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Schwerpunktprogramm (SPP) 1689: Climate Engineering: Risiken, Herausforderungen, Möglichkeiten?, Klima-Engineering über Land: Umfassende Evaluierung von Auswirkungen terrestrischer Carbon-Dioxide-Removal-Methoden auf das Erdsystem (CE-LAND+)

Methoden des terrestrischen Carbon Dioxide Removal (tCDR) wie Aufforstung und Biomasseplantagen werden zuweilen als effektive, 'grüne' und sichere Varianten des Klimaengineering (CE) verstanden wegen ihrer Möglichkeit, die natürliche CO2-Aufnahme durch die Biosphäre zu erhöhen, und ihrer denkbaren ökonomischen Tragfähigkeit. Erkenntnisse aus der ersten Phase des CE-LAND-Projekts legen indes nahe, dass tCDR aufgrund schwieriger erdsystemischer und ethischer Fragen ebenso kontrovers wie andere CE-Methoden ist. CO2-Budgetierungen und rein ökonomische Bewertungen sind daher um profunde Analysen der natürlichen Begrenzungen, der Auswirkungen auf das Erdsystem mit damit verbundenen Unsicherheiten, der Tradeoffs mit anderen Land- und Wassernutzungen und der weitreichenden ethischen Implikationen von tCDR-Maßnahmen zu ergänzen. Analysen hypothetischer Szenarien der ersten Projektphase zeigen, dass effektives tCDR die Umwidmung großer Flächen voraussetzt, womit schwierige Abwägungsprozesse mit anderen Landnutzungen verbunden wären. Darüber hinaus zeigt sich, dass signifikante Nebenwirkungen im Klimasystem (außer der bezweckten Senkung der Weltmitteltemperatur) und in terrestrischen biogeochemischen Kreisläufen aufträten. CE-LAND+ bietet eine tiefergehende quantitative, räumlich explizite Evaluierung der nicht-ökonomischen Kosten einer Biosphärentransformation für tCDR. Potentielle Tradeoffs und Impakts wie auch die systematische Untersuchung von Unsicherheiten in ihrer Abschätzung werden mit zwei Vegetationsmodellen, einem Erdsystemmodell und, neu im Projekt, dynamischen Biodiversitätsmodellen analysiert. Konkret wird CE-LAND+ bisher kaum bilanzierte Tradeoffs untersuchen: einerseits zwischen der Maximierung der Flächennutzung für tCDR bzw. Biodiversitätsschutz, andererseits zwischen der Maximierung der Süßwasserverfügbarkeit für tCDR bzw. Nahrungsmittelproduktion sowie Flussökosysteme. Auch werden die (in)direkten Auswirkungen veränderten Klimas und tCDR-bedingter Landnutzungsänderungen auf Wasserknappheit (mit diversen Metriken und unter Annahme verschiedener Varianten des Wassermanagements) und Biodiversität quantifiziert. Die Tradeoffs und Impakts werden im Kontext von neben der Bekämpfung des Klimawandels formulierten globalen Nachhaltigkeitszielen - Biodiversitätsschutz, Wasser- und Ernährungssicherheit interpretiert - was sonst nicht im Schwerpunktprogramm vermittelt wird. Ferner wird das Projekt zu besserem Verständnis und besserer Quantifizierung von Unsicherheiten von tCDR-Effekten unter zukünftigem Klima beitragen. Hierzu untersucht es modellstrukturbedingte Unterschiede, Wachstum und Mortalität von tCDR-Pflanzungen unter wärmeren und CO2-reicheren Bedingungen und Wechselwirkungen zwischen tCDR-bezogenen Landnutzungsaktivitäten und Klima. Schließlich wird CE-LAND+ in Kooperationen innerhalb des Schwerpunktprogramms und mit einer repräsentativen Auswahl von Szenarien zur Evaluierung tCDR-bedingter Tradeoffs aus umweltethischer Sicht beitragen.

