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Zyklon APEX - Entstaubung von Gasströmen (FWF P14739-TEC)

Nachdem in der Vergangenheit der Oberteil des Zyklons rund um den Einlauf und das Tauchrohr eingehend untersucht wurden, ist derzeit die Gestalt des Feststoffaustrags (Apex) Gegenstand der Forschungen. Diese wird entlang zweier Linien betrieben. In der ersten Linie werden experimentelle Untersuchungen mit der am Institut befindlichen Versuchsanlage durchgeführt. Dabei wird dem Luftstrom (bis zu 1000m3/h) eine genau definierte Staubmenge zudosiert und so sehr niedrig bis sehr hoch beladene Zweiphasenströmungen erzeugt. Gemessen wird der - unter den gegebenen Randbedingungen - erzielte Gesamtabscheidegrad und der dazu nötige Druckverlust. Zudem stehen LDA- und PDA- Systeme zur Geschwindigkeits- und Partikelgrößenbestimmung an verschiedenen Orten innerhalb des Zyklons zur Verfügung. Die Messergebnisse mit den verschiedenen gestalteten Feststoffausträgen hilft uns die Abscheidung im unteren Teil des Zyklons besser zu verstehen. In der zweiten Linie werden numerische Simulationen der Strömung (CFD) und der Partikelbewegung im Zyklon durchgeführt. Die Simulationsergebnisse der Strömungsberechnungen stimmen mit den LDA- Messungen sehr gut überein. Zurzeit wird die 2-Phasenströmungen im Zyklon unter Berücksichtigung von Partikel-Lift-Forces, Partikel-Partikel-Kollisionen und Wandrauhigkeit simuliert. Einige Ergebnisse des Forschungsvorhabens (z.B. Fallrohr) werden bereits erfolgreich in der Industrie angewandt.

Vertikaler turbulenter Aerosolpartikeltransport über offenem Wasser und Eis in der zentralen Arktis während des Sommers - Aerosolpartikelquellen und -umwandlung in der arktischen marinen Grenzschicht

In der Arktis ist aktuell die stärkste Temperaturerhöhung im Zuge des Klimawandels zu beobachten. Diese Tatsache beruht auf einer komplexen Kette von Prozessen und Rückkopplungen, in denen Aerosolpartikel durch ihren Einfluss auf Strahlungsbilanz und Wolkenbildung eine wesentliche Rolle spielen. Um die Auswirkungen der sich ändernden Eisbedeckung abschätzen zu können, müssen die Wechselwirkungen zwischen Ozean sowie Eis und der Atmosphäre besser verstanden werden. Grundsätzlich mangelt es besonders im Bereich des arktischen Ozeans an atmosphärischen Messungen, die zum Verständnis der Prozesse aber auch zur Vorhersage der zu erwartenden Änderungen dringend benötigt werden. Austauschprozesse zwischen Ozean/Eis und Atmosphäre sind in diesen Regionen ebenfalls wenig untersucht. Im Rahmen dieses Projektes sollen mithilfe der RV Polarstern vertikale Austauschprozesse oberhalb von Wasser und Eis im Detail betrachtet werden und damit verbundene Quellen für Aerosolpartikel lokalisiert werden. Dazu ist eine Reihe von kontinuierlichen Aerosolmessungen an Bord des Schiffes geplant, die die Anzahlgrößenverteilungen, optische Parameter (Streuung, Absorption), das Mischungsverhältnis von Partikeln, die schwarzen Kohlenstoff (BC) enthalten, die Konzentration von eisbildenden Partikeln (INP) sowie die chemische Zusammensetzung der Aerosolpartikel umfassen. Weiterhin werden in den im Sommer häufig auftretenden Nebelphasen Nebelwasserproben gesammelt, sowie während der gesamten Kampagne täglich Wasserproben aus dem Ozean entnommen. Diese Proben werden nach der Kampagne auf die Konzentration von INP und BC untersucht. Weiterhin sollen erstmals mit Laser-Inkandeszenz Methoden die BC-Konzentrationen sowohl im luftgetragenen Aerosol als auch in Wasserproben gemessen werden. Zur Vorbereitung der Wasserproben mit hoher Salinität werden neuartige Methoden angewandt. Durch diese Kombination der parallelen Untersuchung von Bestandteilen in Luft und Wasser sollen Transport- und Austauschprozesse dieser Aerosolpartikel quantifiziert werden. Während langsamer Fahrt des Schiffes oder Drift mit dem Eis wird Messtechnik zur Bestimmung von vertikalen Partikelflüssen am vorderen Ausleger des Schiffes eingesetzt. Damit werden Zeitreihen des Windvektors und der Partikelkonzentration erfasst, mit deren Hilfe im Anschluss der vertikale, turbulente Partikelfluss über unterschiedlichen Oberflächen durch die Eddy Kovarianz Methode bestimmt werden soll. Kombiniert mit diesen Messungen wird die Konzentration der INP erfasst, um deren Ursprung und Quellen lokalisieren zu können. Ein weiteres Messsystem, das aus einer eindimensionalen Windmessung und einem Partikelzähler besteht, wird am Kranhaken des vorderen Auslegers befestigt und bestimmt Vertikalprofile der Partikelkonzentration, aus denen ebenfalls eine Abschätzung des Vertikalflusses von Partikeln möglich ist. Diese Methoden sind erprobt und etabliert, wurden nur bisher noch nie in dieser Form über dem arktischen Ozean angewendet.

