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Quantifizierung des Einflusses der stratosphärischen Zirkulation auf die Abschätzung troposphärischer Emissionen

Neue Studien zeigen, dass die Emissionen eines der wichtigsten Fluochlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), des CFC--11, seit 2012 wieder ansteigen, was eine ernste Bedrohung für die Ozonschicht bedeutet. Allerdings sind die Abschätzungen der FCKW Emissionen mit großen Unsicherheiten behaftet. Die größte Unsicherheit stammt von Änderungen der stratosphärischen Zirkulation und deren Darstellung in derzeitigen atmosphärischen Modellen und Reanalysen. Die Methodiken, um diese Zirkulationsänderungen in Modellen besser einzuschränken, sind unzureichend.Ziel des Projekts ist es den Einfluß von Jahr-zu-Jahr Variabilität und dekadischen Änderungen im stratosphärischen Transport auf troposphärische Änderungen langlebiger Spurenstoffe, mit Fokus auf FCKWs, besser zu verstehen. Dazu werden neue Methodiken entwickelt und verbessert, um das stratosphärische Altersspektrum abzuleiten, die Verteilung der Transportzeit durch die Stratosphäre. In einem ersten Schritt wird die Methoden-Evaluierung im Modell durchgeführt. Drei verschiedene Methodiken zur Berechnung des Altersspektrums aus Mischungsverhältnissen chemischer Spezies werden verglichen. Diese Methodiken basieren auf (i) einer inversen Gauss-Funktions Parametrisierung, (ii) einer verbesserten Parametrisierung, und (iii) einer direkten Inversions-Methode. Für einen "proof of concept" werden die Resultate aller drei Methoden mit Altersspektren aus dem Lagrangeschen Atmosphären-Modell CLaMS verglichen, die im Modell exakt mit einer Pultracer-Methode berechnet werden. Im zweiten Schritt werden die Methodiken angewendet auf hochaufgelöste in-situ Spurengas-Messdaten aus Luftproben von Flugzeug-Messungen und von neuesten AirCore Messungen. Die Kombination von neuartigen Simulations- und Berechnungs-Methoden mit neuesten Messdaten zur Bestimmung des stratosphärischen Altersspektrums wird zu bisher nicht dagewesenen Einschränkungen des stratosphärischen Transports in Modellen führen. Durch Vergleich der Modell-Altersspektren aus Simulationen die mit verschiedenen meteorologischen Reanalysen angetrieben wurden, einschließlich der neuesten ERA5 Reanalyse und älterer Produkte (ERA-Interim, MERRA-2, JRA-55), soll die Robustheit der Modell-Darstellung stratosphärischer Transportänderungen abgeschätzt werden. Schließlich werden die Variabilitäten im stratosphärischen Transport untersucht und quantifiziert, sowie die Effekte dieser Variabilität auf die Spurengaszusammensetzung der unteren Stratosphäre und auf troposphärische Trends. Die aus dem Projekt resultierenden verbesserten Methodiken zur Abschätzung troposphärischer Spurenstoff-Budgets sollen der wissenschaftlichen Community zugänglich gemacht werden, und werden einen wichtigen Schritt darstellen hin zu einer verbesserten Berechnung von Emissionen langlebiger ozonzerstörender Substanzen und Treibhausgase.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Messungen mit mini-DOAS Instrument während der HALO Phase II Missionen WISE, CAFE, EmerGe, and CoMet und Auswertung, Interpretation und Publikation der während früheren HALO Missionen gewonnenen Meßdaten

