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Atomarer Sauerstoff in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre der Erde

Atomarer Sauerstoff (O) ist ein wichtiger Bestandteil der Erdatmosphäre. Er erstreckt sich von der Mesosphäre bis zur unteren Thermosphäre (Engl.: Mesosphere and Lower Thermosphere: MLT), d. h. von etwa 80 km bis über 500 km Höhe. O wird durch Photolyse von molekularem Sauerstoff durch UV-Strahlung erzeugt. Er ist die am häufigsten vorkommende Spezies in der MLT und eine wichtige Komponente in Bezug auf dessen Photochemie. Außerdem ist O wichtig für den Energiehaushalt der MLT, da CO2-Moleküle durch Stöße mit O angeregt werden und die angeregten CO2-Moleküle im Infraroten strahlen und die MLT kühlen. Dies bedeutet, dass sich der globale Klimawandel auch auf die MLT auswirkt, denn die Erhöhung der CO2-Konzentration in der MLT führt zu einer effizienteren Kühlung und damit zu deren Schrumpfen. Die O Konzentration wird außerdem durch dynamische Bewegungen, vertikalen Transport, Gezeiten und Winde beeinflusst. Daher ist eine genaue Kenntnis der globalen Verteilung von O und seines Konzentrationsprofils sowie der täglichen und jährlichen Schwankungen unerlässlich, um die Photochemie, den Energiehaushalt und die Dynamik der MLT zu verstehen. Das Ziel dieses Projekts ist es, Säulendichten und Konzentrationsprofile von O in der MLT durch Analyse der Feinstrukturübergänge bei 4,74 THz und 2,06 THz zu bestimmen. Die zu analysierenden Daten wurden mit dem Heterodynspektrometer GREAT/upGREAT (German REceiver for Astronomy at Terahertz frequencies) an Bord von SOFIA, dem Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, gemessen. Dies ist eine direkte Beobachtungsmethode, die genauere Ergebnisse liefern kann als existierende indirekte satellitengestützte Methoden, die photochemische Modelle benötigen, um O Konzentrationsprofile abzuleiten. Mit GREAT/upGREAT wurden seit Mai 2014 ca. 500.000 Spektren gemessen, die vier verschiedene Weltregionen abdecken, nämlich Nordamerika, Neuseeland, Europa und Tahiti/Pazifik. Zeitliche Variationen sowie der Einfluss von Sonnenzyklen, Winden und Schwerewellen werden ebenfalls im Rahmen des Projekts untersucht. Die Ergebnisse werden mit Satellitendaten, die für Höhen von 80 bis 100 km verfügbar sind, und mit Vorhersagen eines semi-empirischen Modells verglichen. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Daten die ersten spektral aufgelösten direkte Messungen von O in der MLT sind. Dies ist eine vielversprechende Alternative zur Bestimmung der Konzentration von O im Vergleich mit indirekten satellitengestützten Methoden, die auf photochemischen Modellen beruhen.

Geltende Rechtsvorschriften und ihre verwaltungsmaessige sowie gerichtliche Anwendung zur Bekaempfung der Luftverschmutzung in den wichtigsten westlichen Industrielaendern

Es soll jeweils das rechtliche Instrumentarium und seine verwaltungsmaessige und gerichtliche Durchsetzung bei der Bekaempfung der Luftverschmutzung einer westlichen Industrienation mit dem Recht der Bundesrepublik Deutschland verglichen werden. Die gefundenen Ergebnisse koennen Anregungen fuer die weitere Entwicklung des deutschen Umweltrechts geben und als Ausgangspunkt fuer international-rechtliche Vorhaben dienen.

