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Drehfilter-Messsystem zur Immissionsueberwachung von Aerosolen

Die Ueberwachung der Beta-Aktivitaet von Aerosolen, die von kerntechnischen Anlagen emittiert werden, ist fuer den Umweltschutz von grosser Bedeutung. Zur Messung der Beta-Aktivitaet sowohl im Normalbetrieb als auch im Stoerfall muss ein Messsystem einen Messbereich von etwa 8 Groessenordnungen umfassen. Um den Erforderungen der Ueberwachung zu entsprechen, sollte ein solches System preiswert in Herstellung und Betrieb sein und dem modernen Automatisierungsstandard entsprechen. Das Drehfiltersystem sammelt im 24 h-Zyklus Aerosolproben. Mit drei Detektoren werden die Beta-Aktivitaet der Aerosolprobe waehrend der Probenahme, das Abklingverhalten der Aktivitaet unmittelbar nach der Probenahem und die Aktivitaet langlebiger Nuklide nach Zerfall der kurzlebigen Isotope ermittelt. Die Messergebnisse werden rechnergestuetzt hinsichtlich der natuerlichen und kuenstlichen Radioaktivitaet analysiert. Die Analyse der Zerfallskurve ergibt bereits 3 h nach der Probenahme erste Hinweise auf langlebige kuenstliche Nuklide, die mit den bisher angewandten Verfahren erst nach 20 Tagen nachweisbar waren. Nach der Erprobung des Prototyps befindet sich zur Zedit ein Ueberwachungssystem im Aufbau, das aus mehreren Drehfiltermessstationen und einem Leitrechner zur zentralen Datenerfassung und -auswertung besteht.

GIN Deutsches Isotopennetz

Das deutsche Isotopennetz GIN ermöglicht ein kontinuierliches, langjähriges und räumlich hoch aufgelöstes Monitoring von stabilen Wasserisotopen (Sauerstoff-18, Deuterium) und Tritium im Grundwasser, Niederschlag, Oberflächenwasser und weiteren Komponenten und hält Isotopendaten für Wissenschaft und anwendungsbezogenes Arbeiten in den Naturwissenschaften, der Ressourcenforschung und Umweltdisziplinen für Deutschland vor.

Rekonstruktion des marinen Karbonatsystems während des letzten glazial-interglazialen Überganges aus Bor-Isotopen und -Konzentrationen Foraminiferen.

Störungen des Kohlenstoffkreislaufs, sowohl natürlichen als auch anthropogenen Ursprungs, führen zu globale Erwärmung, Ozeanversauerung (OA) und Sauerstoffzehrung des Tiefenwassers. Natürliche Störungen des Kohlenstoffkreislaufs sind als Hauptursache von mindestens 4 von 5 Massensterben in der Erdgeschichte identifiziert wurden (z.B. Hönisch et al, 2009, Bijma et al.., 2013).Anthropogene Aktivitäten setzten CO2 zehnmal schneller frei als jedes andere Ereignis in den letzten 65 Mio. Jahren - vielleicht sogar während der letzten 300 Mio Jahren. Dies macht den heutigen CO2 Ausstoß zu einer der größten gesellschaftlichen Herausforderungen. Um die Auswirkungen der anthropogenen Störungen vorhersagen zu können, ist es zwingend erforderlich, die natürlichen Speicher und Dynamik des Kohlenstoffsystems zu verstehen. Dies erfordert die genaue Rekonstruktion der marinen Karbonatchemie für Zeiträume mit natürlichen Änderungen. In diesem Projekt wollen wir Veränderlichkeit am Übergang Glazial/Interglazial untersuchen weil die Änderungen der Karbonatchemie in der gleichen Größenordnung wie heute lagen. Da das Reservoir an anorganischem Kohlenstoff im Ozean ungefähr 60 mal größer ist als das der Atmosphäre, sind Rekonstruktionen der Veränderungen der Kohlenstoffsenke/-speicherung in der Tiefsee ein Schlüssel, um die glazialen/interglazialen Schwankungen im atmosphärischen CO2 - wie sie in Eisbohrkernen beobachtet werden - zu erklären. Prozesse im Südozean, wo der Großteil des Tiefenwassers ventiliert wird, spielen hierbei vermutlich eine zentrale Rolle. Man vermutet, dass der träge glaziale Süd Ozean mehr Kohlenstoff einlagern konnte, die Biologische Pumpe effektiver war und dass eine höhere Wassermassen-Stratifizierung das Entweichen von CO2 in die Atmosphäre verringert hat. Nach dem glazialen Maximum wird mit dem Rückzug des Meereises die Tiefsee Kohlenstoff - Pumpe wieder mit der Atmosphäre verbunden und führt zu einer erhöhten CO2-Freisetzung. Bislang ist dies, wenn auch von Indizienbeweisen unterstützt, nur eine Hypothese, zum Beweis bedarf es der Rekonstruktionen der glazialen/interglazialen variierenden Karbonatchemie. Dies ist das übergreifende Ziel unseres Antrags. Auf dem Weg zur Rekonstruktion des glazialen/interglazialen Kohlenstoffpools liegen 3 Zwischenziele: 1) Rekonstruktion von Oberflächenwasser-Tiefsee- CO2-Gradienten, glaziale Kohlenstoffspeicherung und deglaziale Entgasung mittels Bor-Isotopen und B/Ca fossiler Foraminiferen als Hauptvariablen. 2) Erstellen der ersten Kalibrationen von Bor-Isotopen und B/Ca Ratio für Cibicides wuellerstorfi (Tiefseeforaminifere) unter in-situ Druck. 3) Entwicklung von analytischen Methoden, welche die Analyse von einzelnen Foraminiferen Schalen erlauben.

