Die Mischungsverhältnisse der wichtigsten langlebigen Treibhausgase in der Atmosphäre steigen durch die anhaltenden anthropogenen Emissionen weiter an. Die langlebigen Treibhausgase, die am meisten zum menschengemachten Klimawandel beitragen, sind Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O). Neben ihrem Beitrag zum Klimawandel weisen die Verteilungen dieser Gase starke Gradienten über die Tropopause auf und sind daher gute Indikatoren atmosphärischer Transportpozesse. mit einer Lebensdauer von ca. 850 Jahren und kontinuierlich steigenden Mischungsverhältnissen ist auch Schwefelhexafluorid (SF6), ein synthetisches Gas mit starkem Erwärmungspotential, wird häufig als Indikator des sogenannten Alters von Luftmassen verwendet, das ein Maß für die Stärke der stratosphärischen Transports ist.Das Vorhaben basiert auf der Harmonisierung und wissenschaftlichen Auswertung bereits existierender Messdaten dieser vier wichtigsten Treibhausgase und weiterer langlebiger halogenierte Spurenstoffe der Messplattform IAGOS_CARIBIC aus der Tropopausenregion. Der Datensatz deckt den Zeitraum 2005-2020 and und wird ergänzt durch Daten existierende Messungen im Rahmen verschiedener Messkamapgnen des deutschen Forschungsflugzeugs HALO.Die Datenauswertung wird sich konzentrieren auf: Trends der Mischungsverhältnisse langlebiger Treibhausgase in der oberen Troposphäre, insbesondere ihren Zeitversatz zu Messungen an Bodenmessstationen, die Variabilität langlebiger Treibhausgase in der Tropopausenregion und die Identifizierung und Quellenzuordnung auffällig hoher Spurengasmischungsverhältnisse in der oberen Tropopause. Das Ziel ist ein bessseres Verständnis atmosphärischer Transportprozesse, vor allem in die und in der Tropopausenregion.Außerdem soll im Rahmen des Vorhabens ein bestehender Messaufbau für Messungen halogenierte Spurengase an Luftproben mittels Gaschromatographie (GC) gekoppelt mit Massenspektrometrie um eine kleine GC-Einheit zur Messung von SF6 bei minimalen Probenverbrauch erweitert werden. Dafür beinhaltet das Vorhaben Untersuchungen zur Eignung nicht-radioaktiver Nachweismethoden für SF6. Detektoren, die auf geplusten Entladungen basieren, sind grundsätzlich für Messungen von SF6 geeignet, wurden aber noch nicht für Messungen in der Atmosphäre verwendet. Ein solcher Detektor soll für den Aufbau der neuen GC-Einheit getestet werden. Als Alternative ist ein Elektroneinfangdetektor, die etablierte Messtechnik basierend auf dem radioaktiven Zerfall eines Nickelisotops, vorgesehen.
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.
Within the framework of MOSES (Modular Observation Solutions for Earth Systems) and ElbeXtreme, we performed three longitudinal sampling campaigns in the Elbe catchment in 2024. The campaigns covered the German freshwater part, the tidal Elbe river, and the German Bight. Here we present the results of the freshwater river where the sampling was conducted in a Langrangian way according to flow velocity. Physico-chemical and biological parameters were measured along the Elbe from bridges between Bad Schandau (km 12, Czech-German border) and Lauenburg (km 570, close to Hamburg). A particular scientific focus was on (1) nutrients and eutrophication, (2) composition of dissolved organic matter measured by high-resolution mass spectrometry, (3) greenhouse gas measurements, and (4) micropollutants. This was done during a winter flood event in January, a summer drought in July, and a second smaller flood in September 2024.
Das "Non-Target Screening im Rheineinzugsgebiet" ist eine Initiative, deren Ziel es ist, die Non-Target Screening (NTS) Methodik zwischen den Umweltüberwachungsbehörden im Rheineinzugsgebiet zu harmonisieren. Das Ziel dieser Harmonisierung ist es, eine hohe Vergleichbarkeit der NTS-Daten aus verschiedenen Laboren zu erreichen, um neu auftretende Schadstoffe über die Überwachungsstationen entlang des Rheins und seiner Nebenflüsse hinweg zu detektieren und zu verfolgen. Das Projekt wird von der Internationalen Kommission zum Schutz des Rheins koordiniert und umfasst derzeit Institutionen aus fünf europäischen Ländern.
