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Emissionen aus dem Straßenverkehr und städtische Lufthygiene: Neue Möglichkeiten aus zeitlich hoch aufgelöster Analyse

In diesem Projekt sollen zeitlich hoch aufgelöste Spurengasmessungen und Messungen der Größenspektren der Aerosolpartikel an einem Verkehrsstandort zu einer deutlichen Weiterentwicklung unseres Verständnisses der Dynamik der Konzentrationen von Luftschadstoffen im städtischen Umfeld sowie der Emissionen aus dem Straßenverkehr beitragen. Neue, schnelle Techniken sollen das bereits gut entwickelte Grundlagenwissen zu Emissionsverhältnissen NO / NO2 / NOx einzelner Fahrzeuge und Fahrzeuggruppen entwickeln, den Einfluss auf die Ozonchemie und die Interaktion mit dem vorhandenen Ozon studieren, Emissionsverhältnisse NH3 / CO2 und NOx / CO2 unter realen Bedingungen quantifizieren, und vor allem die Emissionen der Aerosopartikel in einem weiten Größenspektrum (einige nm bis über 1 mym Durchmesser) detailliert quantifizieren. Dies bedeutet und ermöglicht eine neuartige Analyse der Emissionen von Partikeln im echten Straßenverkehr. Die vorgeschlagenen Konzepte und Messungen ergänzen sich mit anderen modernen Konzepten der Analyse von Luftverschmutzung und Emissionen wie z.B. multi-Sensoren-Anwendungen, Einsatz mobiler Plattformen, oder Eddy-Kovarianz. Hier wird Grundlagenforschung vorgeschlagen, die in Ergänzung mit anderen Anwendungen und Konzepten einschließlich Modellierung zu einer deutlichen Verbesserung unseres Verständnisses der städtischen Umwelt führen wird. Das Herzstück der experimentellen Forschung ist eine 18-monatige Messreihe am Straßenrand, die allerdings von zwei Intensivmesskampagnen (IOPs) um Kenntnisse zur räumlichen Representativität und zur chemischen Zusammensetzung der Partikel im Größenspektrum ergänzt werden.

Umsatzraten und Herkunft von Lipiden in Ackerböden: Zeitlich aufgelöste strukturelle und isotopische Charakterisierung der Lipidfraktionen einer natürlich markierten Schwarzerde

Lipide haben wahrscheinlich große Bedeutung für die Stabilisierung organischer Substanz in Böden, sie wurden aber bisher mittels moderner strukturchemischer und isotopischer Methoden nur wenig untersucht. Durch die Kombination dieser Methoden sollen erstmals gleichzeitg Aussagen über Herkunft (Pflanzen, Bakterien, Pilze) und Umsatzraten (d13C) der Lipide auf molekularer Ebene ermöglichen. Der Nutzungswechsel von Roggen- (C3-) zu Mais-Monokultur (C4-Pflanze) markierte die zugeführte Biomasse strukturell und isotopisch. Die Nutzung von Rückstellproben ermöglicht eine über vier Jahrzehnte zeitlich aufgelöste Auswertung dieses landwirtschaftlichen Freilandversuchs. Die Lipide sollen mit einer Kombination moderner struktureller, spektroskopischer und isotopischer Analysetechniken der Bodenchemie, organischen Geochemie und Biochemie untersucht werden. Untersuchungen sollen an Gesamtböden und ausgewählten PartikelgrößenFraktionen erfolgen. Die Bodenlipide werden erstmalig über eine automatisierte sequentielle Flüssigkeitschromatographie in folgende Fraktionen getrennt: a) Aliphaten, b) Ketone/Alkohole, c) Fettsäuren, d) Aromaten, e) basische Lipide und f) hochpolare Biopolymere. Diese Fraktionen sollen anschließend strukturell identifiziert (13C NMR, GC-MS) und die Fraktionen a) bis c) gesamt- und komponentenspezifisch (GC-irmMS) d 13C-isotopisch charakterisiert werden.

