Salinity occurs often simultaneously with drought stress. Therefore, breeding for tolerance to combined both stresses can contribute significantly to crop yield. However, classical selection in salinity has generally been unsuccessful, partly due to high variability of salt stress resulting from the different salinity and drought status. Unfortunately, the use of unrealistic stress protocols for mimicking salinity and drought stress is the norm rather than the exception in biotechnological studies. Therefore, the great challenge is to gain knowledge required to develop plants with enhanced tolerance to field conditions. Our overall hypothesis is that a realistic stress protocol simulating a field environment with combined salt and drought stress as a platform for precision phenotyping of plant tolerance to salinity may solve this problem. This study will demonstrate that highly managed stress environments can be created and key traits of plants can be characterised by using advanced non-destructive sensors that are able to identify relevant traits of plants.
Electrical conductivity is a key parameter in models of magnetic field generation in planetary interiors through magneto-hydrodynamic convection. Measurements of this key material parameter of liquid metals is not possible to date by experiments at relevant conditions, and dynamo models rely on extrapolations from low pressure/temperature experiments, or more recently on ab-initio calculations combining molecular dynamics and linear response calculations, using the Kubo-Greenwood formulation of transport coefficients. Such calculations have been performed for Fe, Fe-alloys, H, He and H-He mixtures to cover the interior of terrestrial and giant gas planets. These simulations are computationally expensive, and an efficient accurate scheme to determine electrical conductivities is desirable. Here we propose a model that can, at much lower computational costs, provide this information. It is based on Ziman theory of electrical conductivity that uses information on the liquid structure, combined with an internally consistent model of potentials for the electron-electron, electron-atom, and atom-atom interactions. In the proposal we formulate the theory and expand it to multi-component systems. We point out that fitting the liquid structure factor is the critical component in the process, and devise strategies on how this can be done efficiently. Fitting the structure factor in a thermodynamically consistent way and having a transferable electron-atom potential we can then relatively cheaply predict the electrical conductivity for a wide range of conditions. Only limited molecular dynamics simulations to obtain the structure factors are required.In the proposed project we will test and advance this model for liquid aluminum, a free-electron like metal, that we have studied with the Kubo-Greenwood method previously. We will then be able to predict the conductivities of Fe, Fe-light elements and H, He, as well as the H-He system that are relevant to the planetary interiors of terrestrial and giant gas planets, respectively.
Vorkommen, Häufigkeit, chemische Zusammensetzung und Mischungszustand jener Aerosolpartikel in der Erdatmosphäre, an denen sich durch heterogene Nukleation in unterkühlten Wolken Eis bilden kann (Ice Nucleating Particles = INP), werden experimentell untersucht. Diese Informationen sind wichtig für das Verständnis der Niederschlagsbildung, und finden in parametrisierter Form Eingang in meteorologische Modelle zur Vorhersage des Niederschlages. Das Projekt verwendet hierbei im Wesentlichen physikalische Methoden zur Identifikation und Isolation der Partikel aus der Atmosphäre, und nachfolgend elektronenmikroskopische Methoden zur mineralogischen Analyse einzelner Partikel. Die Identifikation jener wenigen Aerosolpartikel (ca. 1 von 10.000 bis 1 von 100.000), die Eisbildungsfähigkeit besitzen, erfolgt, indem eine Aerosolprobe einer Unterkühlung unter 0°C und Wasserdampfübersättigung ausgesetzt wird, und die an INP entstehenden Eiskristalle fotografiert und gezählt werden. Es werden sowohl Aerosolpartikel aus luftgetragenem Aerosol untersucht (aus dem Eiskeimzähler FINCH) wie auch Partikel, die aus einer Luftprobe auf einem Silizium-Probenträger niedergeschlagen und danach als INP identifiziert wurden (Eiskeimzähler FRIDGE). Eine dritte und vierte Methode (Ice-CVI und ISI) isolieren eisbildungsfähige Partikel, indem aus einer angesaugten Probe von Wolkenluft die Eiskristalle strömungstechnisch von den übrigen Luftbestandteilen getrennt werden. Alle Eiskeimproben werden im Rasterelektronenmikroskop auf Größe, Morphologie, Mischungszustand und chemische Zusammensetzung untersucht und die Ergebnisse der verschiedenen Ansätze verglichen. In Feldexperimenten werden Atmosphärenproben verschiedener geographischer Provenienz (Mitteleuropa, Forschungsstation Jungfraujoch, Wüstenstaub, Vulkanstaub) erhalten. In Laborexperimenten wird mit vorher gesammelt und charakterisierten Modellsubstanzen gearbeitet. Weiterhin wird durch tägliche Messungen der Anzahl-Konzentration und Zusammensetzung von Eiskeimen am Taunus Observatorium nahe Frankfurt über einen längeren Zeitraum untersucht, ob es Saisonalitäten, bevorzugte Quellgebiete (z.B. Wüsten, Industrie, etc.) und biologische Einflussfaktoren (z.B. Pollen, Pflanzenabrieb, Bakterien) für das Vorkommen von Eisnuklei gibt.