Mit dem vorliegenden Antrag sollen 2 Hauptziele verfolgt werden. Einerseits wird die Teilnahme des mini-DOAS Instruments an den, für die Mitte 2016 bis Mitte 2019 geplanten HALO Missionen WISE, CAFE, EmerGe, and CoMet beantragt, und andererseits sollen die mit dem Instrument bei früheren Missionen (TACTS/ESMVal, NarVal, Cirrus, Acridicon und OMO) gemessenen Daten und jener aus in Zukunft stattfindenden HALO Missionen bzgl. dreier wissenschaftlicher Hauptziele im Detail ausgewertet, interpretiert und publiziert werden. Die 3 wissenschaftlichen Hauptziele sind: 1. die Untersuchung der Quellen und Senken und die Photochemie der NOx und NOy Verbindungen in der Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) für unterschiedliche photochemische Regime (u.a. Reinluft und durch diverse NOx Quellen verschmutzte Luft), wobei hier das mini-DOAS Instrument mit den Messungen von NO2, (und evt. HONO) zusammen mit den Messungen anderer Instrumenten (z.B. AENEAS, AIMS, ..) zum Gesamtbudget von NOy beiträgt, 2. die Bedeutung der volatiler organischer Verbindungen für die atmosphärische Oxidationskapazität in reiner und verschmutzter Luft durch Messungen von CH2O (und C2H2O2) mit dem mini-DOAS Instrument, die die Schließung des Oxidationsmechanismus VOC größer als oder gleich CH2O größer als oder gleich CO erlauben. 3. Messungen zum Budget und zur Photochemie von Brom in der UTLS, wobei hier das Instrument besonders mit seinen Messungen von BrO zum anorganischen Brombudget beiträgt, das zusammen mit den Messungen der organischen Bromverbindungen (der Universität Frankfurt) das Gesamtbudget an Brom schließt. Alle diese Untersuchungen sollen auch zur Überprüfung der Vorhersagen globaler Chemietransportmodelle (CTMs) (EMAC, CLAMS, TOMCAT/SLIMCAT, ...) dienen.

Einfluss von Fütterung und Genotyp auf Methanproduktion sowie Energie- und Proteinstoffwechsel von Milchkühen (Respirationsmessung) (Klimaeffizienz-Milch)

Der Klimawandel ist weltweit ein heiß diskutiertes Thema und es besteht Übereinstimmung, dass Maßnahmen gesetzt werden müssen um die Erderwärmung einzudämmen. In dieser Diskussion hört man häufig von der 'Kuh als Klimakiller'. Ziel dieses Projektes ist, durch exakte Messungen des Gasstoffwechsels den tatsächlichen Beitrag von Milchkühen zur globalen Erwärmung abzuschätzen und aus den gewonnenen Erkenntnissen Strategien zur Reduktion des Ausstoßes von Methan (und anderen relevanten Gasen) zu entwickeln. Zur Umsetzung dieses Projektes sollen von allen sich derzeit am Forschungsbetrieb der HBLFA-Raumberg-Gumpenstein befindlichen Milchkühe zumindest einmal Messungen in einer Respirationskammer durchgeführt werden. Bei diesen Messungen werden neben der Methanproduktion (CH4) auch die Erzeugung von Kohlendioxid (CO2), Ammoniak (NH3) und Lachgas (N2O) sowie der Verbrauch an Sauerstoff (O2) durch die Kühe erhoben. Dadurch sollen zuverlässige Aussagen zur von Milchkühen produzierten Menge an klima- und umweltrelevanten Gasen ermöglicht werden. Da derzeit an der HBLFA Raumberg-Gumpenstein unterschiedliche Genotypen/Rassen gehalten und unterschiedliche Fütterungssysteme angewandt werden, sollen Aussagen für verschiedene landwirtschaftliche Produktionssysteme ermöglicht werden. Der ursprüngliche Zweck von Respirationskammern lag darin, den Energiestoffwechsel der Tiere zu untersuchen. Durch diese Methode können die Energieverluste in Form von Methan festgestellt werden und die Menge an produziertem CO2 gibt darüber hinaus Auskunft über die produzierte Wärmemenge des Tieres. In Kombination mit Futtermittel-, Kot- und Harnuntersuchungen kann somit der gesamte Energiestoffwechsel abgebildet und alle Energieverluste ermittelt werden. Mit dieser Methode kann auf experimentelle Weise sehr genau jene Energiemenge ermittelt werden, die dem Tier für die Erhaltung der Körperfunktionen und die Erbringung von Leistungen zur Verfügung steht (Metabolische Energie (ME) = Bruttoenergie (GE) - Kotenergie (FE) - Harnenergie (UE) - Methanenergie (CH4) - Wärmeverluste (H)). Wird zusätzlich noch die erbrachte Leistung der Kuh herangezogen, kann eine Bilanzierung des Energiestoffwechsels der Kuh durchgeführt werden. Durch die Bestimmung der Stickstoff-Gehalte (Eiweiß-Gehalte) in Futtermittel, Milch, Kot und Harn können auch Berechnungen zum Proteinstoffwechsel der Tiere erfolgen. Die gewonnenen Daten aus der Stoffwechselbilanzierung sollen anschließend zur Überprüfung der aktuellen Energie- und Proteinbedarfsempfehlungen herangezogen werden. Die Ergebnisse dieses Projekts sollen abschließend in Form mehrerer Publikationen und Vorträge veröffentlicht werden und als Grundlage für Beratungswerkzeuge verwendet werden. So ist in weiterer Folge auch eine Implementierung der Daten in das Ökobilanzierungsprogramm der HBLFA Raumberg-Gumpenstein angedacht.

