Die Quantifizierung der Effekte von Transport, Mischung und chemischer Prozessierung von klimarelevanten Spurengasen in der extratropischen oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) ist von großer Bedeutung für das Verständnis des Strahlungsbudgets der Atmosphäre. Dynamische Systeme wie der Jetstream, der Asiatische Monsun, Schwere- und Rossbywellen verändern die Verteilung und den Transport von Spurenstoffen in der UTLS und beeinflussen dadurch das Klima. Ziel des Projektes ist es die Veränderung der Zusammensetzung und des Transports in der UTLS durch diese dynamischen Systeme zu untersuchen. Ein spezifischer Fokus liegt hierbei auf den Spurengasen H2O, O3, Stickoxid- und Halogenverbindungen sowie Zirren. Zu diesem Zweck wird das Atmosphärische chemische Ionisations-Massenspektrometer AIMS und das durchstimmbare Diodenlaser Hygrometer WARAN bei WISE eingesetzt. Erfolgreiche erste Messungen wurden bereits während der Kampagnen TACTS/ESMVal, ML-CIRRUS und POLSTRACC/GW-Cycle/SALSA durchgeführt. Der Nachweis mit dem Reagenzien SF5- wurde bislang zur Messung der Spurengase HCl, HNO3, SO2 und HONO verwendet. In diesem Projekt schlagen wir den quantitativen Nachweis von ClONO2 und HBr mit AIMS als Weiterentwicklung vor. Im Rahmen der WISE Mission liegt der Fokus auf der quantitativen Bestimmung der Beiträge von stratosphärischem O3 und HNO3 in der UTLS abgeleitet aus dem stratosphärischen Tracer HCl. Transportprozesse und ihr Einfluss auf die Inversionsschicht der Tropopause (TIL) werden in Abhängigkeit von Breite und dynamischer Situation untersucht . Tracer-Tracer Korrelationen in der extratropischen Tropopausen Schicht werden eingesetzt um den Mischungszustand in und oberhalb dieser Schicht zu charakterisieren. Unsere in-situ Messungen werden zur Validierung der Fernerkundungsinstrumente GLORIA (HNO3, ClONO2, H2O und SO2), DOAS (HONO, Bry) und WALES (H2O) herangezogen. Der Einfluss von Eiswolken und kaltem Aerosol auf die Spurengaszusammen in der polaren UTLS wird mit Daten der Mission POLSTRACC bestimmt. Die Aufnahme von HNO3 in Eis und die Bildung von kondensierten Salpetersäure/Wasser Kondensaten ist bei tiefen Temperaturen unzureichend verstanden. Diese Fragestellungen werden aus Messungen von Wasser, gasförmiger HNO3 und HNO3 in Eispartikeln beantwortet. Tracer-tracer Korrelationen der Chlor- und Stickoxidverbindungen werden benutzt um die Verteilung von Chloraktivierung und De- und Nitrifizierung zu bestimmen. Unsere Messungen dienen dazu das Verständnis des Einflusses dynamischer und heterogener chemischer Prozesse auf die Verteilung klimarelevanter Spurengase in der UTLS zu verbessern.
Bakterielle Sensoren mit genetisch programmierten Schaltkreisen erkennen Umweltschadstoffe wie Antibiotika mit hoher Selektivität und Sensitivität. Sie eignen sich für die effiziente Überwachung großer Flächen oder abgeschiedener Gebiete, weil die Bakterien keine elektrischen Energiequellen oder Wartung benötigen und ein einfacher Biofilm alle Elemente zur Detektion enthält. Diese hochattraktiven, nachwachsenden Sensoren werden heute oft deshalb nicht genutzt, weil die Auswertung bakterieller Sensor-Antworten aufwändige Infrastruktur erfordert, die im Feld nicht verfügbar ist. Andererseits wurden in den letzten Jahren hybride Sensor-Materialien für die Umweltanalytik auf Basis von Nanoplasmonik und Photolumineszenz (PL) entwickelt. Ihre optischen Eigenschaften hängen von der Konzentration bestimmter Analyten ab. Sie lassen sich effizient mit Laserdioden anregen und mit einfachen CCD-Kameras auswerten. Sensor-Materialien auf Basis anorganischer Materialien und Polymere sind robust und können z.B. von Drohnen ausgelesen werden. Sie reagieren aber weniger spezifisch und empfindlich als etablierte elektrochemische oder chromatographische Verfahren, was ihre Einsatzbereiche beschränkt. In diesem Projekt verbinden wir bakterielle Sensorik mit Plasmonenresonanz und Photonen-Hochkonversion in lebendigen Sensor-Materialien (ELM). Wir koppeln die Empfindlichkeit und Spezifizität der Bakterien mit der Robustheit und Intensität optisch aktiver Partikel. Zentrales Bindeglied ist das Enzym Goldreduktase GoIR, das vor kurzen erstmals in Bakterien beschrieben wurde. In dem Projekt stellen wir E. coli-Zellen her, die nur dann GoIR bilden, wenn die Bakterien Schadstoffe wie Tetrazykline oder Arsen detektieren. Ein Biofilm dieser Bakterien wird dann in einem Mehrschicht-ELM integriert. Wenn der Analyt den Biofilm erreicht, reduziert GoIR einen Gold-Komplex und bildet Nanopartikel mit starker Oberflächenplasmonenresonanz im Bakterium. Durch gezielt eingestellte Entmischung und Agglomeration der Partikel erreichen wir die Bildung resonanter plasmonischer Überstrukturen, welche die optische Dichte des bakteriellen Mikrofilms drastisch erhöhen. Damit wird die Emission eines photolumineszenten Films beim Auslesen moduliert und ein starkes PL-Signal erzeugt, das von der Konzentration des detektierten Analyten abhängt. Durch ratiometrische Auswertung der Emission bei zwei Wellenlängen können wir so die Gegenwart des Analyten schnell und aus Entfernung ermitteln. Der im Projekt verfolgte Ansatz ist modular, weil die für die Detektion verantwortlichen genetischen Schaltkreise unabhängig vom optischen System ausgetauscht werden können. Die Ergebnisse schaffen nicht nur einen Hybrid aus Bio- und plasmonischem Sensor. Sie lassen sich in anderen Projekten des SPP einsetzen, um den Zustand anderer ELM anzuzeigen.
In dem geplanten Vorhaben werden vorrangig drei Ziele verfolgt: 1. Aufbau und Inbetriebnahme einer Anlage zur Untersuchung von Böden mit einem laserspektroskopischen Meßsystem zur optischen Charakterisierung der organischen Bodensubstanz und zur isotopenselektiven Bodengas-Bestimmung mit durch stimmbaren Diodenlasern im Nahinfrarot Spektralbereich. 2. Untersuchung der Humus-Eigenschaften und dem Einfluß variierender CO2-Konzentrationen in der Bodenluft. Dazu werden CO2-Inkubationsexperimente in einer Bodenkammer durchgeführt und die Humus-Stabilität unter Berücksichtigung chemischer, mikrobiologischer und pflanzlicher Gegebenheiten untersucht. 3. Im Rahmen interdisziplinärer Kooperationsvorhaben mit Arbeitsgruppen innerhalb und außerhalb des Schwerpunktprogramms werden Bodenproben untersucht, die z.B. aus Freilandexperimenten mit erhöhten atmosphärischen CO2-Konzentrationen stammen. Der Humus/Bodengas-Monitor als leistungsfähiges Meßsystem zur Humus-Charakterisierung wird in das Schwerpunktprogramm eingebracht, weiterentwickelt und auch anderen Arbeitsgruppen für Labor- und Freilandexperimente zur Verfügung gestellt.