Änderungen der Verteilung von Spurenstoffen wie Wasserdampf und Ozon, sowie die Verteilung von Zirruspartikeln in der unteren Stratosphäre/oberen Troposphäre (UTLS) haben einen großen Einfluss auf den Strahlungsantrieb. Unsicherheiten in der Beschreibung von Mischungsprozessen führen zu großen Unsicherheiten der Abschätzung des Strahlungsantriebs und sind deshalb von großer Bedeutung für die Quantifizierung des Klimawandels. Deshalb ist es wichtig, physikalische und chemische Prozesse (z.B. Austauschprozesse von Luftmassen, Zirrusbildung) zu quantifizieren, die die Zusammensetzung der UTLS bestimmen. Die sogenannte 'overworld' oberhalb von Theta=380K beeinflusst unmittelbar die Zusammensetzung der extratropischen Stratosphäre im Sommer durch Luftmassen, die aus der Region der asiatischen Monsunzirkulation stammen. Brechende planetare Wellen transportieren Monsun beeinflusste Luft in höhere Breiten, wo sie zum dortigen Wasserdampf- und Spurenstoffbudget beitragen. Die untere Grenze der UTLS, die extratropische Tropopausenschicht (ExTL), wird durch schnellen und effizienten bidirektionalen (quasi-isentropen) Austausch mit der Troposphäre gekennzeichnet. Die obere Grenze der der ExTL korrespondiert mit der Lage der Tropopauseninversionsschicht (TIL), die eine Region erhöhter statischer Stabilität oberhalb der Tropopause darstellt. Der Einfluss infrarotaktiver Tracer wie Wasserdampf oder Ozon auf die Temperaturstruktur macht die TIL zu einem sensitiven Indikator für Änderungen des Wasserdampf- oder Ozongehaltes oder auch Änderungen der Tropopausen Temperatur. Diese wirkt auf den Wasserdampfgehalt, der wiederum die statische Stabilität beeinflusst. WISE untersucht den Zusammenhang zwischen Zusammensetzung und der dynamischen Struktur der UTLS innerhalb der folgenden vier Hauptthemen:- Zusammenhang zwischen TIL und Spurengasverteilung in der unteren Stratosphäre- Wellenbrechung von planetaren Wellen und Wasserdampftransport in die extratropische untere Stratosphäre - Halogenierte Substanzen und deren Effekt auf Ozon in der UTLS- Nichtsichtbare Zirruspartikel und deren Effekt auf die UTLSBei WISE werden diese Themen mit einer neuartigen Nutzlast untersucht, die 2D- und 3D-Messungen von Spurenstoffen und Temperatur, Dropsondendaten und hochaufgelöste in-situ Spurengasmessungen vereint. Eine einzigartige Kombination von Limb- und Nadirmessngen wird verwendet, um die Eigenschaften optisch dünner Zirren in der UTLS Region zu untersuchen. Hochpräzise in-situ Daten erlauben detaillierte Untersuchungen zu Mischungsprozessen mit hoher Auflösung, sowie Zeitskalen und Altersbestimmung der Luft. WISE wird im September / Oktober stattfinden, und daher unmittelbar den Einfluss des sich auflösenden Monsuns auf die extratropische UTLS vermessen. Durch die Kombination mit Lagrange'schen und prozessorientierten Modellen wird der relative Beitrag verschiedener Quellregionen als auch Transportzeitskalen und Prozesse quantifiziert.
Untersuchungen ueber die Verteilung von Spurenstoffen in der Atmosphaere werden im Institut fuer Chemie (ICH3) durchgefuehrt. Es erfolgt die Aufklaerung der Produktions- und Abbauprozesse und Modellrechnung zur Voraussage von Auswirkungen anthropogener Stoerungen. Folgende Themen werden schwerpunktmaessig bearbeitet: a) Entwicklung von Messverfahren fuer Radikale und Messungen in der Troposphaere und Stratosphaere mit folgenden Methoden: Laserresonanzfluoreszenz (fuer OH), vergleichende Absorptionsspektroskopie auf langen optischen Wegen (fuer OH), Matrix-Isolation und Elektronenspinresonanzspektroskopie (fuer HO2, NO2, RO2). b) Messung von langlebigen Spurengasen in der Atmosphaere mit gaschromatischen Methoden (z.B. CO, CH4, H2, N2O, CFCl3, CF2Cl2, CO2). c) Erarbeitung von chemischen und physikalisch-optischen Methoden zur Messung von kurzlebigen Spurengasen wie SO2, HNO3, NH4, CH2O, NO2 und Bestimmung ihrer Depositionsrate auf natuerliche bewachsene Boeden. d) Untersuchungen zum Isotopengehalt verschiedener Spurengase zur Aufklaerung ihres atmosphaerischen Kreislaufs (z.B. D in H2 und CH4, 13C in CO, CH4). Besondere Bedeutung hat die Messung von 14C im atmosphaerischen CO, weil sie Daten zur mitteleren globalen OH-Radikalkonzentration liefert. e) Entwicklung eines ein- und zweidimensionalen Modells zur Interpretation der Radikalmessungen, zur Untersuchung von Abbauprozessen in der Troposphaere und zur Voraussage der anthropogenen Stoerung der Ozonschicht.