Nutzung des Fortschritts in der stabilen Wasserisotopenforschung zur Quantifizierung von art- und interspezifischen ökohydrologischen Rückkopplungsprozessen und Wasserdurchgangszeiten verschiedener Baumbestände

Signifikante Veränderungen hydrologischer Extremereignisse sind zentraler Bestandteil zukünftiger Klimawandelprognosen. Das Verständnis komplexer Wechselwirkungen zwischen Niederschlägen, Wasserspeicherung in Boden und Grundwasser sowie Wasserflüssen im Einzugsgebiet ist eine große Herausforderung in der Ökohydrologie. Die Vegetation spielt dabei eine zentrale Rolle in dem sie 50-70% der terrestrischen Evapotranspiration kontrolliert. Verschiedene Pflanzenarten unterscheiden sich signifikant in ihren Wassernutzungsstrategien. Die Integration solcher Informationen zu artspezifischen Einflüssen auf die Bodeninfiltration und Wurzelwasseraufnahmedynamiken liefern erste Hinweise darauf, wie Bäume Wasser in Richtung ihrer aktiven Wurzelzone leiten können. Dies wird unter zukünftigen klimatischen Bedingungen und bei der Entwicklung von Anpassungsstrategien für eine nachhaltige Waldökosystembewirtschaftung bedeutend. Das Konzept des Wasseralters mittels stabiler Wasserisotopen wird verwendet, um den Beitrag unterschiedlicher Wasserfließwege zum Abfluss und deren Änderungen zu bewerten. Das Wasseralter bietet dabei eine weitere Perspektive, um hydrologische Prozesse besser zu verstehen und Modelle zu optimieren. Jüngste Studien zur Bestimmung von Verweilzeit zeigen, dass besonders die Schnittstellen zwischen den Kompartimenten (z.B. Boden-Atmosphäre oder Boden-Wurzeln) besser berücksichtigt werden muss, um den ökohydrologischen Kreislauf ganzheitlicher zu verstehen. Artspezifische Unterschiede und die komplementäre Ressourcennutzung von Baum-Mischbeständen können dabei Wasserverweilzeiten und -alter im ökohydrologischen Kreislauf verändern. Unsere zentrale Hypothese lautet, dass Artidentität und Wasserkonkurrenz zwischen Baumarten ein Haupttreiber für ökohydrologische Rückkopplungsprozesse zwischen Boden und Bäumen sind. Wir werden unsere zentrale Hypothese in Rein- und Mischbeständen von Tannen und Buchen in einem kombinierten experimentellen (Arbeitspakete (WPs) 1-3) und Modellierungsansatz (WP 4) untersuchen, in dem räumlich hochaufgelöste Messungen von Isotopen sowie hydrometrische und ökophysiologische Messungen mit kontinuierlicher Langzeitüberwachung kombiniert werden, um alle Kompartimente des Wasserkreislaufs des Ökosystems zu quantifizieren. Isotopensignaturen von Wasserflüssen auf natürlichem Niveau werden zunächst über eine neuartige in-situ-Monitoringplattform (SWIP) für ein Jahr (WP 1) beobachtet, um das SWIP-System standortspezifisch zu validieren. In WP 2 werden wir ein Isotopenmarkierungsexperiment durchführen, um die standortspezifische zeitliche Heterogenität der Reaktionszeiten der Ökosystemkompartimente zu quantifizieren, während in WP 3 die Verweilzeiten und das Wasseralter der verschiedenen Kompartimente untersucht werden. WP 4 dient der Modellierung ökohydrologischer Prozesse mittels der erhobenen Daten. Der Fokus wird hier auf der Verbesserung der SWIS-Modellstruktur und der Anpassung an verschiedene Baumstände liegen.

