Organische Schwefelkomponenten sind abundant in marinen Sedimenten. Diese Verbindungen werden v.a. durch die abiotische Reaktion anorganischer Schwefelverbindungen mit Biomolekülen gebildet. Wegen seiner Bedeutung für globale Stoffkreisläufe, für die Nutzung von Erdöllagerstätten und für die Erhaltung des Paleorecords, gibt es eine Vielzahl von Studien zum Thema. Sehr wenig Aufmerksamkeit wurde allerdings wasserlöslichen Komponenten geschenkt, die beim Prozess der Sulfurisierung entstehen und als gelöster organischer Schwefel (DOS) in die Meere gelangen können. Anhand der wenigen verfügbaren Informationen ist Schwefel vermutlich das dritthäufigste Heteroelement im gelösten organischen Material (DOM) der Meere, nach Sauerstoff und Stickstoff. Einige Schwefelverbindungen, insbesondere Thiole, sind für die Verbreitung von Schadstoffen aber auch essenzieller Spurenstoffe verantwortlich. Wichtige klimarelevante Schwefelverbindungen entstehen aus DOS. Daher spielt der marine DOS-Kreislauf eine Rolle für die Meere und Atmosphäre. Trotz seiner Bedeutung sind die Quellen marinen DOS, seine Umsetzung im Meer und Funktion für Meeresbewohner unbestimmt. Auch ist die molekulare Zusammensetzung von DOS unbekannt. In diesem Projekt werden wir Pionierarbeit in einem neuen Forschungsfeld der marinen Biogeochemie leisten. Wir wollen grundlegende Fragen bzgl. der Bildung und Verteilung von nicht-flüchtigem DOS im Meer beantworten. Unsere wichtigsten Hypothesen:* Bildung von DOS:(1) Sulfatreduzierende Sedimente sind wesentlich für die Bildung von DOS.(2) Reduzierte Schwefelverbindungen (v.a. Thiole) dominieren in Zonen der DOS-Entstehung.(3) DOS wird v.a. über abiotische Sulfurisierung in der Frühdiagenese gebildet.* Transport und Schicksal von DOS im Ozean:(4) DOS wird von sulfat-reduzierenden intertidalen Grundwässern an das Meer abgeben.(5) In der Wassersäule oxidiert DOS schnell (z.B. zu Sulfonsäuren).(6) DOS aus intertidalen Sedimenten ist in oxidierter Form auf den Kontintentalschelfen stabil.Neben dem wissenschaftlichen Ziel der Beantwortung dieser Hypothesen, wird das Projekt drei Promovierenden (eine in Deutschland und zwei in Brasilien) die außergewöhnliche Gelegenheit bieten, ihre Doktorarbeiten im Rahmen eines internationalen Projektes durchzuführen. Wir werden die Stärken beider Partner in Feld- und Laborstudien und Elementar-, Isotopen- und molekularen Analysen kombinieren. Wir werden unterschiedliche Regionen im deutschen Wattenmeer und in brasilianischen Mangroven (Rio de Janeiro and Amazonien) beproben, sowie die benachbarten Schelfmeere. Sulfurisierungsexperimente werden die Feldstudien ergänzen. Zur quantitativen Bestimmung und molekularen Charakterisierung von DOS werden wir neue Ansätze anwenden, die von den beiden Arbeitsgruppen entwickelt wurden. Dabei kommen u.a. ultrahochauflösende Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), und andere massenspektrometrischen und chromatographischen Methoden zu Anwendung.