Teilchenbasierte Simulation der Staubemission

Ziel dieses Projektes ist es, ein teilchenbasiertes numerisches Modell für die Simulation der Staubemission im Rahmen des äolischen Sandtransports zu entwickeln. Die Quantifizierung dieser Emission ist für die zuverlässige Repräsentation des Staubzykluses in Klimamodellen wesentlich, da die Aufnahme von Staubpartikeln in die Atmosphäre hauptsächlich durch den Beschuss des Sedimentbettes mit Sandpartikeln verursacht wird. Um den vertikalen Fluss emittierter Staubteilchen als Funktion der Boden- und Windbedingungen vorherzusagen, wurden verschiedene empirische Staubparametrisierungsschemata erarbeitet. Die Physik interpartikulärer Wechselwirkungen ist jedoch durch weitgehend unverstandene stochastische Kräfte gekennzeichnet, was die Entwicklung eines zuverlässigen theoretischen Staubemissionsmodells erschwert. Deshalb soll im vorliegenden Projekt ein numerisches Simulationswerkzeug, welches numerische Strömungsmechanik mit einem auf der Diskrete-Elemente-Methode basierenden Modell für granulare Dynamik koppelt, entwickelt werden, um die Trajektorien äolischer Sand- sowie emittierter Staubpartikel zu berechnen. Dabei werden die Trajektorien aller Teilchen in Luft und im Sedimentbett aus der Wirkung der Schwerkraft sowie interpartikulärer bzw. Teilchen-Wind-Wechselwirkungen berechnet, sodass auf die Annahme einer Splash-Funktion verzichtet wird. Zunächst soll ein physikalisches Modell für die interpartikulären Wechselwirkungen --- welche sowohl Kontakt- als auch van-der-Waals-Kräfte einbeziehen --- unter Berücksichtigung deren stochastischer Natur entwickelt werden. Um die Parameter dieses Modells zu bestimmen, werden Windkanalmessungen von Staubemissionsraten aus einem Sedimentbett unter gegebenen Partikelgrößenverteilungen und Windgeschwindigkeiten mit Vorhersagen der Simulationen verglichen. Daraufhin soll die Staubemission unter verschiedenen Verfügbarkeitsbedingungen mobilisierbarer Sedimente untersucht werden. Dies ist wichtig, um ein Parametrisierungsschema für die Staubemission aus schwer erodierbaren Böden (z.B. Böden mit biogener Kruste) aufstellen zu können.

Elementbestimmung in festen und fluessigen Partikeln

Die Aufmerksamkeit der Oeffentlichkeit zu Fragen der Luftreinhaltung hat zu einer Reihe von Massnahmen gefuehrt, die die Schadstoffemissionen in die Atmosphaere erheblich verringern. Trotzdem werden noch zunehmend Partikelemissionen in die Atmosphaere freigesetzt. Ihre Moeglichkeiten der Beeinflussung des Klimas, des Oekosystems oder der menschlichen Gesundheit sind unbestritten, wobei jedoch eine Reihe grundlegender Fragen zu atmosphaerischen Partikeln noch ungeklaert ist.Zum Beispiel wird durch den Einsatz moderner Filteranlagen das emittierte Partikelspektrum zu kleineren Fraktionen verschoben, die sich im troposphaerischen Aerosol laenger aufhalten koennen. Globale zahlenmaessige Abschaetzungen und Massentransportbilanzen beruhen jedoch vorwiegend auf Hochrechnungen, z. B. vom Verbrauch fossiler Energietraeger, und nicht auf routinemaessigen Partikelmessungen in der Atmosphaere. Fuer diese Messungen werden analytische Methoden benoetigt, die es gestatten, die Konzentrationen von Haupt- und Nebenbestandteilen in Partikeln mit Massen von 10 - 10 g zu messen. Zur Unterscheidung zwischen natuerlicher und anthropogener Herkunft der Partikel ist sowohl die Messung der Partikelgroesse als auch ihrer Zusammensetzung notwendig.Ziel des Projektes ist es, mit der ETV-ICP-MS die Elementgehalte in Partikeln der Atmosphaere zu bestimmen und Korrelationen zu Emissionsquellen nachzuweisen.

Sedimentgroessenanalyse im Stauraum Altenwoerth

Soil physical data of agricultural soils in Saxony

The continuous agricultural soil monitoring program (BDF) by the Saxon State Office for Environment, Agriculture, and Geology (LfULG) is operational since 1995, collecting and analysing samples periodically from 60 monitoring sites across Saxony, Germany. This dataset contains additional soil physical data for 441 samples collected during a sampling campaign in September 2023. Samples were collected from four sites across Saxony using different sampling devices (split spoon push core, steel syringe, sampling spade, soil rings) to evaluate their suitability for true-to-volume sampling. Total bulk density, fine soil bulk density and the fine soil stock were calculated using both air-dry and oven-dry weights. Particle size distribution was determined by wet sieving and the integral suspension pressure method (ISP+) using the Meter Pario+ system. This dataset is part of a mid-infrared soil spectral library for agricultural soils in Saxony, Germany.