Biogeochemische Prozesse in sandigen Strandsedimenten von Spiekeroog und Majorca

Wellen- und tidebeeinflusste sandige Strände machen einen Großteil der weltweiten Küstenlinie aus und spielen eine wichtige Rolle für Kohlenstoff-, Nährstoff- und Metallkreisläufe. Während Flut strömt Meerwasser in den Sedimentkörper, ebenso wird organisches Material eingetragen. Im Sediment wird dieses von Mikroorganismen abgebaut, sodass bei Ebbe an Nährstoffen angereichertes Wasser zurück in den Küstenozean strömt, wo die rezirkulierten Nährstoffe zur Primärproduktion genutzt werden. Durch mikrobielle Abbauprozesse entwickeln sich Redoxgradienten, die den Porenwasser-Chemismus prägen. Strände können sich außerdem in einer Mischzone zwischen süßem Grundwasser und Salzwasser befinden (subterranes Ästuar), sodass Salinitätsgradienten die Sediment-Porenwasser-Interaktion beeinflussen. Süßwasser ist zudem eine Quelle für terrestrische gelöste Stoffe. Um die globale Rolle von Strandsystemen in Bezug auf Kohlenstoff-, Nährstoff- und Metallzyklen verstehen zu können, ist es notwendig, biogeochemische Prozesse in Strandsedimenten detailliert und an verschiedenen Stränden weltweit zu untersuchen. Da in diesem Forschungsbereich nur wenige Studien existieren und insbesondere die Quellen- oder Senkenfunktion dieser Systeme bezüglich redoxsensitiver Metalle noch weitgehend unbekannt ist, wird dieses Projekt einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Metallzyklen in solchen Systemen liefern. Wir planen, biogeochemische Prozesse in den subterranen Ästuaren von zwei kontrastierenden Strandsystemen auf den Inseln Spiekeroog (NW Deutschland, mesotidal, siliziklastisch) und Mallorca (Spanien, mikrotidal, carbonatisch) zu untersuchen. Es sollen Hauptionen, DOC, O2, H2S, Nährstoffe (N, P, C, Si) und Spurenmetalle (Mn, Fe, U, Mo, V, Re) sowie Fe-Isotopenverhältnisse im Strandporenwasser analysiert werden. Wir planen ebenfalls die Sedimentzusammensetzung zu charakterisieren, da diese die Porenwasserzusammensetzung maßgeblich beeinflusst. An beiden Standorten sollen Transekte zwischen Düne und Niedrigwasserlinie bis in 5 m (Spiekeroog) bzw. 2 m (Mallorca) Tiefe hochaufgelöst beprobt werden. Der Fokus des Projekts liegt darin, Redox- und Salinitätsgradienten zu identifizieren sowie deren Auswirkungen auf die Porenwasserzusammensetzung zu interpretieren. Hydrochemische Modellierung anhand der erhobenen Daten soll zu einem besseren Verständnis der Effekte der Mischung von Grundwässern unterschiedlicher Zusammensetzung beitragen. Es sollen quantitative Aussagen zur Quellen- oder Senkenfunktion der Strände bezüglich essentieller Nährstoffe und redoxsensitiver Metalle erarbeitet werden. Fe-Isotopenverhältnisse dienen dazu, das limitierte Wissen über den Fe-Kreislauf in subterranen Ästuaren zu erweitern und die Fe-Isotopensignatur des Porenwasserflusses aus diesen Systemen besser zu definieren. Weiterhin wird diese Studie eine solide Datenbasis für die Modellierung des Porenwasser-Austroms von einzelnen Elementspezies aus permeablen Sedimenten in den Küstenozean liefern.