Deammonifikation in Biofilmen zur biologischen Abwasserreinigung

Der neue biologische Prozess der Deammonifikation soll in seiner verfahrenstechnischen Umsetzung zur Reinigung hoch stickstoffbelasteter Abwässer mit niedrigem C:N-Verhältnis grundlegend untersucht werden. Durch die gezielte Kombination von aerober Nitritation und anaerober Ammoniumoxidation in einem Biofilm ist eine vollständige, rein autotrophe N-Elimination aus problematischen Abwässern in einem Verfahrensschritt möglich. An einer Versuchsanlage nach dem Moving-bed Verfahren sollen Einflussfaktoren definiert werden, die sich auf Entwicklung und Umsatzleistungen eines solchen Biofilms auswirken. Für eine genaue Charakterisierung der Prozesse innerhalb des Biofilms und des Zusammenhangs zwischen Biofilmstruktur und -funktion sollen neue in situ-Techniken mit erprobten Methoden verknüpft werden. Selektive Hemmstoffe und 15N-Tracer zur Bilanzierung der Umsetzungen, fluoreszente in situ-Hybridisierung (FISH) mit konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) zur Identifizierung und Lokalisierung der Organismen und konfokale Ramanmikroskopie zur nichtinvasiven Messung der Stickstoffprofile in verschiedenen Biofilmtiefen. Neben der Klärung des Zusammenwirkens verschiedener Organismengruppen können die Umsatzleistungen in Abhängigkeit praxisrelevanter Betriebsparameter beschrieben und Steuerungsmöglichkeiten für den Prozess abgeleitet werden.

ArTTA-10mL: Ein Instrument für die 39Ar-Datierung von kleinen Eis- und Wasserproben

Das Edelgasradioisotop 39Ar ist von großem Interesse für die Datierung in Ozeanographie, Glaziologie und Hydrogeologie, da es das einzige Isotop ist, das den wichtigen Altersbereich zwischen ca. 50 und 1000 Jahren abdeckt. Die fundamental neue Messmethode der Atom Trap Trace Analysis (ATTA), welche die 81Kr Datierung zum ersten Mal möglich gemacht hat, besitzt das Potenzial, die Anwendungen von 39Ar zu revolutionieren, indem sie die benötigte Probengröße um einen Faktor 100 bis 1000 reduziert. In einem Vorgängerprojekt haben wir zum ersten Mal gezeigt, dass die Messung von 39Ar an natürlichen Proben mit ATTA möglich ist, allerdings benötigten wir dazu immer noch Tonnen von Wasser. Vor kurzem haben wir anhand von Proben aus ersten Pilotprojekten mit Ozeanwasser und alpinem Eis gezeigt, dass die 39Ar-ATTA (ArTTA) Messung an Proben von ca. 25 L Wasser oder 10 mL Ar oder weniger möglich ist. Dieser Erfolg eröffnet komplett neue Perspektiven für die Anwendung der 39Ar-Datierung, die sehr wertvolle Information ergeben wird, die ansonsten nicht zugänglich wäre. Der Bedarf für solche Analysen, insbesondere im Gebiet der Spurenstoff-Ozeanographie, ist gut etabliert und dokumentiert durch Unterstützungsschreiben von unseren derzeitigen Partnern für ArTTA Anwendungen. Dieser Antrag wird es uns ermöglichen, die weltweit ersten ArTTA Geräte zu bauen, die auf Routinebetrieb mit kleinen Proben ausgelegt sind. Wir streben den Aufbau einer 39Ar-Datierungsplattform an, welche die Anforderungen für die Datierung in den Feldern der Grundwasserforschung, Ozeanographie und Gletscherforschung erfüllt. Um sinnvolle Anwendungen in der Tracerozeanographie zu ermöglichen, wird eine Kapazität von mindestens 200 Proben pro Jahr benötigt. Das neue Gerät für die Forschung wird damit lange angestrebte Anwendungen erlauben, die sonst nicht möglich wären. Basierend auf bisheriger Forschung haben wir einen klaren Plan für den Aufbau einer kompletten Plattform für den Betrieb von ArTTA: Eine neue Probenaufbereitungslinie basierend auf dem Gettern von reaktiven Gasen erlaubt die Abtrennung von bis zu 10 mL reinem Ar aus kleinen (kleiner als 25 L Wasser oder 10 kg Eis) Umweltproben in wenigen Stunden. Diese Proben werden zum ArTTA Gerät transferiert, welches aus zwei Modulen besteht: Das Optik-Modul erzeugt die benötigten Laserfrequenzen und Laserleistung, das Atom-Modul ist der Teil in dem die Atome mit atomoptischen Werkzeugen detektiert werden, die wir im Prototyp aus dem vorherigen Projekt realisiert haben. So weit als möglich wird die Anlage aus zuverlässigen, hochleistungsfähigen kommerziellen Teilen gebaut. Das System wird in einer hochkontrollierten Containerumgebung installiert, was einen modularen Aufbau gewährleistet, der in Zukunft an unterschiedlichen Orten aufgebaut werden kann.

