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Methanemissionen aus Kleinseen: Dynamik und Verteilungsmuster (MethDyn)

Kleinseen stellen eine bedeutende Quelle von Methan im globalen Methanhaushalt dar. Diese Seen weisen pro Flächeneinheit höhere Methanflüsse auf als große Seen und haben einen wesentlichen Anteil an den weltweiten Methanemissionen aus Seen. Allerdings sind die Abschätzungen der seeweiten Methanemissionen mit sehr großen Unsicherheiten behaftet. Das liegt daran, dass es nur wenige und unzureichende Messungen und Modellansätze gibt, die die zeitliche und räumliche Variabilität von Methan in Seen erfasst. Die Ziele des Projekts sind die Dynamik und Verteilungsmuster von Methan in und Methanemissionen aus Kleinseen zu untersuchen sowie die Eigenschaften der Seen zu charakterisieren und die Prozesse zu quantifizieren, die die seeweiten Methanemissionen aus Kleinseen bestimmen. Ein spezieller Fokus des Projekts liegt dabei auf der relativen Bedeutung und zeitlichen Variabilität der räumlichen Methangradienten, der Herbst-Vollzirkulation und der verschieden Emissionspfade für die jährlichen, seeweiten Methanemissionen. Am Beispiel von sechs Kleinseen, die unterschiedliche Eigenschaften besitzen, werden intensive Feldexperimente durchgeführt. Während der Feldexperimente werden unter Berücksichtigung der Hauptemissionspfade die seeinterne Dynamik, räumliche Heterogenität, seeweite Verteilung und zeitliche Variabilität von gelöstem Methan und Methanemissionen zusammen mit den abiotischen Bedingungen in den sechs Kleinseen gemessen und analysiert. Dabei kommen neuste Messtechniken zum Einsatz (Eddy-Kovarianz System, Ein- und Mehrfrequenz Echolote, Methansonden, automatisierte Methanflusskammern und -trichter, tragbarer Treibhausgasanalysator, Sauerstoff- und Kohlendioxid-Optoden), die mit einer intensiven Wasserprobenahme und -analyse (gelöstes Methan, Methan-Isotopenzusammensetzung, Methan-Oxidationsraten und andere Wasserinhaltsstoffe) verknüpft werden. Diese Kombination erlaubt eine genaue und zuverlässige Aufnahme aller im Kontext nötigen abiotischen Parameter und im Speziellen der gelösten Methankonzentration mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auslösung. Die Feldexperimente werden durch numerische Simulationen zur Dynamik von Methan mit einem 3D Methan Modell komplettiert. Ziel dieser Modellrechnungen ist es, den horizontalen Transport, die Dynamik, Verteilung sowie den seeweiten, diffusiven Fluss von gelöstem Methan in die Atmosphäre bei sich ändernden Randbedingungen zu untersuchen. Des Weiteren wird mit numerischen Experimenten bestimmt wie sich ein verändertes Klima und unterschiedliche Windszenarien auf den diffusiven Fluss von gelöstem Methan in die Atmosphäre während Zirkulationsphasen auswirken und deren relativen Anteil an den seeweiten, jährlichen Emissionen verändern.

Dissolved methane concentrations, diffusive methane flux and Essential Ocean Variables (EOVs) in the German Bight in January 2024 (Sternfahrt 11)

In January 2024 a river flood by the Elbe and Weser resulted in very high discharge of freshwater into the German Bight. To follow this river, plume the RV Mya II cruised from Sylt and between Helgoland, Cuxhaven, Büsum. All instruments were set up in the MOSES laboratory container. Standard hydrographic parameters were determined with a pocket ferrybox running with ship's surface water supply. In addition, dissolved methane was determined continuously. We used a degassing unit which was using surface water from the ship's water supply. The gas mixture was subsequently analysed with a Greenhouse Gas Analyzer from LosGatos. Conversion to methane concentration was performed with water samples, from which the methane content was determined with gas chromatography. Atmospheric methane concentrations were obtained from the ICOS-station Helgoland. Wind speed was obtained from the ships meteorological system. The diffusive flux was calculated as outlined in the additional meta data description.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Einfluss von Landnutzungsintensität auf Methanumsetzende Mikroorganismen in Grünland- und Waldböden