Ermittlung der großräumigen Sensitivität von Grundwasserressourcen gegenüber dem Klimawandel

Die Klimakrise verändert zunehmend die räumliche und zeitliche Verfügbarkeit von Grundwasser, der wichtigsten globalen Süßwasserressource. Das quantitative Verständnis der Interaktion von Grundwasser und Klima, vor allem auf nationaler und kontinentaler Skala, ist wichtig für ein optimal angepasstes Grundwassermanagement. Bisher ist das Wissen über die großskalige Sensitivität der Grundwasserressourcen auf den Klimawandel jedoch sehr limitiert. Das Ziel des hier vorgestellten Projektes ist die Erforschung der Auswirkungen des Klimawandels und der damit einhergehenden Umweltveränderungen auf den quantitativen Zustand von Grundwasserressourcen auf national-kontinentaler Skala. Etablierte prozessbasierte Modelle (PBMs) zur hydro(geo)logischen Modellierung auf großer Skala (meist „Global Hydrological Models“ - GHMs) sind starke Vereinfachungen der Realität und unterliegen daher deutlichen Limitationen und Unsicherheiten. Im Gegensatz zu anderen PBMs, weisen GHMs daher begrenzte physikalische Konsistenz und Interpretierbarkeit auf und ihre Anwendung kann zu irreführenden Schlussfolgerungen über die Verfügbarkeit von Grundwasser vor dem Hintergrund des Klimawandels führen. Vor allem die Übertragbarkeit auf datenarme Regionen ist nur eingeschränkt möglich. In den letzten Jahren haben sich Deep Learning (DL) Modelle als präziser und leicht übertragbarer alternativer Ansatz in der Modellierung von Wasserressourcen etabliert. Für die Modellierung von Oberflächengewässern wurde zudem gezeigt, dass DL auch spezialisierte PBMs übertreffen kann. Das vorgeschlagene Projekt möchte sich die gewonnenen Erkenntnisse zunutze machen und ein DL-Modell zur Untersuchung der Sensitivität von Grundwasser auf den Klimawandel auf kontinentaler Skala aufbauen. Hierfür wird ein „big data“ Ansatz gewählt, der Daten von >2200 Einzugsgebieten in Nordamerika nutzt (Erweiterung denkbar). Ein solches Modell kann lernen, Wissen über verschiedene Regionen zu transferieren, gewinnt somit stark an Generalisierungsfähigkeit (z.B. auf datenarme Regionen) und schlussendlich an Vertrauenswürdigkeit. Weiterhin soll das Problem von fehlenden, interpretierbaren und physikalisch konsistenten Modellen im nationalen Maßstab angegangen werden, indem physikalisches Wissen und Prozesse in die DL-Modelle eingebaut werden. Durch diese Ansätze soll ein plausibles, interpretierbares und vor allem vertrauenswürdiges Modell entstehen, welches sich zur Untersuchung von Klimawandelszenarien eignet. Die genannten Aspekte sind hierbei besonders kritisch, da für Zeiträume in der Zukunft keine Validierung möglich ist. Das entwickelte Modell dient anschließend der Beantwortung der übergeordneten Fragestellung, und die Auswirkungen des Klimawandels auf die Grundwasserressourcen werden anhand der Daten von Klimamodellen auf Basis von RCP bzw. SSP Szenarien untersucht. Weiterhin werden spezialisierte Untersuchungen (Szenarien) zum Einfluss einzelner Einflussfaktoren (z.B. Landnutzung) durchgeführt.

Komplexität, Struktur und Wandel terrestrischer Ökosysteme zur Zeit des eozänen Klimaoptimums am Beispiel von Pflanzen-Insekten Assoziationen aus Messel und Eckfeld

Koevolutive Beziehungen zwischen Pflanzen und Insekten werden seit Jahren als wichtigster Motor für den enormen Artenreichtum heutiger terrestrischer Ökosysteme angesehen. Dabei steht die Erforschung ihrer Wechselbeziehungen aber noch weitgehend am Anfang, und Untersuchungen zur Dynamik von Insekten-Pflanzen Interaktionen in erdgeschichtlichen Zeiträumen anhand fossilen Pflanzenmaterials wurden bislang nur für einige nordamerikanische Fundstellen durchgeführt. Hier bieten die eozänen Fossillagerstätten Messel und Eckfeld wegen ihres Artenreichtums und ihrer hervorragenden Erhaltungsqualität von Pflanzenfossilien und Fraßspuren günstigste Voraussetzungen. Über 45.000 Pflanzenreste von denen 20-25 Prozent Schäden wie Blattfraß, Minen oder Gallen aufweisen, stehen für die Untersuchungen zur Verfügung. Die Vielfalt dieser Beschädigungen, die als sogenannte Gilden bzw. funktionale Nahrungsgruppen klassifiziert werden, liefert ein hervorragendes Beispiel für die Komplexität, die Struktur und den Wandel von terrestrischen Ökosystemen im Bereich des eozänen Klimaoptimums. Die Ergebnisse werden im Vergleich mit Fundstellen Nordamerikas und im Hinblick auf moderne Theorien zur Entwicklung der Biodiversität ausgewertet. Das vorliegende Projekt ist die erste umfangreiche Untersuchung von Pflanzen-Insekten Interaktionen für zwei der bedeutendsten terrestrischen Fossillagerstätten Europas.