Regionalisierung landschaftsökologischer Parameter im alpinen Hochgebirgsraum (Walliser Alpen, Gornergrat). Bestimmung der hydrologischen Komplexgrößen Schnee und Bodenwasser sowie Klärung ihrer Bedeutung für das ökologische Prozeßgefüge

Ziel des Vorhabens ist, neben der Aufnahme des systembestimmenden Wirkungsgefüges für die alpine Gebirgsstufe, vor allem ein möglichst wirklichkeitsnahes Landschaftsmodell aufzubauen, um prognostische Aussagen zu potentiellen Umweltveränderungen für die alpine Stufe der Alpen treffen zu können. Das geplante Vorhaben versucht daher, für den alpinen Raum möglichst präzise flächenrelevante Aussagen zu den Systemparametern Vegetation, Biomasse, Relief, Schneedecke, Bodenfeuchte und Bodenwärme zu treffen, um im landschaftsökologischen Sinne das signifikante Beziehungsgefüge dieser Größen herauszustellen. Im Vordergrund der Arbeiten steht vor allem der Einsatz eines neuen feldtauglichen Messprinzips zur Bestimmung des Bodenwassergehalts auf der Basis von Wärmekapazitätsmessungen. Infolge einer engen Bindung des Bodenfeuchteregimes an das Mikrorelief sowie an die hydrologisch bedeutsame Schneedecke, sollen auch diese beiden ökologisch wichtigen Kenngrößen mit Hilfe einer fortschrittlichen Erfassungsmethodik aufgenommen werden (lasergestützter Digitalkompaß, 3D-Software). Es ist insbesondere dieser neue methodische Ansatz, der das geplante Vorhaben klar von bereits durchgeführten landschaftsökologischen Arbeiten in vergleichbaren Räumen löst und daher vielversprechende ökologische Grundlagenergebnisse erwarten läßt. Die vergleichsweise exakten Punkt- und Flächenparameteraufnahmen können aber auch als Beschreibung des ökosystemaren Ist-Zustandes verstanden werden, so daß Aufnahmewiederholungen bereits stattgefundene Systemveränderungen dokumentierten können (Ökosystemmonitoring).

Entwicklung der Laserionisation bei Atmosphärendruck: APLI

In einer Zusammenarbeit der Physikalischen und Theoretischen Chemie und der Analytischen Chemie der BUW ist es 2005 gelungen, neben den etablierten Atmosphärendruck-Ionisationsverfahren ESI, APCI und APPI eine vierte AP Methode einzuführen, die auf der Laserionisation basiert (Atmospheric Pressure Laser Ionization, APLI). Das Verfahren hat ein sehr großes Potential im Bereich der Ultra-Spurenanalytik in der Gas- und Flüssigphase und findet zurzeit international größere Beachtung. Mit Hilfe der APLI werden völlig neue Ansätze in der Atmosphärendruck-Massenspektrometrie möglich. Diese sollen in den kommenden Jahren mit Nachdruck verfolgt werden. Die APLI Methode verbindet die Massenspektrometrie sowohl mit den chromatographischen Methoden HPLC, CE, als auch GC. Darüber hinaus kann sie direkt an Reaktoren gekoppelt werden, die bei Atmosphärendruck operieren und ist damit optimal für den Einsatz in atmosphärisch-chemischen Untersuchungen geeignet.