Neue Studien zeigen, dass die Emissionen eines der wichtigsten Fluochlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), des CFC--11, seit 2012 wieder ansteigen, was eine ernste Bedrohung für die Ozonschicht bedeutet. Allerdings sind die Abschätzungen der FCKW Emissionen mit großen Unsicherheiten behaftet. Die größte Unsicherheit stammt von Änderungen der stratosphärischen Zirkulation und deren Darstellung in derzeitigen atmosphärischen Modellen und Reanalysen. Die Methodiken, um diese Zirkulationsänderungen in Modellen besser einzuschränken, sind unzureichend.Ziel des Projekts ist es den Einfluß von Jahr-zu-Jahr Variabilität und dekadischen Änderungen im stratosphärischen Transport auf troposphärische Änderungen langlebiger Spurenstoffe, mit Fokus auf FCKWs, besser zu verstehen. Dazu werden neue Methodiken entwickelt und verbessert, um das stratosphärische Altersspektrum abzuleiten, die Verteilung der Transportzeit durch die Stratosphäre. In einem ersten Schritt wird die Methoden-Evaluierung im Modell durchgeführt. Drei verschiedene Methodiken zur Berechnung des Altersspektrums aus Mischungsverhältnissen chemischer Spezies werden verglichen. Diese Methodiken basieren auf (i) einer inversen Gauss-Funktions Parametrisierung, (ii) einer verbesserten Parametrisierung, und (iii) einer direkten Inversions-Methode. Für einen "proof of concept" werden die Resultate aller drei Methoden mit Altersspektren aus dem Lagrangeschen Atmosphären-Modell CLaMS verglichen, die im Modell exakt mit einer Pultracer-Methode berechnet werden. Im zweiten Schritt werden die Methodiken angewendet auf hochaufgelöste in-situ Spurengas-Messdaten aus Luftproben von Flugzeug-Messungen und von neuesten AirCore Messungen. Die Kombination von neuartigen Simulations- und Berechnungs-Methoden mit neuesten Messdaten zur Bestimmung des stratosphärischen Altersspektrums wird zu bisher nicht dagewesenen Einschränkungen des stratosphärischen Transports in Modellen führen. Durch Vergleich der Modell-Altersspektren aus Simulationen die mit verschiedenen meteorologischen Reanalysen angetrieben wurden, einschließlich der neuesten ERA5 Reanalyse und älterer Produkte (ERA-Interim, MERRA-2, JRA-55), soll die Robustheit der Modell-Darstellung stratosphärischer Transportänderungen abgeschätzt werden. Schließlich werden die Variabilitäten im stratosphärischen Transport untersucht und quantifiziert, sowie die Effekte dieser Variabilität auf die Spurengaszusammensetzung der unteren Stratosphäre und auf troposphärische Trends. Die aus dem Projekt resultierenden verbesserten Methodiken zur Abschätzung troposphärischer Spurenstoff-Budgets sollen der wissenschaftlichen Community zugänglich gemacht werden, und werden einen wichtigen Schritt darstellen hin zu einer verbesserten Berechnung von Emissionen langlebiger ozonzerstörender Substanzen und Treibhausgase.