Untersuchung der Ausbreitung von Abgasfahnen und Bestimmung ihrer Immissionsbeitraege mit der SF6-Tracermethode

Immissionskonzentrationen setzen sich stets aus den Anteilen vieler Verursacher zusammen. Industrieanlagen und Kraftwerke, Verkehr, Hausbrand und Fernverfrachtung verursachen Schadstoffkonzentrationen in der Luft, deren Messung keinen Rueckschluss auf ihre Herkunft zulaesst. Um eine solche Situation zu beurteilen und gezielte Massnahmen zur Verminderung von Luftverunreinigungen zu ermoeglichen, ist die Kenntnis der Emissions - Immissionsbeziehung fuer einzelne Emittenten notwendig. Informationen darueber koennen mit der SF6-Tracermethode erhalten werden. SF6 ist ein chemisch inertes, ungiftiges Gas, das noch in Konzentrationen bis zu 10-12 cm3/SF6/cm3 Luft mittels Gaschromatographie gemessen werden kann. Das Prinzip der Tracermethode ist es, den Abgasen waehrend der Versuchsdauer gleichmaessig eine geringe Menge dieses Gases, das in der Natur und in anderen Abgasfahnen nicht vorkommt, beizumischen. Die markierte Abgasfahne kann durch Messung des zugegebenen Gases selektiv und ohne Beeinflussung durch andere Abgasfahnen nachgewiesen werden. Die Messungen erfolgen in Windrichtung an einem Netz von Messpunktken, wo die jeweilige Konzentration des Markierungsgases ermittelt wird. Waehrend der Messung werden kontinuierliche Wetterdaten registriert, da die Ausbreitung einer Abgasfahne von den meteorologischen Bedingungen abhaengt. Die Tracermethode wird einerseits angewendet, um die Ausbreitung von Abgasfahnen bei verschiedenen Wetterlagen zu untersuchen und damit die Gueltigkeit von Ausbreitungsmodellen zu ueberpruefen. Andererseits kann mit dieser Methode der Anteil einzelner Emittenten an einer Schadstoffkonzentration im Einzugsbereich mehrerer Anlagen...

Messungen in der Außenluft (Staub, Gas)

Diskontinuierliche Messungen von gas- und staubförmigen Bestandteilen in der Außenluft. Depositionsmessungen, Untersuchung von Hausstaubproben, jährlich wechselnde Messprogramme in unterschiedlichen Gebieten von Hamburg.

Messungen von gas- und staubfoermigen Luftverunreinigungen des Kfz-Verkehrs

Ziel: Ermittlung der Schadstoffe des Verkehrs (z.B. Kohlenmonoxid/Stickoxide/Kohlenwasserstoffe/Blei/Benzo(a)pyren).