Der Einfluss der SML auf die Spurengasbiogeochemie und den Ozean-Atmosphäre-Gasaustausch

Labor- und Feldstudien zeigen, dass die Oberflächengrenzschicht des Ozeans (â€Ìsurface microlayerâ€Ì, kurz SML) die biogeochemischen Kreisläufe von klimaaktiven und atmosphärisch wichtigen Spurengasen wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Kohlenstoffmonoxid (CO), Methan (CH4), Lachgas (N2O) und Dimethylsulfid (DMS) stark beeinflusst: (i) Jüngste Studien aus den PASSME- und SOPRAN-Projekten haben hervorgehoben, dass Anreicherungen von oberflächenaktiven Substanzen (d.h. Tensiden) einen starken (dämpfenden) Effekt sowohl auf die CO2- als auch auf die N2O-Flüsse über die SML/Atmosphären-Grenzfläche hinweg haben und (ii) Spurengase können durch (mikro)biologische oder (photo)chemische Prozesse in der SML produziert und verbraucht werden. Daher kann der oberste Teil des Ozeans, einschließlich der SML, verglichen mit dem Wasser, das in der Mischungsschicht unterhalb der SML zu finden ist, eine bedeutende Quelle oder Senke für diese Gase sein, was von sehr großer Relevanz für die Forschungseinheit BASS ist. Die Konzentrationen von CO2, N2O und anderen gelösten Gasen in der SML (oder den oberen Zentimetern des Ozeans) unterscheiden sich nachweislich von ihren Konzentrationen unterhalb der SML. Typischerweise werden die Nettoquellen und -senken wichtiger atmosphärischer Spurengase mit Konzentrationen berechnet, die in der Mischungsschicht gemessen wurden und mit Gasaustauschgeschwindigkeiten, die die SML nicht berücksichtigen. Diese Diskrepanzen führen zu falsch berechneten Austauschflüssen, die in der Folge zu großen Unsicherheiten in den Berechnungen der Klima-Antrieben und der Luftqualität in Erdsystemmodellen führen können. Durch die Verknüpfung unserer Spurengasmessungen mit Messungen von (i) der Dynamik und den molekularen Eigenschaften der organischen Materie und speziell des organischen Kohlenstoffs (SP1.1; SP1.5), (ii) der biologischen Diversität und der Stoffwechselaktivität (SP1.2), (iii) den optischen Eigenschaften der organischen Materie (SP1.3), (iv) der photochemischen Umwandlung der organischen Materie (SP1.4) und (v) den physikalischen Transportprozessen (SP2.3) werden wir ein umfassendes Verständnis darüber erlangen, wie die SML die Variabilität der Spurengasflüsse beeinflusst.

Aerosole aus dem asiatischen Monsun in der oberen Troposphäre: Quellen, Alterung, Auswirkungen

