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Einsatz von phototrophen Biofilmen im Agrarsektor zur Verbesserung des Pflanzenwachstums

Im Jahr 2018 wurden in Deutschland rund 866 Millionen Tonnen Treibhausgase produziert, wobei weltweit 10-12 % der anthropogenen Treibhausemissionen der Landwirtschaft zuzuordnen sind. Während der Austausch an CO2 durch die gleichzeitige CO2 Fixierung in organische Masse fast ausgeglichen ist, beträgt der Anteil der Landwirtschaft bei Methan 50 % und Lachgas sogar 60 % aller Emissionen. Dies ist vor allem auf den Einsatz mineralischer und organischer Düngemittel zurückzuführen. Ohne ein aktives Gegensteuern wird eine Steigerung der Lachgasemissionen um 30-65 % bis 2030 in der Agrarwirtschaft erwartet. Um das gesetzte klimapolitische Ziel einer weitgehenden Treibhausgas-Neutralität bis 2050 zu erreichen, stellt ein klimaschonender Anbau von nachwachsenden Rohstoffen in der Landwirtschaft eine wichtige Strategie dar. Ein zentraler Teilaspekt dieser Strategie könnte die Ansiedlung der gegenüber biotischen und abiotischen Bedingungen toleranten terrestrischen Cyanobakterien sein, die in der Lage sind Luftstickstoff zu fixieren und in - für andere Organismen verwertbaren - Stickstoff umzuwandeln und an die Umgebung abzugeben. Zusätzlich dazu wachsen terrestrische Cyanobakterien eingebettet in einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen was zu einer wünschenswerten Bodenstabilisierung und damit zum Schutz vor Bodenerosion sowie zur Förderung der Wasserspeicherung im Boden beitragen könnte. Hierzu sollen stickstofffixierende Cyanobakterien, die aus der kühlgemäßigten Klimazone isoliert wurden, eingesetzt werden. Geeignete Stämme müssen die Stickstofffixierung räumlich durch die Ausbildung von Heterozysten vom Photosyntheseapparat getrennt haben und den bioverfügbaren Stickstoff an die Umgebung abgeben. Co-Kultivierungen von Cyanobakterien mit Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) sowie Triticum aestivum (Weizen) sollen zeigen, ob eine künstlich induzierte Symbiose möglich ist. Neben der Agrarpflanze Weizen wurde A. thaliana ausgewählt, da es sich hierbei um eine schnellwachsende und gut charakterisierte Modellpflanze handelt und sie zur selben Familie wie die Nutzpflanzen Kohl, Brokkoli und Meerrettich zählt. Zur Ausbringung der Biofilme in die Agrarwirtschaft sollen diese auf einem biologisch abbaubaren Trägermaterial immobilisiert werden. Hierfür soll ein Aerosolreaktor konzipiert und charakterisiert sowie ein Animpf- und Ernteverfahren etabliert werden. Zusätzlich dazu soll der Wasserrückhalt der Biofilme durch Variation der Prozessparameter optimiert werden. Abschließend soll die Co-Kultivierung von immobilisierten Cyanobakterien auf dem Trägermaterial und Pflanzen in Pflanzsubstraten in Abhängigkeit der Temperatur untersucht werden. Hier soll die Frage beantwortet werden, ob ein periodisches Ausbringen der Cyanobakterien notwendig ist, oder ob eine dauerhafte Implementierung von Biofilmen im Boden möglich ist.