Was bestimmt die Konzentration von Aerosolpartikeln in der marinen Grenzschicht über dem atlantischen Ozean?

Aerosolpartikel spielen eine wichtige Rolle für das regionale und globale Klima. Weltweit gibt es deshalb zahlreiche Messstationen, von denen allerdings nur ein kleiner Teil die marine Grenzschicht (MBL) erfasst, obwohl etwa 70% der Erdoberfläche mit Wasser bedeckt sind. Dieses Projekt soll dazu beitragen, das Wissen über Quellen und Austauschprozesse von Aerosolpartikeln in der MBL mithilfe einer Messkampagne über den Azoren im Nordostatlantik, welche nahezu unbeeinflusst von lokalen Quellen sind, zu verbessern.Die zentrale Hypothese ist, dass sowohl Ferntransport aus Nordamerika, als auch Partikelneubildung in der freien Troposphäre (FT) und an Wolkenrändern mit anschließendem Vertikaltransport wesentlich zur Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel in der MBL beitragen. Das Verständnis der Partikelquellen und Senken zusammen mit dem vertikalen Partikelaustausch zwischen MBL und FT ist daher eine Grundvoraussetzung für die Vorhersagbarkeit der Partikelanzahlkonzentration in den unteren Schichten der MBL wo sie z.B. für die Wolkenbildung von großer Bedeutung ist. Diese Prozesse sind bisher über dem offenen Ozean nur unzureichend quantifiziert. Zur Verifizierung der Hypothese sollen vertikale Austauschprozesse und Partikelquellen über den Azoren mit hoher räumlicher Auflösung untersucht werden. Dazu werden mit einer am TROPOS entwickelten hubschraubergetragenen Messplattform Partikelanzahlkonzentration und Vertikalwind mit einer zeitlichen Auflösung gemessen, die erstmalig eine direkte Bestimmung des vertikalen turbulenten Partikelflusses in verschiedenen Höhen ermöglicht. Die hierfür notwendigen schnellen Partikelmessungen von mind. 10 Hz werden durch den Einsatz eines schnellen Partikelzählers ermöglicht, welcher am TROPOS im Rahmen eines abgeschlossenen DFG-Projektes entwickelt und erfolgreich eingesetzt wurde. Durch dieses Gerät ist es ebenfalls möglich zu prüfen, ob auch in dieser Region regelmäßig die Neubildung von Aerosolpartikeln an Wolkenrändern stattfindet, wie es an Passatwolken auf Skalen von wenigen Dekametern beobachtet wurde. Weiterhin werden Anzahlgrößenverteilungen von Aerosolpartikeln sowie Absorptionskoeffizienten bei drei Wellenlängen bestimmt. Damit sind Rückschlüsse auf die Herkunft der untersuchten Aerosolpartikel möglich.Da die Hubschrauberflüge zeitlich begrenzt sind und damit nur Momentaufnahmen darstellen, werden zusätzlich kontinuierliche Messungen der Partikelanzahlgrößenverteilung an zwei bodengebundenen Stationen installiert. Eine dieser Stationen ist wenige Meter über Meeresniveau gelegen, die andere auf 2200 m und somit in der FT. Damit wird auf der Basis kontinuierlicher Messungen über einen Zeitraum von einem Monat die Untersuchung der Austauschprozesse zwischen MBL und FT ermöglicht. Mit Hilfe der gewonnen Datensätze können Einflüsse globaler Klimaänderungen auf das lokale Klima und mögliche Rückkopplungseffekte über den Einfluss von Aerosol auf Wolken in dieser Region besser eingeordnet werden.