Terrestrial, UAV-borne, and airborne laser scanning point clouds of central European forest plots, Germany, with extracted individual trees and manual forest inventory measurements

Laser scanning point clouds of forest stands were acquired in southwest Germany in 2019 and 2020 from different platforms: an aircraft, an uncrewed aerial vehicle (UAV) and a ground-based tripod. The UAV-borne and airborne laser scanning campaigns cover twelve forest plots of approximately 1 ha. The plots are located in mixed central European forests close to Bretten and Karlsruhe, in the federal state of Baden-Württemberg, Germany. Terrestrial laser scanning was performed in selected locations within the twelve forest plots. Airborne and terrestrial laser scanning point clouds were acquired under leaf-on conditions, UAV-borne laser scans were acquired both under leaf-on and later under leaf-off conditions. In addition to the laser scanning campaigns, forest inventory tree properties (species, height, diameter at breast height, crown base height, crown diameter) were measured in-situ during summer 2019 in six of the twelve 1-ha plots. Single tree point clouds were extracted from the different laser scanning datasets and matched to the field measurements. For each tree entry, point clouds, tree species, position, and field-measured and point cloud-derived tree metrics are provided. For 249 trees, point clouds from all three platforms are available. The tree models form the basis of a single tree database covering a range of species typical for central European forests which is currently being established in the framework of the SYSSIFOSS project.

Aircraft measurements of single particle chemical composition over the Southern Baltic Sea during the BALTIC'15 campaign in 2015

During the BALTIC'15 campaign in August 2015 over the Southern Baltic Sea, measurements of chemical composition and vacuum-aerodynamic diameter of individual aerosol particles were conducted by the Aircraft-based laser ablation aerosol mass spectrometer (ALABAMA) operated by the Max Planck Institute for Chemistry (Particle Chemistry Department). Measurements were performed on board the Alfred Wegener Institute research aircraft Polar 5. Four research flights were conducted: - Scientific flight 1 (SF1) on August 26, 2015 - Scientific flight 2 (SF2) on August 28, 2015 - Scientific flight 3 (SF3) on August 28, 2015 - Scientific flight 5 (SF4) on August 30, 2015. The data set contains sampling time, location, identified particle types, and particle size (if available). For detailed information on data processing and particle type characterization, please refer to the publication by Zanatta et al. (2019) or contact the authors: Franziska Köllner (f.koellner@mpic.de) and Johannes Schneider (Johannes.schneider@mpic.de).

Digitale Topographische Karte 1:50 000

Die Digitale Topographische Karte 1:50 000 (DTK50) beinhaltet die Rasterdaten im Maßstab 1:50 000, die computerunterstützt aus dem ATKIS®-DLM und DGM der Länder abgeleitet wurden. Die Rasterdaten sind nach kartographischen Inhaltselementen in Einzelebenen (Layer) gegliedert. Ihre Struktur ist im Produkt-und Qualitätsstandard für Digitale Topographische Karten der AdV festgelegt worden. Neben dem Summenlayer, der das vollständige farbige Kartenblatt beinhaltet, sind 24 weitere einfarbige Einzellayer Bestandteil der DTK50. Zu beachten ist, dass teilweise bundesländerspezifische Unterschiede in der Kartengraphik und in der Farbzuordnung bestehen. Die Daten stehen in einer einheitlichen Rasterauflösung flächendeckend für die Bundesrepublik Deutschland in verschiedenen geodätischen Bezugssystemen und Kartenprojektionen zur Verfügung.

Digitale Topographische Karte 1:25 000

Die Digitale Topographische Karte 1:25 000 (DTK25) beinhaltet die Rasterdaten im Maßstab 1:25 000, die computerunterstützt aus dem ATKIS®-DLM und DGM der Länder abgeleitet wurden. Die Rasterdaten sind nach kartographischen Inhaltselementen in Einzelebenen (Layer) gegliedert. Ihre Struktur ist im Produkt-und Qualitätsstandard für Digitale Topographische Karten der AdV festgelegt worden. Neben dem Summenlayer, der das vollständige farbige Kartenblatt beinhaltet, sind 24 weitere einfarbige Einzellayer Bestandteil der DTK25. Zu beachten ist, dass teilweise bundesländerspezifische Unterschiede in der Kartengraphik und in der Farbzuordnung bestehen. Die Daten stehen in einer einheitlichen Rasterauflösung flächendeckend für die Bundesrepublik Deutschland in verschiedenen geodätischen Bezugssystemen und Kartenprojektionen zur Verfügung.

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