Pflanze-Boden-Mikroben-Interaktionen in Agrarsystemen: Einfluss von Cadmium und Stickstoff auf mikrobielle Gemeinschaften in der Rhizosphäre sowie auf das Wachstum einheimischer Pflanzenspezies in Landwirtschaftssystemen

Pflanzenmanagement- und Agrarsysteme erlangen international eine steigende Bedeutung. In der vorliegenden Studie werden Pappeln und Weiden mit einheimischen Pflanzenspezies kombiniert, um Agrarsysteme weiter zu verbessern. Zwei in landwirtschaftlichen Systemen relevante Schadstoffe (Cadmium und Stickstoff) wurden ausgewählt, um die Pflanzen bezüglich Phytoremediation und Effizienz von Schadstoffanreicherung in Pflanzenteilen zu untersuchen. Pflanzen-Mikroben-Interaktionen spielen eine Hauptrolle in Agrarsystemen, weshalb mikrobielle Veränderungen in der Rhizosphäre durch Schadstoffeintrag in Böden einen wichtigen Schwerpunkt darstellen. Um solche Veränderungen in einer pflanzenspezifischen, mikrobiellen Gemeinschaft zu detektieren werden Phospholipidfettsäuren (PLFA) im Boden bestimmt, da diese in allen lebenden Zellen vorkommen und nach Zelltod rasch abgebaut werden. Die erzielten Ergebnisse werden mit DNA-basierten Methoden zur Bestimmung mikrobieller Gemeinschaften verglichen. Weiterhin soll die Analytik von Terpenen, Flavonoiden und Fettsäuren im Pflanzenmaterial Auskunft über pysiologische Veränderungen von Pflanzen geben, welche durch die verschiedenen Schadstoffe ausgelöst werden. Ein 13CO2 Puls, welcher vor der Ernte appliziert wird, ermöglicht eine genaue Untersuchung, wie Pflanzenstoffwechsel und Kohlenstofftranslokation in die Rhizosphäre durch Schadstoffe verändert werden. In diesem Zusammenhang wird die Stabilisotopenanalytik von PLFA und DNA verglichen, sowie weitere 13C-Analysen des Pflanzenmaterials durchgeführt. Um den Schwerpunkt von Pflanzenmanagement Systemen zu vertiefen werden weitere Analysen von Pflanzenteilen (Wurzeln, Stamm, Blätter, Früchte, Samen) bezüglich Cadmium und Stickstoff durchgeführt. Massiv kontaminiertes Pflanzenmaterial kann für die Biogasproduktion verbrannt und anschließend zum Recycling kompostiert werden. Pflanzenteile mit hohem Stickstoffgehalt und fehlender Akkumulation von Cadmium kann als Tierfutter in Wintermonaten verwendet werden; eine Verwendung für kommerzielle Produkte ist ebenfalls denkbar und soll im Rahmen des Forschungsantrags untersucht werden.

Katrin Eder: „Weil nicht alle Wälder gleich sind, aber jeder Hektar Wald zählt, brauchen wir für jeden Standort die bestmöglichen Maßnahmen, um unsere Wälder zu erhalten und an den Klimawandel anzupassen“