Methan (CH4) ist, neben CO2 das zweitwichtigste Treibhausgas (GHG). Die aktuelle atmosphärische Methankonzentration steigt seit 2007, vermutlich aufgrund von anthropogenem Einfluss bedingt durch intensivierte landwirtschaftliche Lebensmittelproduktion, stark an. Eine wichtige Aufgabe wird es zukünftig sein, die heutige Intensität der Landwirtschaft produktiv, aber auch gleichzeitig klimaneutral zu gestalten um dem Lebensmittelbedarf einer wachsenden Weltbevölkerung zu entsprechen. Zwei fundamental unterschiedliche Gruppen von Prokaryoten sind für den CH4 Umsatz in Böden verantwortlich. Methanotrophe Bakterien (MOB) wirken durch die Oxidation von atmosphärischem CH4, und von CH4, das durch methanogene Archaea im Boden produziert wurde bevor es die Atmosphäre erreicht, als biologische Filter. Derzeit ist nicht geklärt, inwieweit sich Unterschiede in der Landnutzungsintensität auf die funktionelle Diversität und die Aktivität dieser im Methanzyklus wichtigen Mikroorganismengruppen auswirken. Erste Untersuchungen zeigen einen negativen Effekt von hoher Nutzungsintensität auf die Methanaufnahme von gut belüfteten Grünlandböden. Allerdings ist wenig bekannt über den Einfluss der Landnutzungsintensität auf die räumliche und zeitliche Dynamik methanotropher und methanogener Bodenmikroorganismen. Wir haben ein interdisziplinäres Konsortium aus Experten der Bodenkunde, der Mikrobiologie und der Metagenomik mit komplementären Expertisen zu bodenbürtigen Treibhausgasen, methanotrophen und methanogenen Prokaryoten zusammengestellt. Durch die Kombination von aktuellen Methoden wollen wir die Biodiversitätsexploratorien als ideale Plattform nutzen, um die Frage zu beantworten, inwieweit Landnutzungsintensität die funktionelle Diversität und Aktivität von Methanumsetzenden Mikroorganismen beeinflusst.Die zugrundeliegenden Hypothesen wollen wir in zwei Arbeitspaketen (WP) überprüfen. Innerhalb von WP1 wollen wir untersuchen, welche Auswirkungen die Landnutzungsintensität von Grünland und Waldflächen auf die Methanflüsse und die Abundanz und Diversität von methanotrophen Bakterien (quantitative PCR) hat, und inwieweit dies von Umweltfaktoren abhängt. In WP2 wollen wir die jahres- und tageszeitliche Dynamik der Aktivität von methanogenen und methanotrophen Prokaryoten (mittels Metatranskriptomik und Methanfluss Messungen) untersuchen, und inwieweit diese durch Grünlandnutzungsintensität beeinflusst wird. Hierbei wird unser Fokus auf dem Vergleich auf Grünlandflächen auf wasserbeeinflussten Histosolen und gut durchlüfteten Leptosolen liegen. Unser Projekt BE-CH4 wird zu dem dringend benötigten Wissen um den Einfluss von Grünland- und Waldnutzungsintensität auf die räumliche und zeitliche Dynamik von den Methanfluss aus, und in Böden bedingenden Mikroorganismen beitragen.

Tritium, Kohlenstoff-14 und Krypton-85 in verschiedenen atmosphaerischen Gasen

Nach langjaehrigen Messungen der Radioaktivitaet des atmosphaerischen Krypton, CO2 und Wasserdampfs sollen jetzt organische Bestandteile mit untersucht werden. Beim C-14 Gehalt des atmosphaerischen Methans ist moeglicherweise der Einfluss von Kernkraftwerken nachweisbar; infolge der zunehmenden Verwendung von Tritium in der biologischen und medizinischen Forschung wurden lokale Ueberhoehungen der Tritium-Konzentration bereits gemessen. Methode: Probennahme teils im Zuge der Luftverfluessigung (Methan, Krypton), teils durch chemische Absorption nach Verbrennung. Aktivitaetsmessung im Fluessigkeitsszintillationsspektrometer.

Dissolved methane concentration variability along freshwater-sea continuum at Heligoland, Southern North Sea, 2021

The dataset is about temporal variability of dissolved methane along the freshwater-sea continuum in northern Germany. Sensors were installed at fixed stations at in total three sites at different water depths. This dataset is from the station in Heligoland (54.1833 N, 7.8667 E) at about 9-12m depth (depending on the tide). The data was obtained between 27 April and 28 October in high frequency measurements (1 min) with a methane sensor from Kongsberg (4H Jena model CONTROS HydroC CH4,). Methane concentrations were calculated according to manufacturer's instructions, based on temperature and salinity values from UW-node Heligoland (Fischer, Philipp; Happel, Lea; Brand, Markus; Eickelmann, Laura; Lienkämper, Miriam; Bussmann, Ingeborg; Anselm, Norbert; Brix, Holger (2022): Hydrographical time series data of Helgoland, Southern North Sea, 2021. PANGAEA, https://doi.org/10.1594/PANGAEA.950173). A gap in the salinity data was replaced with the median value of the observed time span (31.66). For the quality control of the data a local range of 0.1 – 1000 nmol/L was set, a technical range for the pump power 2 – 8. Watt, a spike and gradient value of 1. For a more detailed description see the article cited in References.