Die Asian Tropopause Aerosol Layer (ATAL), eine Schicht mit erhöhtem Aerosolgehalt, tritt jedes Jahr von Juni bis September in 14-18 km Höhe in einem Gebiet auf, das sich vom Mittelmeer bis zum westlichen Pazifik erstreckt. Hinsichtlich der Zusammensetzung der Partikel, sowie ihrer Bedeutung für die Strahlungsbilanz in dieser klimasensitiven Höhenregion bestehen große Unsicherheiten. Die bisher einzigen Flugzeugmessungen aus dem Zentrum der ATAL wurden 2017 im Rahmen der StratoClim Kampagne von Kathmandu aus gewonnen. Dabei entdeckten wir mit Hilfe des Infrarotspektrometers GLORIA auf dem Forschungsflugzeug Geophysica, dass feste Ammoniumnitrat (AN) â€Ì Partikel einen beträchtlichen Teil der Aerosolmasse ausmachen. Diese zählen zu den effizientesten Eiskeimen in der Atmosphäre. Zudem zeigte die gleichzeitige Messung von Ammoniakgas (NH3) durch GLORIA, dass dieses Vorläufergas durch starke Konvektion in die obere Troposphäre verfrachtet wird. Im Rahmen der PHILEAS-Kampagne schlagen wir eine gemeinsamen Betrachtung von atmosphärischen Modellsimulationen und Messungen vor, um die Zusammensetzung, Ursprung, Auswirkungen und Verbleib der ATAL-Partikel zu untersuchen â€Ì insbesondere im Hinblick auf ihre Prozessierung sowie ihren Einfluss auf die obere Troposphäre und die untere Stratosphäre der nördlichen Hemisphäre. Messungen von monsunbeeinflussten Luftmassen über dem östlichen Mittelmeer sowie über dem nördlichen Pazifik werden es uns erlauben, Luft mit gealtertem Aerosol- und Spurengasgehalt zu analysieren und damit die StratoClim-Beobachtungen aus dem Inneren des Monsuns zu komplementieren. Um dabei die wahrscheinlich geringeren Konzentrationen an Aerosol und Spurengasen zu quantifizieren, schlagen wir vor, die GLORIA-Datenerfassung von NH3 und AN u.a. durch die Verwendung neuartiger spektroskopischer Daten zu verbessern. Ferner werden wir die Analyse der GLORIA-Spektren auf Sulfataerosole sowie deren Vorläufergas SO2 auszudehnen. Auf der Modellseite werden wir das globale Wetter- und Klimamodellsystem ICON-ART weiterentwickeln, um die ATAL unter Einbeziehung verschiedener Aerosoltypen (Nitrat, Ammonium, Sulfat, organische Partikel, Staub) zu simulieren â€Ì unter Berücksichtigung der hohen Eiskeimfähigkeit von festem AN. Modellläufe werden durchgeführt, um einerseits einen globalen Überblick über die Entwicklung der ATAL 2023 zu gewinnen und zudem detaillierte, auf die relevanten Kampagnenperioden zugeschnittene, wolkenauflösende Informationen über die Aerosol-Wolken-Strahlungs-Wechselwirkungen zu erhalten. Über die direkte Analyse der PHILEAS-Kampagne hinausgehend wird diese Arbeit die Grundlage für eine verbesserte Analyse von Aerosolparametern aus GLORIA-Beobachtungen früherer und zukünftiger HALO-Kampagnen sowie aus Satellitenbeobachtungen legen. Darüber hinaus wird sie ICON-ART, einem der zentralen Klimamodellsysteme in Deutschland die Simulation von Aerosolprozessen sowie Aerosol/Wolken-Wechselwirkungen im Zusammenhang mit der ATAL ermöglichen.

Molecular determinants of host specificity of maize-, rice- and mango-pathogenic species of the genus Fusarium

Fusarium species of the Gibberella fujikuroi species complex cause serious diseases on different crops such as rice, wheat and maize. An important group of plant pathogens is the Gibberella fujikuroi species complex (GFC) of closely related Fusarium species which are associated with specific hosts; F. verticillioides and F. proliferatum are particularly associated with maize where they can cause serious ear-, root-, and stalk rot diseases. Two other closely related species of the GFC, F. mangiferae and F. fujikuroi, which share about 90Prozent sequence identity with F. verticillioides, are pathogens on mango and rice, respectively. All of these species produce a broad spectrum of secondary metabolites such as phytohormones (gibberellins, auxins, and cytokinins), and harmful mycotoxins, such as fumonisin, fusarin C, or fusaric acid in large quantities. However, the spectrum of those mycotoxins might differ between closely related species suggesting that secondary metabolites might be determinants for host specificity. In this project, we will study the potential impact of secondary metabolites (i.e. phytohormones and certain mycotoxins) and some other species-specific factors (e.g. species-specific transcription factors) on host specificity. The recently sequenced genomes of F. mangiferae and F. fujikuroi by our groups and the planned sequencing of F. proliferatum will help to identify such determinants by genetic manipulation of the appropriate metabolic pathway(s).