Messungen von vulkanischen Schwefel- und Kohlenstoffemissionen mit hoher Zeitauflösung

Dies ist ein Antrag auf Reisekosten für eine Reise von Deutschland nach Argentinien zum Besuch der Vulkane Copahue and Peteroa, dort planen wir zusammen mit Forschern aus Argentinien in-situ Messungen von vulkanischem SO2 mit einem neuartigen Instrument. In Kombination mit in-situ CO2 Messungen erwarten wir einen Datensatz von CO2/SO2 Verhältnissen mit bisher unerreichter Genauigkeit und Zeitauflösung.Obwohl Fernerkundungsmessungen von SO2 sich mittlerweile in der Vulkanologie weit verbreitet haben, stellen bodengebundene und Flugzeug-getragene in-situ-Messungen immer noch eine wichtige Quelle ergänzender Information dar. Heutzutage werden in-situ Messungen von SO2 häufig mittels elektrochemischer Sensoren vorgenommen, diese weisen allerdings eine Reihe von Nachteilen auf, insbesondere (1) relativ lange Ansprechzeiten (ca. 20 s und mehr), (2) Interferenzen durch eine Reihe anderer reaktiver Gase, die sich in Vulkanfahnen finden (und die schwer zu quantifizieren bzw. unbekannt sind), (3) Die Notwendigkeit häufiger Kalibration. Wir lösen diese Probleme mit einem neuentwickelten, optischen in-situ SO2-Sensor Prototypen, der nach dem Prinzip der nicht-dispersiven UV-Absorption arbeitet (PITSA, Portable in-situ Sulfurdioxide Analyser). Die preisgünstige Anwendung des Prinzips für SO2 - Messungen wurde durch die Entwicklung von UV-LEDs ermöglicht. Die Probenluft wird durch eine Glasröhre gesaugt und dort der kollimierten Strahlung einer UV-LED (ca. 290nm) ausgesetzt, in diesem Wellenlängenbereich absorbiert (von den relevanten Vulkangasen) praktisch nur SO2. Daher ist die Abschwächung der Strahlungsintensität nach Durchgang durch die Messzelle ein Mass für den SO2-Gehalt der Messluft. Das PITSA Instrument wird mit einem kommerziellen CO2 Sensor kombiniert, damit werden SO2 und CO2 Messungen mit 0.1 ppm bzw. 1 ppm Genauigkeit möglich. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten in der Vulkanologie.

Kartierung von Klimagasen mittels spektroskopischer Messung von reflektiertem Sonnenlicht

Urbane Emissionen von Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) machen einen Großteil der Treibhausgasemissionen weltweit aus. Deshalb sind Städte auch Vorreiter bei der Entwicklung von Emissionsreduktionsmaßnahmen zur Mitigation des Klimawandels. Solche Maßnahmen müssen durch räumlich und zeitlich hochaufgelöste, vollständige, verlässliche und verifizierte Informationen begleitet und in Bezug auf ihre Effizienz überprüft werden. Unter den Beobachtungsmethoden für Treibhausgase gibt es allerdings eine Lücke im Bereich der horizontalen, flächendeckenden Kartierung auf der Skala einiger Kilometer. Dort braucht es eine Technik, die die Empfindlichkeitslücke zwischen lokalen in-situ Messungen und regional-integrierenden Säulenmessungen durch Fernerkundungsmessungen füllt.Hier schlage ich vor, urbane Treibhausgasquellen mit einer innovativen und portablen Technik zu studieren, die die CO2 und CH4 Konzentrationsfelder flächendeckend kartieren kann und so die Beobachtungslücke erfasst. Die erste Studienregion ist der Großraum Los Angeles, wo sich die CO2 und CH4 Emissionen auf mehr als 100 MtCO2/a und 300 ktCH4/a belaufen, was die Region zu einer der größten, lokalisierten Quellen weltweit macht. Los Angeles wurde in der Vergangenheit vielfältig in Bezug auf seine Treibhausgasquellen untersucht, indem beispielsweise Inventarisierungen durchgeführt und durch atmosphärische Messungen bewertet wurden. Ein herausragendes Experiment läuft gerade im Rahmen des CLARS-FTS (California Laboratory for Atmospheric Remote Sensing - Fourier Transform Spectrometer) – ein Spektrometer, das auf Mt. Wilson stationiert ist und reflektiertes Sonnenlicht aus dem Los Angeles Stadtgebiet einfängt. Wir haben eine portable Variante dieses Instruments entwickelt und schlagen nun vor beide Instrumente gemeinsam mit kalifornischen Partnern bei einer Feldkampagne zu betreiben.Dabei ist es unser Ziel das neue portable Observatorium zu validieren und für zukünftige Langfristvorhaben zu empfehlen. Dazu wollen wir innovative Beobachtungsmuster wie die Definition von Zoom-Regionen oder die Verwendung von gekreuzten Lichtwegen ausprobieren, um die räumliche und zeitliche Auflösung zu optimieren. Zudem werden wir die Genauigkeiten verbessern, indem wir einen neuen Ansatz der Strahlungstransportmodellierung implementieren, der simultan mit der Gasbestimmung auch die Streuung an atmosphärischen Partikeln berücksichtigt. Für die Fallstudie Los Angeles werden wir die Variabilität und die Gradienten der CO2 und CH4 Konzentrationen auf ihre Konsistenz mit den Emissionsinventaren überprüfen und untersuchen, bis zu welchem Grad sich die Einflüsse des meteorologischen Transports, der regionalen Advektion, episodischer Ereignisse und der urbanen Biosphäre unterscheiden lassen.