Douglasie in Mitteleuropa und Südamerika: Ein kontinentübergreifende Lösung für eine integrative Waldbewirtschaftung oder eine mögliche Bedrohung heimischer Lebensgemeinschaften?

Um die Bereitstellung verschiedener Ökosystemdienstleistungen aufrechtzuerhalten, müssen Wälder an mögliche zukünftige Umweltbedingungen angepasst werden. Eine Anpassungsstrategie ist die Förderung nicht heimischer Baumarten, die vermutlich besser an die neuen klimatischen Bedingungen adaptiert sind. Der Anbau nichtheimischer Baumarten wird jedoch kritisch gesehen und kontrovers diskutiert, da sich die Dynamik von Waldökosystemen durch eine nichtheimische Art verändern kann. Eine Baumart, die aufgrund ihrer guten Wuchsleistung in vielen Teilen der Welt eingeführt wurde, ist die in Nordamerika beheimatete Douglasie (Pseudotsuga menziesii). Auch wenn sie oft in Reinbeständen angebaut wird, gibt es sowohl in Mitteleuropa (mit Fagus sylvatica) als auch in Südamerika (mit Nothofagus spec.) Erfahrungen mit dem Anbau von Douglasie in Mischung mit einheimischen Baumarten. Die ähnlichen Voraussetzungen in Mitteleuropa und Chile ermöglichen die Untersuchung allgemeiner Hypothesen zu Mischungseffekten zwischen einheimischen und nichtheimischen Baumarten. Darüber hinaus bietet ein solcher kontinentübergreifender Ansatz die Möglichkeit, die wichtigsten Invasionsmuster in unterschiedlichen Umweltbedingungen zu untersuchen - ein wichtiges Thema im Hinblick auf die Etablierung nichtheimischer Baumarten. Die drei Hauptziele dieses Projekts sind (1) die Analyse und Gegenüberstellung des invasiven Potenzials der Douglasie in Chile und Mitteleuropa, um die treibenden Kräfte und Hindernisse für die Etablierung dieser Art zu ermitteln, (2) die Gegenüberstellung und der Vergleich der Pflanzenartenvielfalt und ihrer Eigenschaften in Misch- und Reinbeständen aus einheimischen Laubbäumen und Douglasie in verschiedenen Ländern, um allgemeingültige Muster oder lokale Abhängigkeiten zu erkennen, und (3) eine Untersuchung der Mischungseffekte von Douglasie mit einheimischen Laubbaumarten auf die komplexe Beziehung zwischen Waldstruktur, Baum- und Bestandswachstum. Wir haben bereits ein Netz von Untersuchungsstandorten in Mitteleuropa (8 Standorte in Deutschland und 8 Standorte in der Schweiz) und Chile (9 Standorte) in Regionen mit Douglasien und einheimischen Laubbaumarten eingerichtet. Wir beantragen ein Projekt, das aus zwei Teilprojekten besteht, in denen die Auswirkungen der Douglasie in Rein- und Mischbeständen auf Bestands- und Landschaftsebene untersucht werden, wobei der Schwerpunkt auf der Invasivität (Teilprojekt 1), den Bestandsstrukturen (Teilprojekt 2) und den Auswirkungen der Douglasie auf die biologische Vielfalt und die Merkmalszusammensetzung (Teilprojekt 1) liegt. Die Teilprojekte sind eng miteinander verknüpft, indem kontinentübergreifend der Einfluss der Waldstruktur in Rein- und Mischbeständen auf die biologische Vielfalt untersucht wird. Durch ein besseres Verständnis der Mischungseffekte zwischen nichtheimischen und heimischen Arten auf verschiedene Waldfunktionen wird dieses Projekt zur Entwicklung eines anpassungsfähigen Waldmanagements beitragen.