Soil-gas transport-processes as key factors for methane oxidation in soils

Methane (CH4) is a major greenhouse gas of which the atmospheric concentration has more than doubled since pre-industrial times. Soils can act as both, source and sink for atmospheric CH4, while upland forest soils generally act as CH4 consumers. Oxidation rates depend on factors influenced by the climate like soil temperature and soil moisture but also on soil properties like soil structure, texture and chemical properties. Many of these parameters directly influence soil aeration. CH4 oxidation in soils seems to be controlled by the supply with atmospheric CH4, and thus soil aeration is a key factor. We aim to investigate the importance of soil-gas transport-processes for CH4 oxidation in forest soils from the variability the intra-site level, down to small-scale (0.1 m), using new approaches of field measurements. Further we will investigate the temporal evolution of soil CH4 consumption and the influence of environmental factors during the season. Based on previous results, we hypothesize that turbulence-driven pressure-pumping modifies the transport of CH4 into the soil, and thus, also CH4 consumption. To improve the understanding of horizontal patterns of CH4 oxidation we want to integrate the vertical dimension on the different scales using an enhanced gradient flux method. To overcome the constraints of the classical gradient method we will apply gas-diffusivity measurements in-situ using tracer gases and Finite-Element-Modeling. Similar to the geophysical technique of Electrical Resistivity Tomography we want to develop a Gas Diffusivity Tomography. This will allow to derive the three-dimensional distribution of soil gas diffusivity and methane oxidation.

Forschergruppe (FOR) 1740: Ein neuer Ansatz für verbesserte Abschätzungen des atlantischen Frischwasserhaushalts und von Frischwassertransporten als Teil des globalen Wasserkreislaufs, Variation of the fresh water in the western Nordic Seas

The goal of this project is to capture and analyse fluctuations of the fresh water in the western Nordic Seas and to understand the related processes. The East Greenland Current in the Nordic Seas constitutes an important conduit for fresh water exiting the Arctic Ocean towards the North Atlantic. The Arctic Ocean receives huge amounts of fresh water by continental runoff and by import from the Pacific Ocean. Within the Arctic Ocean fresh water is concentrated at the surface through sea ice formation. The East Greenland Current carries this fresh water in variable fractions as sea ice and in liquid form; part of it enters the central Nordic Seas, via branching of the current and through eddies. It controls the intensity of deep water formation and dilutes the water masses which result from convection. The last decades showed significant changes of the fresh water yield and distribution in the Nordic Seas and such anomalies were found to circulate through the North Atlantic. In this project the fresh water inventory, its spatial distribution and its pathways between the East Greenland Current and the interior Greenland and Icelandic seas shall be captured by autonomous glider missions. The new measurements and existing data will, in combination with the modeling work of the research group, serve as basis for understanding the causes of the fresh water variability and their consequences for the North Atlantic circulation and deep water formation.

Vertical partitioning and sources of CO2 production and effects of temperature, oxygen and root location within the soil profile on C turnover