Das Südchinesische Meer ist das größte Randmeer der Erde und ausschließlich von stark besiedelten Ländern wie China, Indonesien, Philippinen oder Vietnam umgeben. Klimaänderung und menschliche Einflüsse im Einzugsgebiet des Mekong (18 geplante Stauseen zu Stromgewinnung und Intensivierung der Aquakultur) werden die Flusseinträge drastisch verändern und in der Folge die Biogeochemie der Küstengewässer. Die Geschwindigkeit und Größenordnung dieser Veränderungen lassen es wahrscheinlich erscheinen, dass das hier geplante Feldprogramm eine der wenigen Gelegenheiten sein wird, dieses Meeresgebiet zu erfassen, bevor es sich grundlegend verändert hat. Die gegenwärtige Rolle der Nährstoffeinträge des Mekong für die Produktivität des Südchinesischen Meeres soll im Vergleich zu den Nährstoffeinträgen durch den Auftrieb während des SW Monsuns untersucht werden. Ergebnisse früherer Arbeiten von uns lassen vermuten, dass die Stickstofffixierung von Cyanobakterien, die in Symbiose mit Diatomeen vorkommen, eine zentrale Rolle spielt. Zudem gibt es einzellige und koloniebildende N-Fixierer wie Trichodesmium in der Flussfahne. Die Interaktion von stickstofffixierenden Organismen, die von den Einträgen des Mekong abzuhängen scheinen, ist bislang nicht verstanden und steht im Fokus dieses Projektes. Die Nährstoffzusammensetzung in Wasser und die Aufnahme von markierten Kohlenstoff und Stickstoffverbindungen wird in der Flussfahne und im Auftriebsgebiet quantifiziert. Zudem wird auf Zellebene der Austausch von Stickstoff und Kohlenstoff zwischen Diatomeen und ihren stickstofffixierenden Symbionten mittels NanoSIMS analysiert. Zeitgleich wird die Gemeinschaft der Stickstofffixierer entlang der Flussfahne und im offenen südchinesischen Meer von amerikanischen und vietnamesischen Kollegen durch genomische, molekularbiologische und taxonomische Methoden erfasst. In der Synthesephase des Projektes soll durch die Zusammenführung aller Ergebnisse ein tiefgreifendes Verständnis des menschlichen Einflusses auf die Biogeochemie des Küstenmeeres vor Vietnam erreicht werden. Zwei Expeditionen in das Gebiet des Mekongausstroms sind bereits durch einen genehmigten Antrag des Schmidts Oceanographic Institute aus den USA abgesichert, so dass Probennahmen und Experimente an Board geplant werden können. Aufgrund des früheren, sehr erfolgreichen DFG finanzierten Vorhabens bestehen enge Kontakte zum Institute of Oceanography in Nha Trang, Vietnam, auf die hier aufgebaut wird.
Im Krofdorfer Forst, einem ausgedehnten Waldkomplex zwischen Giessen und Marburg (Hessen), wurde im November 1971 ein experimenteller Einzugsgebietsvergleich begonnen, der in seiner Art fuer Europa einmalig sein duerfte. Anhand von vier kleinen, ueberwiegend mit aelterer Buche bestockten Wassereinzugsgebieten versucht man, die Auswirkungen von Hiebsmassnahmen auf die Hoehe, die zeitliche Verteilung und die Qualitaet des oberirdischen Abflusses zu quantifizieren. Die hierzu notwendige Eichung erstreckte sich ueber volle zehn Jahre. Danach begannen in den beiden Einzugsgebieten A(ind=1) und A(ind=2) die experimentellen Hiebsmassnahmen. In A(ind=1) wurde der Buchenaltbestand innerhalb von 5 Jahren aufgelichtet, sukzessive geraeumt und verjuengt. In A(ind=2) laesst man sich dafuer mehr Zeit, dort kommt das praxisuebliche Schirmschlagverfahren zur Anwendung. Als Nullvarianten dienen die beiden Standard-Einzugsgebiete B(ind=1) und B(ind=2); deren Bestockung wird nicht veraendert. Die Abfluesse der vier Einzugsgebiete erwiesen sich in der Eichphase (1971-1981) als sehr eng korreliert. Somit sind die Voraussetzungen fuer die Quantifizierung der Auswirkungen der experimentellen Massnahmen denkbar guenstig. Bisher erbrachten die Hiebseingriffe im A(ind=1)-Gebiet hochsignifikante Abflusszunahmen, jedoch nur geringe Aenderungen der Bachwasserqualitaet und der Stoffaustraege. Neben der interessanten Fragestellung nach den Auswirkungen der Hiebsexperimente kommt diesen stetig ueber viele Jahre hinweg durchgefuehrten Untersuchungen heute zusaetzlich hoher dokumentarischer Wert zu im Hinblick auf moegliche immissions- und depositionsbedingte Oekosystem-Veraenderungen.
