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Direkte Beobachtung von Elementarprozessen bei der heterogenen Eis- Nukleation durch nichtlineare optische Spektroskopie: Die Rolle von Hydroxyl-Gruppen an den Oberflächen von mineralischen Aerosolpartikeln

Wolken beeinflussen den Energiehaushalt durch Streuung des Sonnenlichts und Absorption der Wärmestrahlung der Erde und gelten daher als wichtiger Faktor im Klimasystem. Die Untersuchung von atmosphärischen Prozessen im Allgemeinen und der Eisnukleation im Besonderen ist von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis der mit Wolkenbildung, Niederschlagsentwicklung und Wechselwirkung mit der Strahlung zusammenhängenden Mechanismen. Mineralstaub, der den größten Teil der atmosphärischen Aerosole ausmacht, kann bei geringen Sättigungen und Temperaturen, die über dem homogenen Gefrierpunkt liegen, Eisbildung initiieren und auf diese Weise die Wolkendynamik und auch die Mikrophysik sowie die Eigenschaften der Wolken beeinflussen. Trotz zahlreicher Untersuchungen zum Einfluss von Partikelgröße und Oberflächeneigenschaften von Eiskeimen wissen wir über die heterogene Eisnukleation auf molekularer Ebene immer noch sehr wenig. Übergeordnetes Ziel des vorliegenden Projektverlängerungsantrags ist die Untersuchung der Bedeutung von OH-Gruppen an den Oberflächen mineralischer Aerosolpartikel in heterogenen Eisnukleationsprozessen mit Hilfe der nichtlinearen optischen (NLO-)Spektroskopie und insbesondere der Summenfrequenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen. Im DFG-Projekt AB 604/1-1 wurde bereits der Grundstein für das neue Forschungsfeld (Atmosphärische Oberflächenwissenschaft) am IMK-AAF des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gelegt. Das Projekt hat deutlich gezeigt, dass sich die NLO-Spektroskopie für die Untersuchung von heterogenen Eisnukleationsprozessen auf molekularer Ebene eignet. Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Projekts sollen daher im Wesentlichen Wasser und Hydroxylgruppen an den Oberflächen zweier atmosphärisch relevanter Mineraloxide mit unterschiedlichem Eisnukleationsvermögen (Feldspat und Quarz) während des heterogenen Gefrierens untersucht werden. Mit Hilfe der Summenfrequenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen sollen die Grenzflächenwasser (flüssig und Eis) auf mineralischen Oberflächen analysiert sowie der Einfluss der OH-Gruppen an der Oberfläche auf den heterogenen Gefrierprozess bestimmt werden. Die hier geplanten Untersuchungen werden als Grundlage für eine deterministische Beschreibung des Prozesses des heterogenen Gefrierens an atmosphärischen Aerosolpartikeln mineralischen Ursprungs dienen. Solche Studien sind für unser Verständnis der atmosphärischen Prozesse und somit auch des Klimasystems von großer Bedeutung und darüber hinaus auch im Hinblick auf die lokale Wettermodifikation (z.B. Wolkenimpfung, Hagelabwehr) und die Klimaschutzpolitik von besonderem Interesse.

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.

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).

Untersuchungen zur Abscheidung teilchenfoermiger luftfremder Stoffe an Pflanzen. Ein Beitrag zur Abscheidung von Teilchen an Nadeln und Blaettern (Waldschaeden)

Ziele: Bestimmung der die Abscheidung von Teilchen an Nadeln und Blaettern bestimmenden Groessen. Angaben eines Abscheidungsgrades Motive: Umweltschutz

Bau eines Massenseparators fuer 'kleine Teilchen'

Durch den Bau eines Flugzeit-Massenseparators wird es moeglich sein, kleine Teilchen der Masse nach zu trennen und nachzuweisen. Damit kann der Gehalt von sehr kleinen Pb-Clustern in Autoabgasen bestimmt werden. Es sollen ausserdem die Bedingungen fuer die Clusterbildung studiert werden und Methoden entwickelt werden, um die Clustergroesse zu variieren. So ist denkbar, dass man durch eine Zunahme der Teilchengroesse mit anschliessendem Filter die schaedliche Wirkung von Fabrikabgasen wesentlich reduziert.