Physicochemical soil property data for archive samples of the Saxon agricultural soil monitoring program

The continuous agricultural soil monitoring program (BDF) by the Saxon State Office for Environment, Agriculture, and Geology (LfULG) is operational since 1995, collecting and analysing samples periodically from 60 monitoring sites across Saxony, Germany. This dataset provides physicochemical soil property data for 920 archive samples available from the Saxon soil information system FIS Boden, including soil organic carbon, total nitrogen, various total and extractable elemental contents, soil pH, cation exchange capacity, and particle size distribution. Additional soil physical data (bulk density, soil water retention) have been merged from undisturbed sample data, resulting in a total of 123 variables, though with varying availability. This dataset provides the majority of reference data for the mid-infrared soil spectral library for agricultural soils in Saxony, Germany.

SaxSSL: A mid-infrared Soil Spectral Library for the agricultural soils of Saxony, Germany

This dataset presents a mid-Infrared Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy (mid-DRIFTS) Soil Spectral Library (SSL) for agricultural soils in Saxony, Germany. The SSL was developed using archive soil samples from the Soil Monitoring Program of the State Office for Environment, Agriculture, and Geology (LfULG). A total of 123 physicochemical soil properties (with varying availability) are included in the presented dataset, covering soil organic carbon, total nitrogen, various total and extractable elemental contents, soil pH, cation exchange capacity, particle size distribution, bulk density and soil water retention. In addition to archive samples, the dataset includes supplementary soil samples collected during an intensive sampling campaign in September 2023, which also incorporates soil physical properties data. Mid-IR spectra were recorded from 7500 cm-1 to 400 cm⁻¹, using a Bruker Alpha II DRIFT. All samples were (re-) analysed using stepped thermal analysis according to DIN 19539 / DIN EN17505. The presented SSL was built as part of the LfULG project FuE 42-Z771/2 and constitutes the foundation for integrating quantitative mid-DRIFTS as an analytical tool in Saxony's agricultural soil monitoring program.

Hydrochemistry, carbon dynamics, and calculated pCO2 and CO2 fluxes, and soil-derived natural organic matter characteristics from the White Main, a granitic headwater stream in Germany, 2023-2024

This dataset contains hydrochemical and soil data collected along the first 1.3 km downstream of the White Main spring in northern Bavaria, Germany, from March 2023 to November 2024. Stream water samples were analyzed for in situ parameters, including discharge, water temperature [°C], pH [-], redox potential [mV], and electrical conductivity [µS/cm], as well as laboratory-measured parameters, including major ions and trace metals [mmol/l], alkalinity [mmol/l], dissolved inorganic and organic carbon concentrations (DIC, DOC [mmol/l]), and their stable isotope ratios (δ13CDIC/DOC [‰ VPDB]). In addition, calculated partial pressure of CO2 (pCO2 [µatm]) and carbon dioxide fluxes (FCO2 [mmol m⁻² d⁻¹]) are provided for the stream water samples. The dataset also contains laboratory measurements related to soil-derived natural organic matter from acid and base extracts of soil samples, including zeta potential [mV], particle size distribution [%], ultraviolet-visible absorbance (UV-VIS), and fluorescence measurements. UV-VIS absorbance and fluorescence measurements were additionally performed on stream water samples. The datasets were collected to characterize hydrochemistry, carbon concentrations, carbon dioxide dynamics, and soil-derived organic matter properties in a granitic headwater stream and to provide a basis for reuse in studies of headwater biogeochemistry, carbon cycling, and soil-water interactions.

Sediment characteristics in the muddy region in southeast of the island of Helgoland (North Sea)

Sediment were sampled on expedition HE625 of the R/V Heincke in July 2023 at 50 stations spread evenly over the muddy sediment region in southeast of the island of Helgoland (southeastern North Sea). At each station, two replicate samples were taken with a van Veen grab with a sampling area of 0.1 m² and a penetration depth of 10 cm. A subsample of the upper 6 cm of sediment was taken using a coring tube from the second grab with a diameter of 4.5 cm. The grain-size distribution was determined based on laser-diffraction granulometry using a CILAS 1180L particle size analyzer. Another sub-sample of 40 g of sediment were dried, weighed, and incinerated at 500 °C for five hours to estimate the organic content (%) as weight loss on combustion. Sediment variables included organic carbon content (OC), sediment composition (percentages of sand, silt, and clay), grain size (d10, d50, d90), and statistical measures of sediment grain size distribution (skewness, sorting, kurtosis).

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