaces in Soil, Quantification of active interfaces with respect to dissolved chemicals in unsaturated structured soil

During the first project period we developed a general approach to quantify soil pore structure based on X-ray micro-tomography Vogel et al. (2010) which is applicable at various scales to cover soil pores larger that 0.05 mm in a representative way. Based on this method we generated equivalent network models to numerically simulate flow and transport of dissolved chemicals. The existing network model was extended to handle reactive transport and infiltration processes which are especially critical for matter flux in soil. The results were compared to experimental findings. The original research question 'what does a particle see on its way through soil' could be answered quantitatively for various boundary conditions including steady state flux and infiltration. However, we identified various critical aspects of the proposed modeling concept which will be in the focus of the second period. This includes 1) the spatial arrangement of interfaces having different quality which is crucial for chemical interactions and pore scale water dynamics, 2) the realistic multiphase dynamics at the pore scale which need to reflect the dynamic pressure and movement of trapped non-wetting phase and 3) the parametrization of structural complexity which need to be developed beyond the measurement of continuous Minkowski functions to allow the development of quantitative relations between structure and function. These aspects will be explored in a joint experiments in cooperation with partners within the SPP.

Forschergruppe (FOR) 1525: INUIT - Ice Nuclei research UnIT, Umfassende Prozessuntersuchungen zur heterogenen Eisnukleation: von einzelnen Wolkentropfen zu Wolkensimulationen

Verlässliche Vorhersagen von Wetter und Klimawandel erfordern ein gutes Verständnis der Eisbildung in troposphärischen Wolken. Von besonderer Bedeutung ist dabei die sogenannte heterogene Eisnukleation durch atmosphärische Aerosolpartikel. Das hier beantragte Projekt beinhaltet eine umfassende Untersuchung der heterogenen Eisnukleation in Zirruswolken und Mischphasenwolken, gemeinsam mit 8 weiteren Projekten der Forschergruppe INUIT. Eisbildung durch Kontaktgefrieren wird für einzelne Tröpfchen in einem elektrodynamischen Levitator (Paulfalle) untersucht. Experimente zum Einfluss von Aerosolen auf Immersionsgefrieren, Kontaktgefrieren und Depositionsnukleation werden in der AIDA-Wolkenkammer und einer neuen dynamischen Wolkenkammer durchgeführt, falls diese wie geplant bis Anfang 2016 zur Verfügung stehen wird. Hauptziele und Arbeitspakete des Projekts sind (a) Untersuchungen zum Immersionsgefrieren, Kontaktgefrieren und zur Depositionsnukleation von INUIT-2 Referenzaerosolen in enger Zusammenarbeit mit allen anderen lNUlT-2-Partnern, (b) AIDA-Wolkensimulationsexperimente mit redispergierten atmosphärischen Aerosolen die auf Filtern gesammelt wurden (in Zusammenarbeit mit RP8), (c) AIDA-Experimente mit porösen Partikeln zur Untersuchung des Einflusses von Kapillarkondensation und Prä-aktivierung auf Eisnukleationsprozesse, (d) EDB-Experimente zur Kontaktnukleation mit atmosphärisch relevanten und komplexen Aerosolen, (e) Untersuchungen zu den grundlegenden Mechanismen des Kontaktgefrierens, (f) die Entwicklung einer umfassenden und einheitlichen Parametrisierung heterogener Eisnukleation in enger Zusammenarbeit mit RP3 und RP5, (g) erste Experimente zur Kontaktnukleation in einer neuen Wolkenkammer unter Nutzung der Expertise aus langjährigen Experimenten zum Kontaktgefrieren und mit der Wolkensimulationskammer, (h) die Durchführung von zwei AIDA-Messkampagnen, eine nur für die INUIT-2- Partner und eine mit internationaler Beteiligung, bei denen Labormethoden und Feld Instrumente für die Messung von Aerosolen und eisbildenden Partikeln getestet und miteinander verglichen werden um hohe internationale Standards in der Eisnukleationsforschung zu entwickeln und zu erhalten. Die Aktivitäten an der AIDA-Wolkenkammer bieten auch eine gute Verknüpfung der Labor-, Feld und Modellieraktivitäten innerhalb der Forschergruppe INUIT und mit externen Partnern. In Ergänzung der laufenden INUIT-Arbeiten möchten wir in weiteren drei Jahren der Forschergruppe folgende neue Schwerpunkte setzen: die Eisnukleationseigenschaften von porösen Partikeln, Immersionsgefrieren und Depositionsnukleation von größenselektierten Partikeln mit Durchmessern bis zu einigen Mikrometern, die Quantifizierung von Kontaktgefrierraten von atmosphärisch relevanten komplexen Aerosolpartikeln, und erste Wolkenkammerexperimente zum Kontaktgefrieren. Außerdem werden wir die Erstellung und Pflege einer neuen Datenbank für Laborergebnisse zur heterogenen Eisnukleation unterstützen.

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