Dynamiken von Methanflüssen in Söllen einer postglazialen Landschaft -mikrobielle Ökologie und Biogeochemie

Feuchtgebiete sind eine wichtige natürliche Quelle für Methan, das zweithäufigste Treibhausgas in der Atmosphäre. Die Methangasflüsse aus Feuchtgebieten sind variabel und bestimmt durch die Aktivität methanotropher (Methan verbrauchender) und methanogener (Methan produzierender) Mikroorganismen. Deren Aktivität wird durch verschiedene Umweltfaktoren gesteuert, was jedoch noch nicht sehr gut verstanden ist, da z.B. die Bedeutung der anaeroben Methanotrophen in Feuchtgebieten noch weitgehend unklar ist. Ziel des Projekts ist es, die räumlich-zeitliche Variation der Nettomethanflüsse zu untersuchen und sie durch Verteilungsmuster und Aktivitäten der Methankreislauf-assoziierten Mikroorganismen in Abhängigkeit von verschiedenen Umweltfaktoren zu erklären. Im Projekt werden Sölle untersucht, da diese eine hohe Dynamik in den Methanemissionen über kleine räumliche Skalen aufweisen. Sie kommen häufig in postglazialen Landschaften vor und sind meist von landwirtschaftlich genutzten Flächen umgeben. Sie werden als Methanquelle betrachtet, aber die Mechanismen, die ihre dynamischen Methanemissionen antreiben, sind nicht gut verstanden. Bodenprofile, Bodenchemie, Wasserstand, Redox-Bedingungen, Nährstoffeintrag und Vegetation werden als wichtige Umweltfaktoren antizipiert, die die Häufigkeit, Aktivität und die Biodiversität der mit dem Methankreislauf assoziierten Mikroorganismen beeinflussen. Um die regulatorische Bedeutung dieser Faktoren zu verstehen, wird MeDKet Feldstudien mit Laborexperimenten kombinieren, in denen verschiedene abiotische Faktoren unter kontrollierten Bedingungen moduliert werden. Die räumliche Variation der Methanbildung und -oxidation und die Verteilung der mit dem Methankreislauf assoziierten Mikroorganismen wird in acht Söllen untersucht, während die Auswirkungen der wichtigsten Umweltfaktoren für ein ausgewähltes Soll im Detail analysiert werden. Hochauflösende Gasmessungen werden kombiniert mit Methoden der mikrobiellen Ökologie wie quantitativer PCR, Amplikonsequenzierung, mRNA-Analyse, stabilen Isotopenuntersuchungen und einer Metagenom-Analyse, um Identität, Abundanz, Verteilung und physiologische Eigenschaften der am Methankreislauf beteiligten Mikroorganismen zu bestimmen. Da wir ein ganzheitliches Verständnis über den Beitrag Methan-assoziierter Mikroorganismen in Feuchtgebieten zu Methanflüssen anstreben, weiten wir unsere Analysen auf oberirdische Pflanzenteile aus, ein bisher vernachlässigter Lebensraum für Methanotrophe. Mit einer neu entwickelten Methodik werden wir vertikale Methanprofile in der Atmosphäre oberhalb eines Solls messen und das Vorkommen von Methanotrophen auf oberirdischen Pflanzenteilen untersuchen. Damit werden die Ergebnisse von MeDKet als Grundlage dienen, um (a) die Regulation von Methanotrophie und Methanogenese und damit die hohe Variabilität der Nettomethanflüsse (b) die Bedeutung der anaeroben Methanoxidation und (c) der oberirdischen Methanoxidation in Söllen zu verstehen.