Klimaschutzministerin Katrin Eder stellt gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft (FAWF) Ergebnisse aus dem umfangreichen Forschungsprogramm Klimawald 2100 vor – Wasserrückhalt, Umgang mit Buchen, Artenvielfalt auf Störungsflächen sowie Kommunikation und Partizipation als zentrale Themen „Mit 43 Prozent Waldanteil ist Rheinland-Pfalz das waldreichste Bundesland. Doch Wald ist nicht gleich Wald. Während die Wälder in der Pfalz auf Buntsandsteinböden wachsen, die zwar viel Wasser aufnehmen aber nur begrenzt Wasser halten können, sind die Böden im Hunsrück lehmig und Wasser kann nur langsam versickern, wir haben Wälder in tieferen und oft flachen Gebieten und solche in höheren Lagen mit steilen Hängen. Daran erkennt man: Man kann nicht jeden Wald gleich bewirtschaften. Weil aber jeder Hektar Wald zählt, müssen wir alles daransetzen, diesen zu erhalten – und damit für jeden Standort die bestmöglichen Maßnahmen finden. Dies gelingt nur mit umfangreicher wissenschaftlicher Forschung“, so Klimaschutzministerin Katrin Eder am heutigen Montag bei der Vorstellung der Ergebnisse des Forschungsprogramms Klimawald 2100. Dieses gab die Landesregierung im Jahr 2022 angesichts der vorausgehenden Dürrejahre und des fortschreitenden Klimawandels bei der Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft (FAWF) zeitlich befristet bis 2025 in Auftrag. Die Forschenden untersuchten dabei vier Themenschwerpunkte: Den Wasserrückhalt, den Umgang mit Buchen, die Artenvielfalt auf Störungsflächen sowie die Kommunikation über die Auswirkungen des Klimawandels auf den Wald. Da sich die Verfügbarkeit und der Abfluss von Wasser im Wald auch auf die Artenvielfalt und die Vitalität unserer Hauptbaumart, der Buche, auswirkt, ist das Thema Wasser zentral. Maßnahmen sollen zu mehr Grundwasserneubildung und mehr Hochwasserschutz beitragen Anhand von Modellrechnungen mit regionalisierten Klimaprojektionen bis ins Jahr 2100 wird etwa in der Modellregion Soonwald deutlich: Extreme nehmen zu. Bezogen auf die Grundwasserneubildung zeigen die Untersuchungen einen oberflächennahen Grundwasserleiter mit rascher Umsatzzeit und einen tieferen Grundwasserleiter, in dem aber nur relativ wenig Sickerwasser ankommt, da beide Stockwerke durch einen Stauhorizont mit geringer Wasserleitfähigkeit getrennt sind. Hinzukommt, dass der Boden schwer ist und Wasser nur langsam versickern kann. Außerdem werden unsere Sommer trockener und es gibt insgesamt mehr Starkregenereignisse. Für den Wald, aber auch für die umgebenden Ortschaften bedeutet das: Die Menge an Bodenwasser geht zurück und Bäume geraten zunehmend unter Trockenstress, weil viel Wasser bei starken Niederschlägen, genauso wie bei ausgetrocknetem und damit kaum mehr aufnahmefähigem Boden oberflächig abfließt. Viel Oberflächenabfluss bedeutet, dass das Niederschlagswasser direkt in die Bäche und Flüsse fließt. Dies kann zu mehr Hochwasser und zu weniger Trinkwassergewinnung führen. Für den Wald bedeutet es mehr Trockenstress und damit mehr Anfälligkeit für Baumkrankheiten und Schädlinge sowie verlangsamtes Wachstum. „Wir alle brauchen sauberes Trinkwasser und müssen uns vor Hochwasser schützen. Deshalb ist es überall im Wald wichtig, das Wasser im Wald flächig zu verteilen, damit möglichst viel versickert und möglichst wenig Wasser oberflächig abfließt. Dort, wo das Wasser aber aufgrund der Bodenverhältnisse, von Hanglagen oder oberflächennahen Grundwasserleitern von Natur aus weniger und weniger tief versickern kann, brauchen wir zusätzliche Maßnahmen. Die Untersuchungen zeigen, dass hier eine Kombination aus vorzugsweise natürlichen, aber auch baulichen Maßnahmen sinnvoll ist“, so Katrin Eder. Natürliche Maßnahmen sind beispielsweise die Renaturierung von Gewässern und die Schaffung sowie der Erhalt von Auenlandschaften; bauliche Instrumente sind unter anderem etwa Rigolen, also befahrbare, aber wasserdurchlässige Wege, das Anlegen von Mulden, der Verschluss alter Entwässerungsgräben und das Ziehen von Gräben, die parallel zum Hang verlaufen, um die Fließgeschwindigkeit des Wassers bei Starkregen zu brechen. 75 Prozent der Fichten stehen im Vergleich zu den Vordürrejahren (2018) noch in Rheinland-Pfalz – Umgang mit Störflächen auch in Zukunft aktuell Seit den Dürrejahren ab 2018 sind aufgrund von Borkenkäferbefall und Sturmwürfen 35.000 Hektar Fichtenflächen ausgefallen. Rheinland-Pfalz weit leben noch rund 75 Prozent der Fichten im Vergleich zu den Vordürrejahren (2018). Aufgrund des fortschreitenden Klimawandels werden sogenannte „Störflächen“ und der Umgang mit ihnen weiterhin ein Thema bleiben. Sie wirken sich sowohl auf den Wasserrückhalt im Wald als auch auf die Artenvielfalt aus. Untersuchungen haben ergeben, dass dort 30 Prozent mehr Wasser oberflächig abfließt und freigesetzte Nähr- und Schadstoffe in Bäche und Flüsse oder ins Grundwasser transportiert werden. Tonige Standorte können das überschüssige Wasser nicht aufnehmen, auf sandigen Böden kommt es zu einer raschen Drainage in tiefere Schichten, wobei das Sickerwasser ebenfalls gelöste Nähr- und Schadstoffe mit sich führt. Insgesamt wirken Schadflächen als „Abflusstrigger“ – mit steigenden Flächenanteilen im Klimawandel werden Erosions- und Sturzflutrisiken zunehmen, ergaben die Untersuchungen der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der FAWF. „Unsere Untersuchungen zeigen positive Effekte des teilweisen Belassens von Totholzstrukturen sowohl auf die Biodiversität als auch auf die natürliche Wiederbewaldung. Zur Humusanreicherung und als Lebensraum für viele Arten wird im Staatswald ohnehin