For surface soils, the mechanisms controlling soil organic C turnover have been thoroughly investigated. The database on subsoil C dynamics, however, is scarce, although greater than 50 percent of SOC stocks are stored in deeper soil horizons. The transfer of results obtained from surface soil studies to deeper soil horizons is limited, because soil organic matter (SOM) in deeper soil layers is exposed to contrasting environmental conditions (e.g. more constant temperature and moisture regime, higher CO2 and lower O2 concentrations, increasing N and P limitation to C mineralization with soil depth) and differs in composition compared to SOM of the surface layer, which in turn entails differences in its decomposition. For a quantitative analysis of subsoil SOC dynamics, it is necessary to trace the origins of the soil organic compounds and the pathways of their transformations. Since SOM is composed of various C pools which turn over on different time scales, from hours to millennia, bulk measurements do not reflect the response of specific pools to both transient and long-term change and may significantly underestimate CO2 fluxes. More detailed information can be gained from the fractionation of subsoil SOM into different functional pools in combination with the use of stable and radioactive isotopes. Additionally, soil-respired CO2 isotopic signatures can be used to understand the role of environmental factors on the rate of SOM decomposition and the magnitude and source of CO2 fluxes. The aims of this study are to (i) determine CO2 production and subsoil C mineralization in situ, (ii) investigate the vertical distribution and origin of CO2 in the soil profile using 14CO2 and 13CO2 analyses in the Grinderwald, and to (iii) determine the effect of environmental controls (temperature, oxygen) on subsoil C turnover. We hypothesize that in-situ CO2 production in subsoils is mainly controlled by root distribution and activity and that CO2 produced in deeper soil depth derives to a large part from the mineralization of fresh root derived C inputs. Further, we hypothesize that a large part of the subsoil C is potentially degradable, but is mineralized slower compared with the surface soil due to possible temperature or oxygen limitation.

Profiling methane emission in the Baltic Sea: Cryptophane as in-situ chemical sensor

To overcome the limitation in spatial and temporal resolution of methane oceanic measurements, sensors are needed that can autonomously detect CH4-concentrations over longer periods of time. The proposed project is aimed at:- Designing molecular receptors for methane recognition (cryptophane-A and -111) and synthesizing new compounds allowing their introduction in polymeric structure (Task 1; LC, France); - Adapting, calibrating and validating the 2 available optical technologies, one of which serves as the reference sensor, for the in-situ detection and measurements of CH4 in the marine environments (Task 2 and 3; GET, LAAS-OSE, IOW) Boulart et al. (2008) showed that a polymeric filmchanges its bulk refractive index when methane docks on to cryptophane-A supra-molecules that are mixed in to the polymeric film. It is the occurrence of methane in solution, which changes either the refractive index measured with high resolution Surface Plasmon Resonance (SPR; Chinowsky et al., 2003; Boulart et al, 2012b) or the transmitted power measured with differential fiber-optic refractometer (Boulart et al., 2012a; Aouba et al., 2012).- Using the developed sensors for the study of the CH4 cycle in relevant oceanic environment (the GODESS station in the Baltic Sea, Task 4 and 5; IOW, GET); GODESS registers a number of parameters with high temporal and vertical resolution by conducting up to 200 vertical profiles over 3 months deployment with a profiling platform hosting the sensor suite. - Quantifying methane fluxes to the atmosphere (Task 6); clearly, the current project, which aims at developing in-situ aqueous gas sensors, provides the technological tool to achieve the implementation of ocean observatories for CH4. The aim is to bring the fiber-optic methane sensor on the TRL (Technology Readiness Level) from their current Level 3 (Analytical and laboratory studies to validate analytical predictions) - to the Levels 5 and 6 (Component and/or basic sub-system technology validation in relevant sensing environments) and compare it to the SPR methane sensor, taken as the reference sensor (current TRL 5). This would lead to potential patent applications before further tests and commercialization. This will be achieved by the ensemble competences and contributions from the proposed consortium in this project.