Veränderung globaler Umweltfaktoren und Zyklizität in Tiefseesedimenten des Pazifik (Leg 185) und des Atlantik von der Kreide bis heute

Die paläoklimatische und paläozeanographische Entwicklung des nordwestlichen Pazifik (ODP Leg 185) soll auf unterschiedlichen Zeitskalen untersucht und mit Daten aus dem Atlantik versehen werden. Anhand von sedimentologischen, mikropaläontologischen, geochemischen und stabilen Isotopen-Daten sollen Veränderungen der Akkumulationsraten klimatisch und ozeanographisch sensitiver Komponenten dokumentiert werden. Diese sollen mit biostratigraphischen und chemostratigraphischen Methoden sowohl im Hinblick auf die langfristigen zeitlich-räumlichen Trends, als auch mit frequenzanalytischen Methoden hochauflösend analysiert werden. Von besonderem Interesse sind die Intensitäten der atmosphärischen Zirkulation und die marine Produktivität sowie deren räumliche und zeitliche Variabilität. Diese Umwelt-Parameter sind vor allem in der Zusammensetzung der Feinfraktion und in den Akkumulationsraten von äolischem Staub, biogenem Opal und organischem Material überliefert. Der Vergleich mit ausgewählten DSDP/ODP-Sites im Atlantik soll Hinweise auf Zirkulationsregime und Wasseraustausch beider Ozeane geben.

Indonesian Throughflow variability on sub-orbital timescales during Marine Isotopes Stages (MIS) 2 and 3

This project will provide quantitative estimates of the flow of low-salinity warm water through the Indonesian Gateway on suborbital timescales during MIS 2 and 3 (focusing on Dansgaard Oeschger (D-O) oscillations) and will assess the Indonesian Throughflow (ITF) s impact on the hydrography of the eastern Indian Ocean and global thermohaline circulation during this critical interval of high climate variability. ITF fluctuations, associated with sea level change, temperature and salinity variations in the West Pacific Warm Pool (WPWP) strongly influence precipitation over Australia, the strength of the southeast-Asian summer monsoon, and the intensity of warm meridional currents in the Indian Ocean. We will test the hypothesis that increased ITF is associated with warm interstadials of MIS 3, whereas a strong reduction in ITF occurred during stadials. We will use as main proxies planktonic and benthic foraminiferal isotopes in conjunction with Mg/Ca temperature estimates and radiogenic isotopes (mainly Nd) as tracers of Pacific water masses along depth transects in the Timor Passage and the eastern Indian Ocean. This project will provide the paleoceanographic framework that will be crucial to validate and refine circulation models of D-O events and high-frequency climate variability on a global scale.

Bio-Geochemische Stoffzyklen

Die im Zeitraum 1979 bis 1985 in Juelich, Ahrensburg, Deuselbach und Le Conquet durchgefuehrten Messungen des Nitrat-Gehaltes in Niederschlaegen ergaben charakteristische jahreszeitliche Veraenderungen im 15N/14N-Verhaeltnis des Nitrats (hoehere 15N/14N-Werte im Herbst und Winter als im Fruehling und Sommer mit einer jahreszeitlichen Amplitude von 4-5 Promille). Eine aehnliche jahreszeitliche Variation des 15N/14N-Verhaeltnisses ergab sich auch in partikulaerem Nitrat, das im Zeitraum 1978 bis 1985 in Juelich durch Abscheidung mit normalen Filtrationsgeraeten und mit High-Volume-Impaktoren gesammelt wurde. Dagegen zeigte gasfoermige Salpetersaeure ein nahezu konstantes 15N/14N-Verhaeltnis. Folgende Deutungen der jahreszeitlichen Variation des 15N/14N-Verhaeltnisses im Nitrat sind moeglich: (a) unterschiedliche Beteiligung natuerlicher und anthropogener Quellen von NOx an der Nitrat-Bildung waehrend der Jahreszeiten; (b) temperaturabhaengige Isotopenaustauschgleichgewichte; (c) unterschiedliche reaktionskinetische Isotopieeffekte bei der Bildung von gasfoermigem und partikulaerem Nitrat sowie unterschiedliche Anteile beider Species im gemessenen Nitrat waehrend der Jahreszeiten. Zur weiteren Interpretation des Effektes muessen 15N/14N-Messungen an NOx aus unterschiedlichen Quellen und deren jahreszeitliche Variation sowie Messungen der Isotopieeffekte bei verschiedenen Umwandlungsmechanismen im NOx/HNO3-Zyklus durchgefuehrt werden.