Totholz im Rahmen der planmäßigen Bewirtschaftung im Wald belassen, hier geht es konkret um durch Störungen wie Windwurf und Schaderreger geschaffene Flächen, bei denen viel Totholz anfällt“, so Dr. Ulrich Matthes, Leiter der FAWF. „Hier entsteht ein Spannungsfeld zwischen Holznutzung, Waldschutz, Arbeitsschutz, Verkehrssicherung, Biodiversität und einer natürlichen Wiederbewaldung, das gut ausbalanciert werden muss. Auch hier kommt es vor allem auf den Standort und auf das Ausmaß anfallenden Totholzes an. Liegendes Totholz kann als Barriere wirken, um den Wasserabfluss zu bremsen, auch gibt es hier weniger Wildverbiss. Ist die Wilddichte aber hoch, ist hier auch das Wildtiermanagement schwieriger. Auf Freiflächen entsteht die natürliche Wiederbewaldung eher durch Pionierbaumarten, deren Samen vor allem mit dem Wind verbreitet werden, dazu zählt etwa die Birke. Auf Flächen mit stehendem Totholz, haben neben diesen Baumarten zusätzlich solche größere Chancen, deren Samen über Vögel verbreitet werden, etwa Ebereschen. Aufgrund unterschiedlicher Keimungsbedingungen und Eintragswege von Samen können sich Freiflächen und Totholz hinsichtlich der Gehölzartenvielfalt ergänzen. Sind in der näheren Umgebung aber keine geeigneten Mutterbäume, deren Samen so verbreitet werden können, werden dort, wo einst Fichten waren, auch vorerst vorrangig nur wieder Fichten und Bäume mit leichten Samen wachsen. Auf solchen Flächen ist es notwendig, kleinflächig und punktwirksam standortangepasste, klimaresiliente und überwiegend heimische Baumarten zu ergänzen; daneben kommen in bemessenem Umfang auch Baumarten zum Einsatz, die zwar nicht standortheimisch sind, von denen aber eine gute Anpassungsfähigkeit an die sich im Zuge des Klimawandels ändernden Standortbedingungen und eine gute Integrationsfähigkeit in das heimische Ökosystem erwartet werden kann“, so Matthes weiter. Daneben wurde auch untersucht, welche Tiere und Pilze jeweils vorkommen. Über verschiedene Organismengruppen zeigt sich, dass ein Nebeneinander von Freifläche und Totholz die Gesamtartenvielfalt stärkt. Neben klassischen Kartierungen kamen dort Verfahren mit künstlicher Intelligenz zum Einsatz. Buche bis Mitte des Jahrhunderts klimatisch gut geeignet – danach hängt es von der Klimaentwicklung ab Das Wissenschaftsteam hat zudem mithilfe von Modellrechnungen analysiert, wie es weiterhin um die Buche stehen wird, mit rund 23 Prozent ist sie gegenwärtig die am häufigsten vorkommende Baumart in Rheinland-Pfalz. Bis Mitte des Jahrhunderts bleibt die Buche in Rheinland-Pfalz überwiegend klimatisch sehr gut geeignet, erste Einschränkungen zeigen sich nur in den warmen Regionen wie im Mainzer Becken und im Oberrheingraben. Ab diesem Zeitpunkt hängt es stark davon ab, wie die Erderwärmung voranschreitet. Im pessimistischsten Szenario RCP 8.5, das einen starken Klimawandel ohne ambitionierten Klimaschutz abbildet, wären Ende des Jahrhunderts nur noch etwa ein Viertel der Landesfläche für die Buche gut bis sehr gut geeignet, auch in den Mittelgebirgen werden teilweise deutliche Einschränkungen modelliert. Junge Buchen können von Durchforstungen profitieren Auch der Einfluss von Durchforstungen wurde ökophysiologisch und mittels Jahrringanalysen untersucht. „Junge Buchen profitieren, wenn sie ausreichend mit Wasser versorgt sind und genügend Licht haben. Sie fallen aber bei Trockenstress in ihrer Leistungsfähigkeit zurück“, erläuterte Ulrich Matthes. Fortbildungen und Kommunikationshilfen für Forstleute erstellt Das vierte Kapitel zur Kommunikation und Partizipation beschäftigt sich unter anderem mit Fragen, wie die Auswirkungen des Klimawandels im Wald von der Öffentlichkeit und unter Forstleuten wahrgenommen werden. Die Ergebnisse deuten an, dass Forstleute damit konfrontiert sind, dass ihr Erfahrungswissen und die Wahrnehmung als Waldexperte von Teilen der interessierten Öffentlichkeit in Frage gestellt wird. Neben den trockenheitsbedingten Kalamitäten spielt dabei auch die von Forstleuten wahrgenommene prononcierte Kritik an der Forstwirtschaft durch in die mediale Öffentlichkeit drängende Personen sowie das Empfinden einer gesellschaftlichen Geringschätzung forstlicher Arbeit eine große Rolle. „Insgesamt wird deutlich, dass klimabedingte Waldveränderungen nicht als isoliertes Phänomen betrachtet werden und werden können. Die Veränderungen, die wir zurzeit im Wald beobachten, haben Ursachen, Auswirkungen und Zusammenhänge jenseits des Waldrandes, wie unsere Beziehung zur Natur, den Umgang mit Ressourcen, das Wirtschaftssystem und vieles mehr. Auch deshalb sind Gespräche über Wald-Klima-Krisen so emotional“, so Matthes. „Damit der Forstsektor sich den komplexen Herausforderungen der Wald-Klima-Krise angemessen stellen kann, ist es unverzichtbar, die damit verbundenen Unsicherheiten offen zu thematisieren. Nur so können im Austausch gemeinsame Lösungen identifiziert und auch die individuelle Belastung für Waldverantwortliche abgemildert werden. Zur besseren Kommunikation wurden daher verschiedene Fortbildungen, Handreichungen und Dialogformate konzipiert und durchgeführt“, so Matthes weiter. Zu den vorgestellten Ergebnissen werden nach Abschluss zusätzlicher Untersuchungen weitere kommen, etwa kleinräumige Modellrechnungen zu den naturwissenschaftlichen Fragestellungen. Auch der Einsatz quantitativer Methoden der Sozialforschung zur vertiefenden Untersuchung der aufgeworfenen Forschungsfragen im Bereich der öffentlichen Kommunikation und Partizipation werden erwogen. Nach Abschluss der relevanten Forschungsarbeiten wird ein Gesamtbericht veröffentlicht.