Die Bedeutung von Picodetritus im potamalen mikrobiellen Nahrungsgewebe

Es ist davon auszugehen, dass Picodetribus (tote organische Partikel mit einer Größe von etwa 0,2 bis 2 mym) einen wesentlichen Bestandteil der partikulären organischen Fracht der meisten Fließgewässer bildet. Er könnte eine bisher stark unterschätzte Nahrungsquelle insbesondere für picophage Protisten im Potamoplankton darstellen. Sollte sich dies bestätigen, wäre dieser Nahrungsweg eine quantitativ wichtige Wiedereintrittsstelle von organischen Partikeln in den Stofffluss von Flüssen (auch von Standgewässern). Durch die unterschiedliche Entstehungsweise des Picodetritus (...) ist eine heterogene Zusammensetzung anzunehmen. In Laboruntersuchungen wird die Aufnahme und Verwertung von Picodetritus durch typische Protozoenarten (...) untersucht. Als Beispielgewässer für eine Abschätzung des Stoffflusses über den Picodetritus unter Freilandbedingungen soll der Rhein bei Köln fungieren.

Bodensanierung Reinigung oelkontaminierter Feinkornschlaemme mittels Ultraschall - Impulswaesche

Feinkoernige Sedimentschlaemme, die mit Schadstoffen belastet sind, stellen fuer herkoemmliche Bodenwaschanlagen ein grosses Problem dar. Boeden, bei denen die Schluffraktion ( kleiner 63 mym) mehr als 30 Prozent betraegt, koennen meist nicht mehr wirtschaftlich in Bodenwaschanlagen behandelt werden. Bislang mussten kontaminierte Feinkornschlaemme deponiert oder verbrannt werden, was mit hohen Kosten verbunden ist. Desweiteren sind weite Transportwege noetig um die Schlaemme zu den Entsorgungsanlagen zu bringen. Kontaminierte Gewaessersedimente oder auch Schlaemme aus Oelabscheidern von Tankstellen und Waschplaetzen weisen jedoch haeufig Schluffanteile von 50 - 70 Prozent auf. Um diese Feinkornschlaemme von den anhaftenden organischen Schadstoffen zu befreien, bedarf es einem effektiven Energieeintrag. Je kleiner die zu reinigenden Partikel werden, desto schwieriger wird es, mechanische Scher- und Reibungskraefte auf die Partikel zu uebertragen. An der Fachhochschule Ostfriesland beschaeftigte man sich daher mit dem Problem der Energieuebertragung auf die Bodenpartikel. Hierbei wurden zwei Wege verfolgt. Als eine Moeglichkeit der Energieuebertragung wurde versucht, die noetigen Energieeintraege mit Druckluft zu realisieren. Dazu wurde ein Reaktor gebaut, in dem der kontaminierte Boden eingebracht und mittels Druckluftkanonen hohe Scherkraefte eingebracht wurden. Bei diesen Verfahren stellte sich aber nicht der gewuenschte Erfolg ein. Desweiteren war mit dieser Methode kein kontinuierlicher Betrieb moeglich. Als zweiter Weg wurde der Energieeintragung durch eine Beschallung mit Ultraschall erprobt. Bei diesem Verfahren stellte sich der gewuenschte Erfolg im Labormassstab ein, so dass in Form einer Pilotanlage das Verfahren in die Praxis umgesetzt wurde. Das Projektteam hat die Impulswaesche in einen handelsueblichen 20-Fuss Rollcontainer eingebaut. Damit ist eine groesstmoegliche Flexibilitaet erreicht worden. Die Behandlung von verunreinigten Boeden kann vor Ort durchgefuehrt werden. Die gereinigten Boeden werden somit gleich wieder vor Ort eingebaut, so dass aufwendige Transporte entfallen.

Ausbreitung von luftgetragenen Schadstoffen von der Produktionsstaette

Die Abluft von Tierhaltungen kann fuer die Umwelt durch Geruchs- und Keimausbreitungen zu Belaestigungen fuehren. Auch das Ausbringen von Pflanzenschutz- und Duengemitteln stellt ein Emissionsproblem dar. Letztlich gehoert zu diesem Themenkreis die Staubentstehung auf fahrenden Arbeitsmaschinen. Fuer diese Ausbreitungsvorgaenge wird ein mathematisches Transportmodell entwickelt, das a) den statistischen Charakter der Teilchengroessenverteilung beruecksichtigt, b) Slip-, Haft- und Stossbedingungen erfasst und c) meteorologische Einfluesse miteinbezieht. Anhand von Untersuchungen in einem Staubfeld unter definierten und jederzeit reproduzierbaren Randbedingungen ist das obige Modell messtechnisch abzustuetzen.

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