Die Bedeutung chemischer Standortfaktoren für die kleinräumige Verbreitung epiphytischer Flechten

Die Bedeutung chemischer Standortfaktoren für die kleinräumige Verbreitung epiphytischer Flechten soll untersucht werden. Der Grund hierfür ist, dass bei der Untersuchung der Standortfaktoren innerhalb eines gegebenen Waldökosystems mit räumlich konstanter Immissionsbelastung chemische Faktoren bisher häufig vernachlässigt wurden, im Rahmen der bisherigen Arbeiten des Antragstellers in einem ausgewählten Ökosystem (nämlich in montanen Fichtenwäldern des Harzes) aber ein ganz entscheidender Einfluss eben der chemischen Standortfaktoren nachgewiesen werden konnte. Die Untersuchungen sollen in ausgewählten Laub- und Nadelwaldökosystemen der US-Bundesstaaten New York und Pennsylvania durchgeführt werden und knüpfen an dort bereits 1999 vom Antragsteller initiierte Studien an. Die Standortchemie soll vor allem durch Niederschlags- und Borkenanalysen charakterisiert werden. Neben den chemischen Faktoren sollen auch Messungen zum Mikroklima durchgeführt werden, um die Bedeutung dieser beiden Faktorenkomplexe für die kleinräumige Epiphytenverbreitung quantitativ bewerten zu können. Dies ist nicht zuletzt deshalb sinnvoll, weil das Mikroklima bisher von vielen Autoren als ausschlaggebend für die kleinräumige Verbreitung von epiphytischen Flechten in Wäldern angesehen wurde.

Deutsch-amerikanische Umwelt- und Ressourcengeschichte

Bereits in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts sichern reichlich vorhandene natürliche Ressourcen des nordamerikanischen Kontinents die Existenz der ersten deutschen Emigranten verschiedenster religiöser Minderheiten. Die Gründungen von deutschen Siedlungen in Pennsylvania und North Carolina zeigen schon frühe Maßnahmen des Waldschutzes und einer ersten nachhaltigen Holznutzung, die sowohl auf einer Inventarisierung des Ressourcenpotenzials als auch auf einer entsprechenden Nutzungskontrolle basieren. Im 18. und 19. Jahrhundert wird dagegen die deutsche Auswanderung nicht nur durch landwirtschaftliche Missstände, sondern auch durch eine regional aufkommende 'Holznot' verstärkt, die Bauern, Handwerker und Arbeiter gleichermaßen betrifft. Seit der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts werden erste Eisen- und Glashüttenstandorte in Pennsylvania, New York State und anderen Staaten an den großen Seen gegründet, die zunächst stark an die Ressource Holz und Steinkohle gebunden sind und entsprechend negative Auswirkungen auf Wald und Umwelt zeigen. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts sind aufgrund der großen Entwaldungen erste Anfänge einer nordamerikanischen Naturschutzbewegung zu erkennen. In der Folgezeit werden vermehrt Kahlflächen aufgeforstet und zu Ende des 19. Jahrhunderts erste forstliche Ausbildungsstätten von deutschen Forstwissenschaftlern gegründet. Ein intensiver deutsch-amerikanischer Fachaustausch findet bis Ende der 1930er Jahre statt. Erste Studien zeigen, dass eine retrospektive Forschung wertvolle Rückschlüsse auf die Entwicklung des deutsch-amerikanischen Wald- und Naturverständnisses ermöglicht eine in heutiger Zeit noch weitgehend unbeachtete, dafür aber umso wichtigere Komponente der Umweltwahrnehmung. Gleichzeitig ist die besondere Bedeutung eines nachhaltigen Ressourcenmanagement aufzuzeigen. Folgende wissenschaftliche Fragen lassen sich ableiten: - Sozial- und mentalitätsgeschichtlich: In welcher Form und in welchem Maße wirkten sich Erfahrungen erlebter Ressourcenknappheit der Auswanderer auf Reaktionen auf die sich im 19. Jahrhundert zunehmend verschlechternde Waldressourcenqualität in den USA aus ? - Umweltgeschichtlich: Ist bereits im 18. und 19. Jahrhundert eine dezidierte Umweltwahrnehmung im deutsch-amerikanischen Auswanderungsmilieu festzustellen ? - Forstgeschichtlich: Inwiefern trägt eine von außerhalb der Staatsgrenzen erfolgte kritische Betrachtung sowohl nordamerikanischer als auch deutscher Waldbewirtschaftung dazu bei, auf beiden Seiten forsthistorische Aussagen des 19. und 20. Jahrhunderts zu relativieren ? - Ressourcenpolitisch: Welche Ansatzpunkte liefert eine zeitnähere und räumlich verlagerte Untersuchung der Ressourcenproblematik in den USA, um die heutige Gesellschaft und Politik für einen nachhaltigen Umgang mit ihren Lebensressourcen zu sensibilisieren ?