Grundwasserdynamik an Küsten im Klimawandel (COASTGUARD)

Für Milliarden Menschen weltweit, vor allem aber für jene in Küstengebieten, ist Grundwasser die primäre Quelle für Trinkwasser. Weltweit sind die verfügbaren Grundwasserressourcen durch steigende Wasserentnahmen gefährdet, dies gilt vor allem für küstennahe Aquifere, da diese zusätzlich von Salzwasserintrusion bedroht sind. Gleichzeitig ist der Grundwasserabfluss in die Ozeane ein wichtiger Prozess für aquatische Ökosysteme. Das sich wandelnde Klima und die steigenden Meeresspiegel werden die Küstengrundwasserdynamiken weiter verändern.Kürzlich entwickelte globale Grundwassermodelle bieten die Möglichkeit, diese globalen Herausforderungen sichtbar werden zu lassen. COASTGUARD stellt sich zur Aufgabe die Parametrisierung dieser neuartigen Modelle an der Randbedingung Ozean genauer zu untersuchen und dabei Unsicherheiten zu quantifizieren. Die Projektergebnisse werden der Forschungsgemeinschaft weltweit helfen, großskalige Küstengrundwasserprozesse besser zu verstehen und diese mit lokalen Erkenntnissen in Zusammenhang zu setzen. COASTGUARD wird nicht nur zu einem besseren Verständnis der Dynamiken von Küstengrundwasserprozessen beitragen, sondern auch Implikationen für die zukünftige Frischwasserverfügbarkeit zulassen. Außerdem wird COASTGUARD weltweit Regionen aufzeigen, welche besonders durch ein sich änderndes Klima betroffen sind.COASTGUARD bietet damit die einmalige Gelegenheit: (1) Unsicherheiten der globalen Grundwassermodellierung zu untersuchen und deren Parametrisierung an der so wichtigen Schnittstelle Ozean zu verbessern, (2) neue Erkenntnisse darüber zu liefern, welche Prozesse bezüglich der Dynamik zwischen Grundwasser und Meer auf einer globalen Skala dominant sind sowie (3) die weltweite Quantifizierung von Salzwasserintrusion und Grundwasserabfluss im Kontext von Klimawandel und dem steigenden Meeresspiegel darzustellen.