Dissolved methane concentration variability along freshwater-sea continuum at Cuxhaven, northern Germany, 2021

The dataset is about temporal variability of dissolved methane along the freshwater-sea continuum in northern Germany. Sensors were installed at fixed stations at in total three sites at different water depths. This dataset is from the station in Cuxhaven (53.8771 N, 8.7048 E) taken at about 2-7m depth (depending on the tide). The data was obtained between 11 April and 28 August 2021 in high frequency measurements (1 min) with a methane sensor from Kongsberg (4H Jena model CONTROS HydroC CH4). Methane concentrations were calculated according to manufacturer's instructions, based on temperature and salinity values from COSYNA Container Cuxhaven. For the quality control of the data a local range of 0.1 – 1000 nmol/L was set, a technical range for the pump power 2 – 8 Watt, a spike and gradient value of 1. Due to heavy biofouling the external pump of the sensor failed, resulting in data gaps. For a more detailed description see the article cited in References.

Dissolved methane concentration and diffusive flux near Sylt, North Sea in summer 2023

In July 2023 a cruise with RV Mya_II took place to investigate if the dredging of sand off Sylt influences the atmospheric and dissolved methane concentrations. With the ship's system water temperature and salinity was recoreded, as well as the wind speed. Atmospheric concentrations were measured with a LICOR trace gas analyzer. Dissolved methane was determined via a degassing system connected to a greenhouse gas analyzer as online measurements. Theses relative concentrations were converted to concentrations with water samples analyzed with gas chromatography.

Methan-Hintergrundwerte im Grundwasser von Niedersachsen 1 : 500.000

Im Rahmen eines Verbundvorhabens (LBEG, BGR) wurden für die Hydrogeologischen Teilräume Niedersachsens Hintergrundwerte für gelöstes Methan im Grundwasser von Niedersachsen ermittelt. Die Hintergrundwerte von gelöstem Methan umfassen die Gehalte, welche sich unter natürlichen Bedingungen im Grundwasser einstellen. Methan wird im Grundwasser hauptsächlich in-situ durch Mikroorganismen gebildet und abgebaut. Die Karte zeigt farblich differenziert die Methan-Hintergrundwerte (90%-Perzentile) der unterschiedlichen Teilräume bzw. Teilraumgruppen. Detaillierte Informationen sind im GeoBericht 35 zu finden.

Methan-Hintergrundwerte im Grundwasser von Niedersachsen 1 : 500.000 (WMS Dienst)

Im Rahmen eines Verbundvorhabens (LBEG, BGR) wurden für die Hydrogeologischen Teilräume Niedersachsens Hintergrundwerte für gelöstes Methan im Grundwasser von Niedersachsen ermittelt. Die Hintergrundwerte von gelöstem Methan umfassen die Gehalte, welche sich unter natürlichen Bedingungen im Grundwasser einstellen. Methan wird im Grundwasser hauptsächlich in-situ durch Mikroorganismen gebildet und abgebaut. Die Karte zeigt farblich differenziert die Methan-Hintergrundwerte (90%-Perzentile) der unterschiedlichen Teilräume bzw. Teilraumgruppen. Detaillierte Informationen sind im GeoBericht 35 zu finden.

Dissolved methane concentrations, diffusive methane flux and EOVs in the German Bight in February 2025 (Sternfahrt 13)

In continuation of the previous cruises (Sternfahrten) we covered a similar area with the RV Heincke. All instruments were set up in the MOSES laboratory container. Standard hydrographic parameters were determined with a pocket ferrybox running with ship's surface water supply. In addition, dissolved methane was determined continuously. We used a degassing unit which was using surface water from the ship's water supply. The gas mixture was subsequently analysed with a Greenhouse Gas Analyzer from LosGatos. Conversion to methane concentration was performed with water samples, from which the methane content was determined with gas chromatography. Atmospheric methane concentrations were obtained from the ICOS-station Helgoland. Wind speed was obtained from the ships meteorological systems. The diffusive flux was calculated as outlined in the additional meta data description.

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