Das Thermosphären/Ionosphären (T/I) System wird sowohl von oben (solar, geomagnetisch), als auch von unten stark beeinflusst. Einer der wichtigsten Einflüsse von unten sind Wellen (z.B. planetare Wellen, Gezeiten, oder Schwerewellen), die größtenteils in der Troposphäre bzw. an der Tropopause angeregt werden. Die vertikale Ausbreitung der Wellen bewirkt hierbei eine vertikale Kopplung der T/I mit der unteren und mittleren Atmosphäre. Vor allem der Einfluss von Schwerewellen (GW) ist hierbei weitestgehend unverstanden. Einer der Gründe hierfür ist, dass GW sehr kleinskalig sind (einige zehn bis zu wenigen tausend km) - eine Herausforderung, sowohl für Beobachtungen, als auch für Modelle. Wir werden GW Verteilungen in der T/I aus verschiedenen in situ Satelliten-Datensätzen ableiten (z.B., sowohl in Neutral-, als auch in Elektronendichten). Hierfür werden Datensätze der Satelliten(-konstellationen) SWARM, CHAMP, GOCE und GRACE verwendet werden. Es sollen charakteristische globale Verteilungen bestimmt, und die wichtigsten zeitlichen Variationen (z.B. Jahresgang, Halbjahresgang und solarer Zyklus) untersucht werden. Diese GW Verteilungen werden dann mit von den Satelliteninstrumenten HIRDLS und SABER gemessenen Datensätzen (GW Varianzen, GW Impulsflüssen und Windbeschleunigungen durch GW) in der Stratosphäre und Mesosphäre verglichen. Einige Datensätze (CHAMP, GRACE, SABER) sind mehr als 10 Jahre lang. Räumliche und zeitliche Korrelationen zwischen den GW Verteilungen in der T/I (250-500km Höhe) und den GW Verteilungen in der mittleren Atmosphäre (Stratosphäre und Mesosphäre) für den gesamten Höhenbereich 20-100km werden untersucht werden. Diese Korrelationen sollen Aufschluss darüber geben, welche Höhenbereiche und Regionen in der mittleren Atmosphäre den stärksten Einfluss auf die GW Verteilung in der T/I haben. Insbesondere Windbeschleunigungen durch GW, beobachtet von HIRDLS und SABER, können zusätzliche Hinweise darauf geben, ob Sekundär-GW, die mutmaßlich in Gebieten starker GW Dissipation angeregt werden, in entscheidendem Maße zur globalen GW Verteilung in der T/I beitragen. Zusätzlich wird der Versuch unternommen, sowohl GW Impulsfluss, als auch Windbeschleunigungen durch GW aus den Messungen in der T/I abzuleiten. Solche Datensätze sind von besonderem Interesse für einen direkten Vergleich mit von globalen Zirkulationsmodellen simulierten GW Verteilungen in der T/I. Diese werden für eine konsistente Simulation der T/I in Zirkulationsmodellen (GCM) benötigt, stellen dort aber auch eine Hauptunsicherheit dar, da eine Validierung der modellierten GW durch Messungen fehlt.
Labor- und Feldstudien zeigen, dass die Oberflächengrenzschicht des Ozeans (â€Ìsurface microlayerâ€Ì, kurz SML) die biogeochemischen Kreisläufe von klimaaktiven und atmosphärisch wichtigen Spurengasen wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Kohlenstoffmonoxid (CO), Methan (CH4), Lachgas (N2O) und Dimethylsulfid (DMS) stark beeinflusst: (i) Jüngste Studien aus den PASSME- und SOPRAN-Projekten haben hervorgehoben, dass Anreicherungen von oberflächenaktiven Substanzen (d.h. Tensiden) einen starken (dämpfenden) Effekt sowohl auf die CO2- als auch auf die N2O-Flüsse über die SML/Atmosphären-Grenzfläche hinweg haben und (ii) Spurengase können durch (mikro)biologische oder (photo)chemische Prozesse in der SML produziert und verbraucht werden. Daher kann der oberste Teil des Ozeans, einschließlich der SML, verglichen mit dem Wasser, das in der Mischungsschicht unterhalb der SML zu finden ist, eine bedeutende Quelle oder Senke für diese Gase sein, was von sehr großer Relevanz für die Forschungseinheit BASS ist. Die Konzentrationen von CO2, N2O und anderen gelösten Gasen in der SML (oder den oberen Zentimetern des Ozeans) unterscheiden sich nachweislich von ihren Konzentrationen unterhalb der SML. Typischerweise werden die Nettoquellen und -senken wichtiger atmosphärischer Spurengase mit Konzentrationen berechnet, die in der Mischungsschicht gemessen wurden und mit Gasaustauschgeschwindigkeiten, die die SML nicht berücksichtigen. Diese Diskrepanzen führen zu falsch berechneten Austauschflüssen, die in der Folge zu großen Unsicherheiten in den Berechnungen der Klima-Antrieben und der Luftqualität in Erdsystemmodellen führen können. Durch die Verknüpfung unserer Spurengasmessungen mit Messungen von (i) der Dynamik und den molekularen Eigenschaften der organischen Materie und speziell des organischen Kohlenstoffs (SP1.1; SP1.5), (ii) der biologischen Diversität und der Stoffwechselaktivität (SP1.2), (iii) den optischen Eigenschaften der organischen Materie (SP1.3), (iv) der photochemischen Umwandlung der organischen Materie (SP1.4) und (v) den physikalischen Transportprozessen (SP2.3) werden wir ein umfassendes Verständnis darüber erlangen, wie die SML die Variabilität der Spurengasflüsse beeinflusst.