Besamungsstationen mit Zulassung nach Tierzuchtgesetz

Betreiber von Besamungsstationen oder von Embryo-Entnahmeeinheiten für den nationalen Handel bedürfen der Erlaubnis nach §18 des Nationalen Tierzuchtgesetzes (TierZG, 2019). Die Erlaubnis erfolgt durch die zuständige Tierzuchtbehörde des entsprechenden Bundeslandes.

Versuche zur Ermittlung und zum Verhalten von Bioindikatoren in mit Schadstoffen kontaminierter Luft

Die Raumluft ist haeufig mit toxischen Stoffen (besonders chlorierte Kohlenwasserstoffe wie PCP, Lindan sowie mit Formaldehyd) angereichert. Die ueblichen Analysen sind kompliziert, kostspielig und nicht lebensbezogen. Mit Pflanzen, Samen und pflanzlichem Plasma koennte der Nachweis verbessert werden, so dass ihn auch der Laie anwenden kann (was wegen der ubiquitaeren Verbreitung der Schadstoffe noetig waere).

Untersuchungen zur Vegetationsgeschichte und heutigen Vegetation des Lautermoores (Oberrheinische Tiefebene, SW-Deutschland)

Mittels Pollen, Grossresten und Geochemie wird die Vegetationsgeschichte des Gebietes untersucht, um die Entwicklung des Moores zu verstehen. Parallel werden die heutige Vegetation und ihre Standortsbedingungen aufgenommen. Anhand von Dauerquadraten wird die Sukzession nach einem Renaturierungsversuch belegt. Das Moor hat seine Anfaenge schon am Ende der letzten Eiszeit. Es beinhaltet die Vegetationsgeschichte bis in die juengste Zeit. Blaetter und Samen der Zwergbirke (Betula nana) und das Moos Drepanocladus tundrae konnten erstmals fuer das Gebiet nachgewiesen werden. Es kam nach dem Aufstau nicht zur schnellen Ausbreitung der Torfmoose, wie man gehofft hatte.