Passatwindkumuli spielen eine essentielle Rolle im Strahlungshaushalt der Erde und sind verantwortlich für bis zu 20 % des tropischen Niederschlags. Noch ist nicht bekannt, wie Passatwindkumuli auf die globale Erwärmung reagieren werden. Durch Niederschlag verändern sich Wolkeneigenschaften, aber auch die Grenzschichtstruktur und -dynamik. Aufgrund der Vielzahl der beteiligten Prozesse ist die Niederschlagsentwicklung in Modellen ist unsicher. Die Konfiguration der Simulationen und Wahl der Parameterisierung, wie das Autokonversionsschema, beeinflussen Niederschlagsfluss, Wolkenstruktur und â€Ìorganisation. Bisher konnten Vergleiche mit Beobachtungen noch nicht zur Reduktion der Unsicherheit des Autokonversionsschemas beitragen. Radarreflektivität, die mit Standardmethoden aus bodengebundenen Messungen abgeleitet wird, erkennt Niederschlag erst in einem fortgeschrittenen Stadium, was es schwierig macht, die verschiedenen, den Regen verursachenden Faktoren zu entflechten. Durch die Verdunstung des Niederschlags unterhalb der Wolkenunterkante (WUK) bestimmt dieser die Stärke der Coldpools und ist so bedeutend für die Organisation von Konvektion und somit die Klimasensitivität: Daher ist es essentiell Verdunstungsraten zu bestimmen und deren räumlich-zeitliche Variabilität zu verstehen. Zwar gibt es Parameterisierungen der Verdunstung unterhalb der WUK, allerdings sind diese von der Größe der Regentropfen abhängig, welche jedoch schlecht direkt zu beobachten ist.Ziel dieses Antrages ist die Bestimmung von Faktoren, welche die Niederschlagsformation in Passatwindkumuli beeinflussen. Dazu werden neuartige Radarbeobachtungen dieser Prozesse zur genaueren Beschreibung der Niederschlagsentwicklung in Grobstruktursimulationen (LES) herangezogen. Die räumlich-zeitliche Verdunstungsverteilung wird unterhalb der WUK in den Passatwindkumuli untersucht und treibende Faktoren identifiziert. Das Forschungsvorhaben ergänzt die bevorstehende EUREC4A (A Field Campaign to Elucidate the Couplings Between Clouds, Convection and Circulation) Kampagne und nutzt die langjährige Datenreihe des Barbados Cloud Observatory (BCO).Die synergetischen bodengebundenen Beobachtungen und der neue Ansatz, Niederschlag in Wolken mit Hilfe höherer Momente des Wolkenradardopplerspektrums zu bestimmen, werden erstmalig zur Beobachtungen von Passatwindkumuli und der Charakterisierung des Niederschlagslebenszyklus zu angewendet. Damit wird es möglich die Niederschlagsentwicklung in den hochauflösenden ICON-LEM und DHARMA-LES Modellen zu evaluieren. Für einen statistischen Vergleich der Simulationen und der Beobachtungen wird der Vorwärtsoperator PAMTRA verwendet, so dass im Beobachtungsraum untersucht werden kann, inwiefern die Modelle die beobachteten, mittleren Werte und Abhängigkeiten reproduzieren können und systematischen Fehler identifiziert werden. Damit trägt das Vorhaben zum Grand Challenge on Cloud Circulation and Climate Sensitivity des Weltklimaforschungsprogramm WRCP bei.