Organische Aerosole (OA) stellen einen omnipräsenten Hauptbestandteil atmosphärischer Aerosole dar und beeinflussen zahlreiche atmosphärische Prozesse und Umweltaspekte. Die quantitative Bestimmung beispielsweise von Klimaeffekten der OA wird durch eine Anzahl von Faktoren limitiert, einschließlich eines unvollständigen Verständnisses wie emittierte VOCs zur Bildung von atmosphärischen OA beitragen. Ein Großteil der OA Bestandteile wird sekundär (sekundäres organisches Aerosol (SOA)) in der Atmosphäre durch chemische Gasphasenprozesse sowie nachfolgender Gas-Partikel-Partitionierung (gasSOA) oder durch chemische Prozesse in der wässrigen Phase (aqSOA) gebildet. Jedoch können durch reine Gasphasenansätze, die Eigenschaften von realem SOA nicht erklärt werden. Außerdem neigen gasSOA Ansätze dazu das Gesamt-SOA zu unterschätzen. Aus verschiedenen Labor- und Feldstudien wurde geschlussfolgert, dass die aqSOA Bildung eine ebenso große Bedeutung wie die gasSOA Bildung haben könnte. Somit, gibt es ein wachsendes wissenschaftliches Interesse in Bezug auf Prozesse, die zur aqSOA Bildung führen. Jedoch ist die aqSOA Prozessierung, d.h. die sekundäre Bildung und chemische Alterung von aqSOA, bis jetzt nur wenig verstanden und in aktuellen Multiphasenchemiemechanismen kaum berücksichtigt. Um diesen wissenschaftliche Sachverhalt eingehender zu studieren, sind weitere Untersuchungen mit detaillierteren Multiphasenchemiemechanismen und erweiterten Prozessmodellen erforderlich. Um das aktuelle Verständnis der aqSOA Prozessierung und ihre Bedeutung für die Chemie der Troposphäre sowie den damit verbundenen wissenschaftlichen Fragestellungen zu verbessern, zielt das vorliegende Projekt auf Entwicklung eines fortgeschrittenen chemischen aqSOA Mechanismus und eines modernen Mehrphasenmodells. Das angestrebte Modell wird, neben anorganischen Chemie, die Radikal- und Nichtradikalchemie von organischen Verbindungen in der Gasphase und Flüssigphase nahezu-explizit beschreiben. Darüber hinaus wird das angestrebte moderne Mehrphasenmodell eine adäquate Beschreibung von Komplex-/Salzbildungsprozessen und Effekten von nicht-idealen Lösungen enthalten. Mit Hilfe dieses modernen Mehrphasenmodells soll die chemische aqSOA-Prozessierung detailliert mit begleitenden Modellstudien untersucht werden. Die Modellstudien werden sich vor allem darauf konzentrieren (i) die Hauptbildungswege für aqSOA zu identifizieren, (ii) die Bedeutung von radikalischen, nicht-radikalischen und nicht-oxidativen Prozessen für aqSOA in verschiedenen Umweltregimen aufzuklären und (iii) den Einfluss von chemischen Wechselwirkungen von aqSOA und anorganischen Aerosolbestandteilen auf dessen troposphärische Verweildauer zu untersuchen. Insgesamt sollen mit dem neuen Multiphasenmodell und den assoziierten Studien, neue Erkenntnisse erzielt werden über die aqSOA Prozessierung sowie deren Bedeutung für die OA-Gesamtmasse und andere verknüpfte Themen wie die troposphärischen Oxidationskapazität.
Bioturbierende Makroinvertebraten können den mikrobiellen Stickstoffkreislauf in aquatischen Sedimenten vermutlich erheblich stimulieren. Vor dem Hintergrund der hohen Belastung limnischer und brackiger Ökosysteme mit Nitrat und Ammonium kommt diesem Phänomen eine überaus wichtige ökosystemare Funktion als Senke für anorganische Stickstoffverbindungen zu. Der eigentliche Ort der stimulierten mikrobiellen Stoffumsetzungen, das Ökosystemkompartiment 'Wohnröhre' (gemeinsames Habitat von Makroinvertebraten und Mikroorganismen) ist in bisherigen Studien fast immer ausgeklammert worden, so dass keine Details über das quantitative Ausmaß der dort stattfindenden Prozesse bekannt sind. Daher soll die mikrobielle Lebensgemeinschaft der Wohnröhren bioturbierender Makroinvertebraten erstmals mit moderner Methodik auf (1) struktureller Ebene (Fluoreszuenzin-situ-Hybridisierung und Mikroautoradiografie) und (2) funktioneller Ebene (Mikrosensorentechnik) in Labor- und Freilandexperimenten untersucht werden.