Wechselwirkungen zwischen saisonale arktische Meereisprozessen und Stabilität der Halokline – auf dem Weg zum Verständnis arktischer Gas- und Stoffflüsse

In Folge des globalen Klimawandels hat sich die Meereisdecke in der Arktis dramatisch verändert. Im derzeitigen Zustand spielt die arktische Eisdecke eine wichtige Rolle; so schirmt sie das Oberflächenwasser, die sogenannte arktische Halokline (Salzgehaltsschichtung), von der Erwärmung durch die sommerliche Sonneneinstrahlung ab. Zudem wird die Halokline durch die Salze, welches beim Gefrierprozess des Meerwassers aus der Kristallstruktur austritt, gebildet und stabilisiert. Gleichzeitig wirkt die Halokline als Barriere zwischen der Eisdecke und dem darunter liegenden warmen atlantischen Wasser und trägt so zum Erhalt der arktischen Meereisdecke bei. Dieses Gleichgewicht ist nun durch die insgesamt wesentlich dünnere arktische Meereisdecke und ihre verringerte sommerliche Ausdehnung gestört. Im Meerwasser sind zudem Gase und biogeochemisch wichtige Spurenstoffen enthalten. Diese werden durch die Gefrierprozesse eingeschlossen, beeinflusst und wieder ausgestoßen. So beeinflusst die Meereisdecke die Gas- und Stoffflüsse zwischen Atmosphäre, Eis und oberer Wasserschicht. Durch die Eisbewegung findet außerdem ein Transport statt z.B. in der sogenannten Transpolarendrift von den sibirischen Schelfgebieten, über den Nordpol, südwärts bis ins europäische Nordmeer. Nun wird mit den weitreichenden Veränderungen des globalen und arktischen Klimawandels bereits von der „neuen Arktis“ gesprochen, da angenommen wird, dass sich die Arktis bereits in einem neuen Funktionsmodus befindet. Dabei ist jedoch weitgehend unbekannt wie dieses neue System funktioniert, sich weiterentwickelt und wie sich dies auf die Eisbildungsprozesse und damit die Stabilität der Halokline und die damit verbundenen Gas- und Stoffflüsse auswirkt. Für solche Untersuchungen werden über den Jahresverlauf Proben der oberen Wassersäule und der Eisdecke benötigt. Ermöglicht wird dies durch die wissenschaftliche Initiative MOSAiC. Mithilfe der stabilen Isotope des Wassers (?18O und ?D) aus dem Eis und der Wassersäule kann Rückschlüsse auf die Herkunftswässer und den Gefrierprozess gezogen werden und diese Ergebnisse sollen in direkten Zusammenhang mit Gas- und biogeochemischen Stoffuntersuchungen (aus Partnerprojekten) gesetzt werden. Dabei können z.B. Stürme, Schmelzprozesse, Schneebedeckung, Teichbildung und Alterungseffekte des Eises eine Rolle spielen. Untersucht wird parallel die Veränderung der Wassersäule welche z.B. durch Wärmetransport, wiederum die Eisdecke beeinflussen kann.Diese prozessorientierten Untersuchungen der saisonalen Eisbildungsprozesse in Eis und Wassersäule der zentralen Arktis, werden einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Stabilität der arktischen Halokline und der arktischen Gas- und Stoffflüsse liefern. Da sich die Gase und Stoffe nicht-konservativ verhalten, während die Isotope im Gefrierprozess konservativ sind, erwarten wir aus der Diskrepanz wiederum wichtige Informationen z. B. über wiederholtes Einfrieren von Süßwasserbeimengungen ableiten zu können.