The development of sustainable and efficient energy conversion processes at interfaces is at the center of the rapidly growing field of basic energy science. How successful this challenge can be addressed will ultimately depend on the acquired degree of molecular-level understanding. In this respect, the severe knowledge gap in electro- or photocatalytic conversions compared to corresponding thermal processes in heterogeneous catalysis is staggering. This discrepancy is most blatant in the present status of predictive-quality, viz. first-principles based modelling in the two fields, which largely owes to multifactorial methodological issues connected with the treatment of the electrochemical environment and the description of the surface redox chemistry driven by the photo-excited charges or external potentials.Successfully tackling these complexities will advance modelling methodology in (photo)electrocatalysis to a similar level as already established in heterogeneous catalysis, with an impact that likely even supersedes the one seen there in the last decade. A corresponding method development is the core objective of the present proposal, with particular emphasis on numerically efficient approaches that will ultimately allow to reach comprehensive microkinetic formulations. Synergistically combining the methodological expertise of the two participating groups we specifically aim to implement and advance implicit and mixed implicit/explicit solvation models, as well as QM/MM approaches to describe energy-related processes at solid-liquid interfaces. With the clear objective to develop general-purpose methodology we will illustrate their use with applications to hydrogen generation through water splitting. Disentangling the electro- resp. photocatalytic effect with respect to the corresponding dark reaction, this concerns both the hydrogen evolution reaction at metal electrodes like Pt and direct water splitting at oxide photocatalysts like TiO2. Through this we expect to arrive at a detailed mechanistic understanding that will culminate in the formulation of comprehensive microkinetic models of the light- or potential-driven redox process. Evaluating these models with kinetic Monte Carlo simulations will unambiguously identify the rate-determining and overpotential-creating steps and therewith provide the basis for a rational optimization of the overall process. As such our study will provide a key example of how systematic method development in computational approaches to basic energy sciences leads to breakthrough progress and serves both fundamental understanding and cutting-edge application.
Background: An increasing frequency of massive flooding along the lower Yangtse River in China ended in a disastrous catastrophe in summer 1998 leaving several thousand people homeless, more than 3.600 dead and causing enormous economic damage. Inappropriate land-use techniques and large scale timber felling in the water catchment of the upper Yangtse and its feeder streams were stated to be the main causes. Immediate timber cutting bans were imposed and investigations on land use patterns were initiated by the Chinese Government. The Institute for World Forestry of the Federal Research Centre for Forestry and Forest Products was approached by the Yunnan Academy of Forestry in Kunming to exchange experiences and to cooperate scientifically in the design and application of appropriate afforestation and silvicultural management techniques in the water catchment area of the Yangtse. This cooperation was initiated in 1999 and is based on formal agreements in the fields of agrarian research between the German and Chinese Governments. Objectives: The cooperation was in the first step focussing on the identification of factors which caused the enormous floodings. After their identification measures of prevention were determined and put into practice. In this context experiences made in past centuries in the alpine region of central Europe served as an incentive and example for similar environmental problems and solutions under comparable conditions. Relevant key questions of the cooperation project were: - Analysis of forest related factors influencing the recent floodings of the Yangtse, - Analysis and evaluation of silvicultural management experiences from central Europe for know-how transfer, - Evaluation of rehabilitation measures for successful application in Yunnan, - Dissemination of knowledge through vocational training. Results: - Frequent wild grazing of husbandry is a key factor for forest degeneration beyond unsustainable timber harvests, forest fires and insect calamities leading to increased water run-off in the mountainous region of Yunnan; - Browsing of cattle interrupts succession thus avoiding natural regeneration and leaving a logging ban ineffective; - Mountain pasture in the Alps had similar effects in the past in central Europe. The introduction of controlled grazing has led to an ecologically compatible coexistence of pasture and ecology. Close-to-nature forestry can have positive effects in this sensitive environment. - Afforestation with site adopted broadleaves and coniferous tree species was implemented on demonstration level using advanced techniques in Yunnan.