Das Projekt 'Innovative Wärmeservice-Modelle' hat zum Ziel, neue Wege aus dem Mieter-Vermieter-Dilemma bei der CO2- und Energieeinsparung aufzuzeigen und ihre Realisierbarkeit in sozialer, ökonomischer, ökologischer, rechtlicher und technisch Hinsicht zu prüfen. Die Grundidee besteht darin, dass der Mieter für den Wärmeservice in seiner Wohnung anstatt für die Menge der dafür aufgewendeten Energieträger zahlt und dadurch beide Seiten sparen können: Der Vermieter durch die Wahl der Energieträger und die Ausstattung des Gebäudes, der Mieter durch die richtige Regelung von Heizen und Lüften. Grundlage für die zielgenaue Verteilung der Anreize ist ein digitales System zur Messung der Energieströme, das es ermöglichen soll, die Einhaltung der Vertragsbedingungen zu überwachen. Teilprojekt A ist für die Konzeption und Koordination des Gesamtvorhabens sowie die Betreuung der Feldstudien im Reallabor mit 300 Wohneinheiten in Ostdeutschland zuständig.
Das Projekt KI-RAM liefert Beiträge zur Reduzierung von verkehrsbedingten Mikroplastikemissionen durch Reifenabrieb. Ein auf den Abrieb fokussierter Digitaler Zwilling von Nutzfahrzeugreifen wird erstellt. Mittels KI-basierter Analyse von Inline-Abriebsensor-Daten werden Haupteinflussfaktoren identifiziert, Restlaufzeitprognosen & ein Reifenranking realisiert sowie Strategien zur Abriebvermeidung erarbeitet. Das Ziel des von iMes bearbeiteten Teilprojekts ist die Entwicklung des oben genannten Digitalen Zwillings als Repräsentation von Nutzfahrzeugreifen und den daran auftretenden Abriebsprozessen. Die Forschungsfragen hierbei sind, welche Faktoren, wie z.B. Reifenmaterial, Wetter oder Straßenbelag, bewirken Reifenabrieb und wie groß ist deren Einfluss. Auch die Möglichkeit des Erkennens und der Vorhersage von Reifenabrieb durch den Digitalen Zwilling ist zu untersuchen. Des Weiteren soll analysiert werden, ob ein Zusammenhang zwischen den im Projekt durchgeführten Feldstudien zum Reifenabrieb (Vermessung der Reifendicke mit einem Inline-Abriebsensor eines Fahrzeuges im Einsatz über einen gewissen Zeitraum) mit den typischen Reifenabrieb-Labortests besteht. Diese Fragestellungen sollen mit Hilfe datengetriebener Modelle aus dem Bereich der Statistik und der künstlichen Intelligenz beantwortet werden.
Die Strömung im Lee eines steilen Berges ist durch hoch-komplexe Wirbelstrukturen charakterisiert. Vorherige Forschungsarbeiten mit idealisierten numerischen Simulationen haben gezeigt, dass die Form dieser Leewirbel empfindlich von der vertikalen Scherung der Umgebungsströmung abhängt; andererseits spielt die Stärke des Umgebungswindes eine untergeordnete Rolle. Hier wird vorgeschlagen, diese Hypothesen durch eine Kombination von numerischen Simulationen und Beobachtungen zu testen. Eine einmonatige Messkampagne wird erstmals das Windfeld in der Umgebung des Matterhorns erkunden, wobei moderne Wind-LiDAR Technologie zum Einsatz kommen soll, in Kombination mit Radiosonden und einem kleinen unbemannten meteorologischen Flugzeug. Außerdem sollen umfangreiche Grobstruktursimulationen der Strömung um einen steilen Berg durchgeführt und ausgewertet werden. Die Verwendung von realistischer Matterhorn-Orographie erlaubt es, optimale Mess-Strategien für die Kampagne zu entwickeln und später die Messungen in den Kontext des bisher Gewussten zu stellen. Außerdem werden die Simulationen dazu benutzt, um die transienten Merkmale des Windfelds im Lee des Berges zu studieren, und zwar sowohl mit idealisierter als auch mit realistischer Orographie. Eine wichtige Bedeutung nimmt dabei die Visualisierung der Leewirbel ein, welche dabei hilft, die anfangs genannten Hypothesen zu testen.
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