SP1.1 Dynamische Anreicherungsprozesse von organischer Substanz in der SML

Der Oberflächenfilm (SML) ist die oberste dünne Schicht des Ozeans und Teil jeglicher Wechselwirkung zwischen Luft und Meer, wie Gasaustausch, atmosphärische Deposition und Aerosolemission. Die Anreicherung von organischer Materie (OM) in der SML modifiziert die Luft-Meer-Austauschprozesse, aber welche OM-Komponenten selektiv angereichert werden, sowie warum und wann sie dies tun, ist weitgehend unbekannt (Engel et al., 2017). Unsere bisherige Forschung hat gezeigt, dass Biopolymere aus photoautotropher Produktion wichtige Komponenten der SML sind und den Luft-Meer-Austausch beeinflussen, indem sie als Biotenside (Galgani et al., 2016; Engel et al., 2018) und als Quelle primärer organischer Aerosole (Trueblood et al., 2021) wirken. Die Motivation unseres Projektes ist es daher, die dynamischen Anreicherungsprozesse von OM in der SML aufzuklären und zu beschreiben, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Auflösung der OM-Quellen liegt. Mit unserem Modellierungsansatz ist es das Ziel, unser mechanistisches Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Wachstumsbedingungen des Planktons, der Produktion und der Freisetzung von Biomolekülen, einschließlich potentieller Tenside, und der Akkumulation von OM in der SML zu konsolidieren. Eine solche Modellentwicklung wird in hohem Maße von den Ergebnissen und Erkenntnissen der verschiedenen Teilprojekte des BASS-Konsortiums profitieren. Umgekehrt ist es unsere Motivation, ein Modell zu etablieren, das als Synthesewerkzeug für die Interpretation und Integration von Feld-, Mesokosmen- und Labormessungen der OM-Anreicherung in der SML anwendbar wird.Relevanz für die Forschungsgruppe BASS - SP1.1 wird die Quellen, die Menge und die biochemische Zusammensetzung von OM in der SML entschlüsseln und damit wichtige Informationen für alle BASS-Teilprojekte liefern. Der primäre Ursprung von OM im Oberflächenozean ist die photosynthetische Produktion und die wichtigsten biochemischen Komponenten von frisch produzierter OM, d.h. Kohlenhydrate, Aminosäuren und Lipide, unterliegen der mikrobiellen Verarbeitung (SP1.2) und Photoreaktionen innerhalb der SML (SP1.3, SP1.4) und füllen auch den Pool der gelösten organischen Substanz (DOM) auf (SP1.5). Die Modellentwicklung in SP1.1 stellt eine Verbindung zwischen der Produktion von OM und ihrer Anreicherung innerhalb der SML her und zielt darauf ab, die entsprechenden Auswirkungen auf den Luft-Meer-Gasaustausch (SP2.1) zu bestimmen, indem Änderungen des Impulsflusses auf den Ozeanoberflächenschichten (SP2.2) sowie des Auftriebs (SP2.3) berücksichtigt werden. Das vorgeschlagene SML-Submodell wird auf der Grundlage der Ergebnisse aus SP1.4 und SP2.3 verfeinert. Ergebnisse aus den Modellsensitivitätsanalysen werden ergänzende Informationen über oberflächenaktive Eigenschaften verschiedener OM Komponenten und deren Auswirkungen auf Luft-Meer-Austauschprozesse liefern, die innerhalb von BASS ausgewertet werden.

Assessment and guidance for the implementation of EU waste legislation in Member States

Elaboration of various Guidance Documents (R1-Efficiency, Definitions, Waste Hierarchy, Exemptions and Separate Collection, Mixing Ban) - Elaboration of an EU-Guidance Document for the calculation of the R1-Efficiency factor for municipal solid waste incineration plants in collaboration with the working group on R1-Efficiency consisting of MS representatives, other stakeholders including the industry and NGOs - Organisation and realisation of Awareness Raising Events on the legal implementation of the new Waste Framework Directive (2008/98/EC) and its practical enforcement in 15 Member States - Guidance for implementation and enforcement of the Waste Shipment Regulation (1013/2006/EC) (Article 18, Annex 7, Article 49 and 50), Proposal for a guideline on financial guarantee under the waste shipment regulation, including stakeholder involvement - Revision on guidance document for waste management planning, including stakeholder involvement - Identification of need for minimum treatment standards for waste streams and treatment methods not covered by IPPC, pursuant to Article 27, elaboration of a corresponding proposals for need of action, including stakeholder involvement - Elaboration and Management of an Electronic forum for information exchange as regards the waste shipment regulation.

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