The majority of the worlds forests has undergone some form of management, such as clear-cut or thinning. This management has direct relevance for global climate: Studies estimate that forest management emissions add a third to those from deforestation, while enhanced productivity in managed forests increases the capacity of the terrestrial biosphere to act as a sink for carbon dioxide emissions. However, uncertainties in the assessment of these fluxes are large. Moreover, forests influence climate also by altering the energy and water balance of the land surface. In many regions of historical deforestation, such biogeophysical effects have substantially counteracted warming due to carbon dioxide emissions. However, the effect of management on biogeophysical effects is largely unknown beyond local case studies. While the effects of climate on forest productivity is well established in forestry models, the effects of forest management on climate is less understood. Closing this feedback cycle is crucial to understand the driving forces behind past climate changes to be able to predict future climate responses and thus the required effort to adapt to it or avert it. To investigate the role of forest management in the climate system I propose to integrate a forest management module into a comprehensive Earth system model. The resulting model will be able to simultaneously address both directions of the interactions between climate and the managed land surface. My proposed work includes model development and implementation for key forest management processes, determining the growth and stock of living biomass, soil carbon cycle, and biophysical land surface properties. With this unique tool I will be able to improve estimates of terrestrial carbon source and sink terms and to assess the susceptibility of past and future climate to combined carbon cycle and biophysical effects of forest management. Furthermore, representing feedbacks between forest management and climate in a global climate model could advance efforts to combat climate change. Changes in forest management are inevitable to adapt to future climate change. In this process, is it possible to identify win-win strategies for which local management changes do not only help adaptation, but at the same time mitigate global warming by presenting favorable effects on climate? The proposed work opens a range of long-term research paths, with the aim of strengthening the climate perspective in the economic considerations of forest management and helping to improve local decisionmaking with respect to adaptation and mitigation.
Subproject 3 will investigate the effect of shifting from continuously flooded rice cropping to crop rotation (including non-flooded systems) and diversified crops on the soil fauna communities and associated ecosystem functions. In both flooded and non-flooded systems, functional groups with a major impact on soil functions will be identified and their response to changing management regimes as well as their re-colonization capability after crop rotation will be quantified. Soil functions corresponding to specific functional groups, i.e. biogenic structural damage of the puddle layer, water loss and nutrient leaching, will be determined by correlating soil fauna data with soil service data of SP4, SP5 and SP7 and with data collected within this subproject (SP3). In addition to the field data acquired directly at the IRRI, microcosm experiments covering the broader range of environmental conditions expected under future climate conditions will be set up to determine the compositional and functional robustness of major components of the local soil fauna. Food webs will be modeled based on the soil animal data available to gain a thorough understanding of i) the factors shaping biological communities in rice cropping systems, and ii) C- and N-flow mediated by soil communities in rice fields. Advanced statistical modeling for quantification of species - environment relationships integrating all data subsets will specify the impact of crop diversification in rice agro-ecosystems on soil biota and on the related ecosystem services.
Die große Sauerstoffkatastrophe (Great Oxidation Event - GOE) kennzeichnet den starken Anstieg von molekularem Sauerstoff (O2) in der Atmosphäre während der Frühgeschichte der Erde, was flächendeckende Habitabilität ermöglicht und komplexes Leben auf der Erde erlaubt. Viele Fragen sind diesbezüglich weiterhin offen. Was dazu führte, dass sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte, der Zeitpunkt und das Ausmaß sind nicht gut bestimmt. Erst jetzt ist es möglich die komplizierten Wechselwirkungen zwischen atmosphärischen, biologischen und geologischen Prozessen zu identifizieren. Das sich daraus ergebende Absterben methanogener Lebensformen und das Auftreten eines sogenannten Schneeball-Erden-Zustandes sind Beispiele für die extremen Auswirkungen des GOE. Eine zentrale Frage, die wir untersuchen, ist ob der GOE in einem linearen oder, aufgrund einer möglichen Bistabilität von Sauerstoff, in einem sprungweisen Anstieg von O2 erfolgte. Des Weiteren studieren wir den Einfluss des Kohlenstoffzyklus und des Klimas auf die Charakteristika und den Zeitpunkt des GOE. Wir wenden unsere Erfahrung in eindimensionalen (1D) und 3D Klimamodellierungen an, um die Auswirkung unterschiedlicher Klima auf den GOE zu ermitteln. Um dies zu erreichen entwickeln und verwenden wir unser einzigartiges Atmosphärenmodell mit detailliertem Sauerstoffzyklus (inklusive zum Beispiel Verwitterungsprozesse, atmosphärische Photochemie) welches die Atmosphäre, Biosphäre und Geosphäre umfasst. Ein wichtiges Ziel ist die Analyse der Kernprozesse für den GOE unter der Berücksichtigung jüngster Ergebnisse geologischer Untersuchungen (zu zum Beispiel Oberflächendruck, atmosphärischen Treibhausgases, usw.).