Dynamik der Verweilzeiten von Wasser in Mediterranen Einzugsgebieten und deren ökohydrologischen Auswirkungen in einer sich wandelndem Umwelt

Es ist dringend erforderlich, die relevanten hydrologischen Prozesse in montanen mediterranen Einzugsgebieten zu verstehen, um deren potentielle Änderungen in ihren Funktionen für die Wasserversorgung durch den Klimawandel und Landnutzungsänderungen zu kennen. Daher möchte ich zusammen mit meiner Gastinstitution, dem IDAEA-CSIC in Barcelona, untersuchen, wie die Vegetation, die Böden und das Grundwasser das Speichern, die Mischung, die Abflussbildung, sowie die Evapotranspiration in dem Einzugsgebiet Vallcebre im Nordosten Spaniens beeinflussen. Die Forscher des IDAEA -CSIC haben hydrometrische Daten und stabile Isotope (d2H, d18O) der verschiedenen hydrologischen Kompartimente des Einzugsgebiets gesammelt. Somit liegen Informationen über den Freiland- und Bestandniederschlag, Stammabfluss, Bach- und Grundwasser, sowie Wasser im Boden und der Vegetation vor. Ich plane, diesen umfangreichen Datensatz zur Bestimmung der Verweilzeiten mit neue Methoden anzuwenden, damit sich unser Verständnis von Wasserfluss und Stofftransport in Einzugsgebieten verbessert. Ich werde zunächst testen, wie mittels 'StorAge Selection functions' (Rinaldo et al. 2015) die Dynamik der Verweilzeiten des Abflusses und der Evapotranspiration beschrieben werden können. Des Weiteren habe ich als Ziel die neuen Konzepte der 'young water fraction' (Kirchner 2016) and 'new water fraction' (Kirchner 2017) anzuwenden, um besser die kurzfristige Komponente der Verweilzeiten beschreiben zu können. Diese Methoden sind noch nicht für Mediterrane Einzugsgebiete getestet worden, aber der umfangreiche Datensatz für die Vallcebre Einzugsgebiete ermöglicht die Untersuchung aktueller Fragen der Einzugshydrologie: Können Studien zur Verweilzeit verbessert werden mit höherer Rate der Probennahme von Niederschlag und Abfluss? Wie wirken sich neu erschlossene Daten über Bestandsniederschlag, Stammabfluss, Wurzelwasseraufnahme oder Bodenwasserfluss auf die Analysen aus? Zuletzt werde ich die Information von Tiefenprofilen der Isotopenzusammensetzung von Porenwasser einbeziehen, um hydrologische Modelle zu testen und die Verweilzeiten im Boden mit der Verweilzeit des Einzugsgebietsabflusses in Bezug zu setzen. Letzteres baut auf meine Dissertation und derzeitiger Postdoc-Studien auf.

Klimagesteuerte Variabilität der Kohlenstoffisotope in für diatomeenspezifischen organischen Verbindungen (Biomarker) des Südpolarmeeres

Gegenstand des Vorhabens ist die organisch-geochemische Untersuchung von diatomeenspezifischen organischen Verbindungen (Biomarker) aus Sedimenten des Südpolarmeeres für die letzten ca. 150.000 Jahre. Diatomeen sind die wichtigsten Primärproduzenten südlich der heutigen Antarktischen Polarfront. Die Kohlenstoffisotope und Anteile der in den Sedimenten überlieferten Biomarker aus Diatomeen spiegeln unmittelbare Veränderungen in der Meerwasserchemie, ozeanischen Zirkulation und der Primärproduktivität wider und sind daher ein ausgezeichneter Indikator für klimagekoppelte Umweltveränderungen. Die Untersuchungen basieren auf etablierten Methoden der organischen Geochemie, Biomarkenanalytik und Isotopengeochemie und sind somit ohne methodische Neuentwicklungen durchzuführen.

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