Weite Regionen der Ozeane werden als sogenannte high nutrient low chlorophyll-Gebiete (HNLC) bezeichnet. Sie sind charakterisiert durch relativ niedrige Chlorophyllwerte trotz ausreichend hoher Nährstoffdichte. In diesen Regionen werden das Algenwachstum und dessen Zusammensetzung statt durch Makronährstoffe (etwa Nitrat), von Mikronährstoffen wie Spurenelementen und Vitaminen gesteuert. Die Eintragswege von Spurenelementen und deren Aufnahme durch Plankton und Schwebepartikel in der Wassersäule wurden in den letzten drei Jahrzehnten intensiv untersucht. Im Gegensatz dazu ist weiterhin relativ wenig bekannt über die Prozesse, welche das Vorkommen von bioverfügbaren Spurenelementen in situ wieder auffüllen, beispielsweise durch Remineralisation oder grazing durch Zooplankton. Die Bedeutung von Vitaminen für das Wachstum von Phytoplanktonblüten im Südpolarmeer wurde erst in jüngster Zeit erkannt. Jedoch existieren bislang keinerlei Daten über den Verbrauch und die Konzentrationen des Vitamingehaltes durch Plankton. Darüberhinaus sind Vitaminproduktionsraten für das marine System noch niemals bestimmt worden. In welchem Verhältnis stehen die Produktions- und Recyclingraten von Spurenstoffen und Vitaminen zu deren Entsorgungsraten? Welche Rolle spielt das grazing durch Zooplankton? Werden durch den Klimawandel und den als Folge saurer werdenden Ozean Recyclingprozesse begünstigt als Konsequenz einer veränderten Spurenstoffchemie und sich ändernder biologischer Wechselwirkungen? Um diese Fragen zu beantworten, wird ein neuer Ansatz zur Massenbilanzierung angewendet, um in situ Recyclingraten von drei ökologisch relevanten Spurenstoffen (Eisen, Zink und Kobalt) zu bestimmen. Außerdem werden die Produktions- und Recyclingrate von Vitaminen bestimmt. Eine umfassende Bestimmung der Planktongesellschaft mit unterschiedlichen Methoden wird die Schlüsselarten fuer die verschiedenen Prozesse identifizieren. Der Einfluss des grazing von Piko-und Nanoplankton durch höhere trophische Level auf diese Produktions- und Recyclingraten wird im Rahmen von Feld- und Laborexperimenten untersucht, ebenso wie der Einfluss von erhöhtem pCO2. Dieser umfassende Datensatz wird eine große Lücke in den Studien zur Bedeutung von Spurenstoffen und Vitaminen schließen. Er liefert zudem Informationen für globale Ozeanmodelle zum Kreislauf von Vitaminen, Eisen und weiteren ökologisch relevanten Spurenstoffen im marinen System und deren Veränderung unter sich wandelnden klimatischen Bedingungen.
Organische Schwefelkomponenten sind abundant in marinen Sedimenten. Diese Verbindungen werden v.a. durch die abiotische Reaktion anorganischer Schwefelverbindungen mit Biomolekülen gebildet. Wegen seiner Bedeutung für globale Stoffkreisläufe, für die Nutzung von Erdöllagerstätten und für die Erhaltung des Paleorecords, gibt es eine Vielzahl von Studien zum Thema. Sehr wenig Aufmerksamkeit wurde allerdings wasserlöslichen Komponenten geschenkt, die beim Prozess der Sulfurisierung entstehen und als gelöster organischer Schwefel (DOS) in die Meere gelangen können. Anhand der wenigen verfügbaren Informationen ist Schwefel vermutlich das dritthäufigste Heteroelement im gelösten organischen Material (DOM) der Meere, nach Sauerstoff und Stickstoff. Einige Schwefelverbindungen, insbesondere Thiole, sind für die Verbreitung von Schadstoffen aber auch essenzieller Spurenstoffe verantwortlich. Wichtige klimarelevante Schwefelverbindungen entstehen aus DOS. Daher spielt der marine DOS-Kreislauf eine Rolle für die Meere und Atmosphäre. Trotz seiner Bedeutung sind die Quellen marinen DOS, seine Umsetzung im Meer und Funktion für Meeresbewohner unbestimmt. Auch ist die molekulare Zusammensetzung von DOS unbekannt. In diesem Projekt werden wir Pionierarbeit in einem neuen Forschungsfeld der marinen Biogeochemie leisten. Wir wollen grundlegende Fragen bzgl. der Bildung und Verteilung von nicht-flüchtigem DOS im Meer beantworten. Unsere wichtigsten Hypothesen:* Bildung von DOS:(1) Sulfatreduzierende Sedimente sind wesentlich für die Bildung von DOS.(2) Reduzierte Schwefelverbindungen (v.a. Thiole) dominieren in Zonen der DOS-Entstehung.(3) DOS wird v.a. über abiotische Sulfurisierung in der Frühdiagenese gebildet.* Transport und Schicksal von DOS im Ozean:(4) DOS wird von sulfat-reduzierenden intertidalen Grundwässern an das Meer abgeben.(5) In der Wassersäule oxidiert DOS schnell (z.B. zu Sulfonsäuren).(6) DOS aus intertidalen Sedimenten ist in oxidierter Form auf den Kontintentalschelfen stabil.Neben dem wissenschaftlichen Ziel der Beantwortung dieser Hypothesen, wird das Projekt drei Promovierenden (eine in Deutschland und zwei in Brasilien) die außergewöhnliche Gelegenheit bieten, ihre Doktorarbeiten im Rahmen eines internationalen Projektes durchzuführen. Wir werden die Stärken beider Partner in Feld- und Laborstudien und Elementar-, Isotopen- und molekularen Analysen kombinieren. Wir werden unterschiedliche Regionen im deutschen Wattenmeer und in brasilianischen Mangroven (Rio de Janeiro and Amazonien) beproben, sowie die benachbarten Schelfmeere. Sulfurisierungsexperimente werden die Feldstudien ergänzen. Zur quantitativen Bestimmung und molekularen Charakterisierung von DOS werden wir neue Ansätze anwenden, die von den beiden Arbeitsgruppen entwickelt wurden. Dabei kommen u.a. ultrahochauflösende Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), und andere massenspektrometrischen und chromatographischen Methoden zu Anwendung.