Ableitung von Statistiken höherer Ordnung aus Winddaten der unteren und mittleren Atmosphäre (HONDA)

Nichtlineare, stochastische und dissipative geophysikalische Strömungen in Atmosphäre und Ozean sind Teil der Turbulenztheorie. Diese beeinflussen die Dynamik im Bereich von Zentimetern bis zu mehreren hundert Metern sowie die meso- und synoptischen Skalen. Ein Beispiel hierfür ist das Powerspektrum von mesoskaligen horizontalen Winden, das sich statistisch ähnlich wie Meterskalen verhält und mit den Vorhersagen der klassischen isotropen 3D Turbulenz übereinstimmt, wie sie in der Arbeit von Nastrom und Gage von 1984 gefunden wurde. Diese Erkenntnis machte neue Turbulenztheorien nötig, die eine Alternative zur klassischen Erklärung der Schwerewellen bieten könnten, um die Physik hinter der mesoskaligen Dynamik in geophysikalischen Strömungen zu verstehen, wie etwa die Theorie der stratifizierten (geschichteten) Turbulenz (ST). Ein leistungsfähiges Untersuchungsinstrument der ST-Theorie ist die Analyse von Statistikdaten höherer Ordnung von Zustandsvariablen, die das mittlere Strömungsverhalten beschreiben. Dies gilt insbesondere für die Strukturfunktion (SF), die Messungen der gleichen Parameter zu verschiedenen Zeitpunkten und an verschiedenen Orten auf einen einzigen Wert, durch die Schätzung von Ensemble-Mittelwerten, synthetisiert. Eine wesentliche Einschränkung bei der Untersuchung der mesoskaligen Dynamik der Winde durch die Abschätzung von SFs hoher Ordnung für verschiedene atmosphärische Höhen ist jedoch der Mangel an geeigneten Messmöglichkeiten, die die horizontalen Mesoskalen mit ausreichend hoher Auflösung und zeitkontinuierlich erfassen können. Im Bereich der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre (MLT) haben multistatische Meteorradarsysteme (SMRs) kürzlich bewiesen, dass sie diese Anforderungen erfüllen. Im Rahmen dieses Projekts werden zwei Hauptthemen verfolgt. Das erste ist die umfassende Analyse und Charakterisierung von SFs zweiter Ordnung der horizontalen mesoskaligen Winde aus multistatischen SMRs Beobachtungen in der MLT-Region. Wir wollen die Gültigkeit der Eigenschaft der horizontalen Isotropie beurteilen und ihre Auswirkungen auf die Dynamik von Rotations- und Divergenzmoden bewerten. Für diese Aufgaben stehen Messungen in mittleren und hohen Breitengraden zur Verfügung. Das zweite Hauptthema ist die Anwendung von Wind-SFs höherer Ordnung, die über die zweite Ordnung hinausgehen, unter Verwendung von MST-Radarwinddaten an einem einzelnen Standort. Die Anwendung der Taylor-Approximation Methode wird die Untersuchung der räumlichen Verschiebungen erleichtern, die aus zeitlichen Verzögerungen bestimmt werden. Die Methode wird anhand von Winden in der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre implementiert und dann auf die mesosphärischen Winde ausgedehnt. Die Ergebnisse dieses Projekts werden Erkenntnisse über die Unterschiede und Gemeinsamkeiten im statistischen Verhalten der mesoskaligen Winde in verschiedenen atmosphärischen Höhen liefern.

Tracing the Fate of Contaminants in a Model Ecosystem

Scientists from the Palestinian authority, Israel and Germany, all involved in different aspects of analytical research, have joined in order to conduct an environmental study, which aims to understand the fate of selected contaminants in a model ecosystem. For this purpose, two typical terrestrial sites in the Middle East, one in the Palestinian authority and the other in Israel, have been selected, comprising a partially polluted area and a natural reserve as a reference. In these areas, the fate (chemical and physical transformations) of typical pollutants such as heavy metals (Pb, Cu, Zn, Cd, Fe), metalloids (As, Sn, Sb), organic dyes and air contaminants (O3, NOx, SO2) will be studied. This will also involve the determination of all the environmental conditions for the chemical transformation, which should shed some light on the dynamics of the ecosystems. At the same time novel inexpensive sensors and analytical procedures will be developed, which are necessary for the analysis of contaminants in this area. The goals will be accomplished by combined efforts of all partners.

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