Rückstandsgehalte und Verteilung von subtherapeutischen Antibiotika in Feedlot-Böden

Feedlots sind v.a. in Nordamerika verbreitete Tierproduktionsbetriebe mit intensivster Freilandhaltung. Es wird vermutet, dass Feedlots Brennpunkte einer Umweltbelastung mit pharmazeutischen Antibiotika sind, da große Tierbestände gehalten werden, die regelmäßig Antibiotika erhalten. Es wurden Bodenproben von einer Grasland-Kontrolle sowie Boden- und Tierdung-Proben von Bodenprofilen eines gewerblichen und eines experimentellen Feedlots entnommen und analysiert. Rückstände der üblicherweise verwendeten Antibiotika Sulfamethazin, Chlortetracyclin und Tylosin wurden mit unterschiedlichen Konzentrationen in Dung, Boden und Wasser gefunden. Die Ergebnisse weisen auf eine nicht unerhebliche Persistenz, Tiefenverlagerung und insbesondere Oberflächenabfluss der Antibiotika Sulfamethazin und Chlortetracyclin hin.

Krebserzeugende Stoffe bei der Arbeit - Eine vergleichende Untersuchung von Expositionsmessungen aus Frankreich und Deutschland

Zielsetzung: Europäische Regelwerke zur Minderung der Risiken bei Tätigkeiten mit Gefahrstoffen liegen vor und werden weiterentwickelt (z. B. REACH). Expositionsszenarien spielen hierbei eine wichtige Rolle. Daher ist ein Vergleich von Expositionen über Landesgrenzen hinweg sinnvoll, der zum Ziel hat zu untersuchen, wie hoch Expositionen in Abhängigkeit von Arbeitsbereich, Arbeitsverfahren und Schutzmaßnahmen sind, wie die methodische Vorgehensweise bei der Ermittlung ist und wie sich dokumentierte Daten vergleichen lassen. Das Projekt baut auf Erfahrungen eines von der European Foundation for the Improvement of Living and Working Conditions geförderten Projekts aus der Mitte der 1990er-Jahre auf, an dem Institute aus Nordamerika und Europa, darunter auch das Berufsgenossenschaftliche Institut für Arbeitsschutz - BGIA, beteiligt waren. Die Expositionssituation in Frankreich und Deutschland für die arbeitsschutzrelevanten krebserzeugenden Gefahrstoffe Formaldehyd, Benzol, Cadmium und Trichlorethylen soll ausgewertet werden und es soll untersucht werden, ob sie tendenziell vergleichbar ist bzw. in ausgewählten Branchen und Arbeitsbereichen übereinstimmt. Aktivitäten/Methoden: Die Expositionsdatenbanken Chemical exposure data base (COLCHIC), geführt und ausgewertet vom Institut National de Recherche et de Sécurité (INRS) aus Frankreich, und Messdaten zur Exposition gegenüber Gefahrstoffen am Arbeitsplatz (MEGA), geführt und ausgewertet vom BGIA, sollen hinsichtlich ihres quantitativen und qualitativen Leistungsumfanges charakterisiert werden. Die detaillierte Analyse der Datenbanken soll am Beispiel der ausgewählten krebserzeugenden Gefahrstoffe Benzol, Formaldehyd, Cadmium und Trichlorethylen erfolgen. Hierzu gehören die Untersuchung der den Messwert beeinflussenden Variablen, wie z. B. die Mess- und Analysensysteme, die hinterlegten Schlüsselverzeichnisse der Branchen, Arbeitsbereiche und Tätigkeiten, die als primäre Selektionskriterien in den Datenbanken fungieren, sowie die statistischen Parameter.

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