Die Bildung der Eis Phase in der Troposphäre stellt einen wichtigen Fokus der aktuellen Atmosphärenforschung dar. Durch heterogene Nukleation entstehen bei Temperaturen oberhalb von -37°C primäre Eiskristalle an sogenannten eiskeimbildenden Partikeln (INP, engl, ice nucleating particles). Die räumliche Verteilung der INP und deren Quellen variieren stark. In der Atmosphäre finden sich INP nur in sehr geringer Anzahlkonzentration, oft weniger als ein Partikel pro Liter, und sie stellen nur eine kleine Untergruppe des gesamten atmosphärischen Aerosols dar. Ziel dieses Antrages ist es die Anzahlkonzentrationen von eiskeimbildenden Partikeln und deren Variabilität in der Atmosphäre zu messen. Außerdem sind Laborstudien geplant, in denen unser Verständnis über die chemischen und biologischen Eigenschaften der Partikel, die die Eisbildung initiieren, verbessert werden soll. Mit dem von unserer Arbeitsgruppe entwickelten Eiskeimzahler FINCH (Fast Ice Nucleaus CHamber) sollen die atmosphärischen Anzahlkonzentrationen von INP bei verschiedenen Gefriertemperaturen und Übersättigungen an mehreren Standorten gemessen werden. Die Kopplung von FINCH mit einem virtuellen Gegenstromimpaktor (CVI, engl, counter-flow virtual impactor, Kooperation mit RP2), die während lNUIT-1 entwickelt und getestet wurde, soll nun weiter charakterisiert und Messungen damit fortgesetzt werden. Bei dieser Methode werden die Eispartikel, die in FINCH gebildet werden, von den unterkühlten Tröpfchen und inaktivierten Partikeln separiert und mit weiteren Messmethoden untersucht. In Kooperation mit RP2 und RP8 planen wir hierbei die Charakterisierung der INP mittels Größen- und Aerosolmassenspektrometer sowie die Sammlung der INP auf Filtern oder Impaktorplatten zur anschließenden Analyse mit einem Elektronenmikroskop (ESEM, engl. DFG fomi 54.011 -04/14 page 3 of 6 Environmental Scanning Electron Microscopy). Die Feldmessdaten werden von umfangreichen Laborstudien an den Forschungseinrichtungen AIDA (RP6) und LACIS (RP7) ergänzt. Dort soll das Immersionsgefrieren von verschiedenen Testpartikeln aus biologischem Material (z.B. Zellulose), porösem Material (z.B. Zeolith) und Mineralstaub mit geringem organischem Anteil im Detail untersucht werden. Des Weiteren planen wir Labormessungen, bei denen eine verbesserte Charakterisierung der Messunsicherheiten von FINCH erarbeitet werden soll. Außerdem werden regelmäßige Tests und Kalibrierungen mit FINCH durchgeführt, für die Standardroutinen festgelegt werden sollen. Um die Rolle der INP bei der Wolken- und Niederschlagsbildung sowie bei den Wolkeneigenschaften abzuschätzen, werden die gewonnenen Messergebnisse am Ende als Eingabeparameter für erweiterte Wolkenmodelle (Kooperation mit WP-M) dienen.
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