Bedeutung von mehrjährigen und nicht mehrjährigen Flüssen für Kohlendioxid- und Methanemissionen bei Regenereignissen und Trocknungs-Wiederbefeuchtungszyklen (StreamFlux)

Fließgewässer tragen wesentlich zum globalen organischem Kohlenstoffkreislauf und zu der Emission der klimarelevanten Gase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) bei. Die Dynamik der CO2-Emissionen wurde mit dem Wasserabfluss und der Hydrologie des Einzugsgebietes in Verbindung gebracht, während CH4 mit dem Biom des Fließgewässers und der umgebenden Landnutzung korrelierte. Die Mehrzahl dieser Studien wurde jedoch an ganzjährig wasserführenden (perennierenden) Fließgewässern und unter stabilem Wasserabfluss durchgeführt, mit einer nur begrenzten Abdeckung von Hochwasserepisoden (Niederschlagsereignissen). Bislang sind daher Gasemissionen von nicht ganzjährig wasserführenden (intermittierenden) Fließgewässern nicht ausreichend in den lokalen und regionalen Kohlenstoff-Budgets enthalten. Diese erlangen jedoch erhöhte Bedeutung, da die aktuellen Prognosen zum Klimawandel darauf hindeuten, dass das Ausmaß und die Häufigkeit schwerer klimatischer Ereignisse wie Überschwemmungen und Dürre wahrscheinlich zunehmen wird. Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, diese wichtige Forschungslücke zu schließen, indem die treibenden Kräfte und die jahreszeitliche Relevanz der CO2- und CH4-Emissionen nicht nur in perennierenden sondern auch in intermittierenden Fließgewässern untersucht werden sollen. Das erste Ziel des Projekts ist die Quantifizierung der lokalen Relevanz von ereignisgesteuerten CO2- und CH4-Emissionen aus perennierenden Fließgewässern mittels einer Kombination von i) State-of-the-art Techniken zur Quantifizierung von Gasflüssen über die Wasser-Luft-Grenzfläche, ii) Sensoren nach dem Stand der Technik und In-situ-Gasmessungen und iii) etablierten Verfahren zur Bewertung der mikrobiellen Gemeinschaft und potentieller metabolischer Aktivität Das zweite Projektziel ist die Untersuchung des Kohlenstoff-Kreislaufs und der Gasemissionen von kontinentalen, nicht-perennierenden Fließgewässern, mit Schwerpunkt auf Trocknungs- und Wiederbefeuchtungszyklen. Das Projekt konzentriert sich auf das Einzugsgebiet des Flusses Queich (271 km2) in Rheinland-Pfalz. Der Fluss entspringt in einem natürlichen Reservoir (Biosphärenreservat Pfälzerwald) und fließt entlang eines ausgeprägten Landschaftsgefälles (natürlich bis anthropogen beeinflusst). Diese Umgebung bietet ein ideales Untersuchungsgebiet um die Rolle der Hydrologie und der Bodennutzung für kohlenstoffrelevante Gasemissionen aus Fließgewässern zu erforschen. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist die Quantifizierung der Beiträge von episodischen (ereignisbasierten) Einflüssen und von saisonalen Trocknungs-Wiederbefeuchtungszyklen zum lokalen und regionalen Kohlenstoff-Kreislauf. Die Projektdaten werden mit zusätzlichen hydrologischen und biogeochemischen Daten in bestehenden geografischen Informationssystemen kombiniert, um die Entwicklung von Upscaling-Verfahren zu ermöglichen, die die oben genannten Beiträge schließlich in umfangreiche Budgets für den Kohlenstoffkreislauf überführen können.

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