Ein Vorgängerprojekt, genannt "Rhein-Projekt NTS", lief von 2021 bis 2024 und wurde von der Europäischen Union über das LIFE-Programm finanziert. Während dieser frühen Phase wurde eine Plattform für die schnelle, automatisierte, zentralisierte Auswertung und Speicherung von NTS-Daten entwickelt. Diese Plattform wird als NTS-Tool bezeichnet und wird von der deutschen Landesbehörde IT Baden-Württemberg gehostet.
Das NTS-Tool umfasst derzeit eine harmonisierte Analysemethode auf Basis der Flüssigchromatographie gekoppelt mit hochauflösender Massenspektrometrie (LC-HRMS), IT-Infrastruktur (Cloud, Terminalserver), die Software enviMass zur Auswertung von NTS-Daten, Qualitätskontrollmaßnahmen basierend auf isotopenmarkierten Standardverbindungen sowie das Datenaggregierungs- und Visualisierungstool (DAV-Tool). Das DAV-Tool ermöglicht es Laborpersonal, nach neuartigen Schadstoffen in allen beteiligten Überwachungsstationen zu suchen. Das NTS-Tool wird im Rahmen des Internationalen Warn- und Alarmplans Rhein (IWAP Rhein) für Warnzwecke genutzt, da die zentrale Datenauswertung es ermöglicht, Schadstoffe schnell zu identifizieren, sodass geeignete Maßnahmen ergriffen werden können, um die öffentliche Gesundheit und die Umwelt zu schützen.
Ein weiteres Ziel des Projekts ist der Wissenstransfer über bekannte und unbekannte neuartige Schadstoffe an Expertengruppen und Trinkwasserversorger im Rheineinzugsgebiet.
Die Ergebnisse, die mit dem NTS-Tool gewonnen werden, sollen zur Überwachung der im "Rhein 2040"-Programm formulierten Ziele beitragen, einschließlich des 30%-Reduktionsziels für Mikroverunreinigungen, den Zielen des "Null-Schadstoff-Aktionsplans" der EU sowie den individuellen Strategien der Staaten im Rheineinzugsgebiet. Das Rheinüberwachungsprogramm und das Programm „Rhein 2040“ stützen sich auf die NTS-Methode, um neu auftretende chemische Substanzen zu identifizieren.
Veranlassung
Gewässerökologie im Fokus der Öffentlichkeit
Die durch den Klimawandel mit zunehmender Häufigkeit auftretenden extremen Bedingungen in und an Flüssen und Bundeswasserstraßen führten in der jüngeren Vergangenheit zum Teil zu verheerenden ökologischen Folgen. Mikroorganismen nahmen dabei oft eine zentrale Rolle ein und rückten das Thema Wasserqualität verstärkt in den Fokus der Öffentlichkeit. Ein Beispiel dafür ist das Fischsterben in der Oder im August 2022, welches im Rahmen der Ursachenforschung die Sensibilität, aber auch die Komplexität der Ökosysteme in Politik und Öffentlichkeit allgegenwärtig machte. Aber auch die seit 2017 in der Mosel auftretenden Cyanobakterienblüten erregen zumindest regional öffentliches Interesse, da sie oftmals eine eingeschränkte Nutzung des Gewässers nach sich ziehen.
Interdisziplinäre wissenschaftliche Herausforderung: Komplexe Zusammenhänge zwischen chemischer Belastung und Biodiversität
Die Entschlüsselung komplexer Wirkbeziehungen stellt eine große wissenschaftliche Herausforderung dar - einerseits aufgrund multipler Stressoren, die auf Flussysteme einwirken, wie die Auswirkungen des Klimawandels oder die Ausbreitung von Neobiota; andererseits aufgrund zahlreicher Umweltfaktoren wie Wassertemperatur, Nährstoffkonzentrationen und Abflussbedingungen. Ein größtenteils unbekanntes Ausmaß an chemischen Stressoren, insbesondere organische Spurenstoffe, belasten das aquatische Ökosystem zusätzlich. Obwohl internationale Gremien und Verbände (IPBES, EU) sowie die wissenschaftliche Gemeinschaft chemische Belastungen als einen der Haupttreiber für Biodiversitätsverlust anerkannt haben, ist der Einfluss von Chemikalien auf die Biodiversität und damit auf Ökosysteme bisher unzureichend verstanden. Erste Studien geben Hinweise auf die potentiellen Auswirkungen chemischer Belastungen auf die mikrobielle Gemeinschaft: Beispielsweise belegen sie einen statistischen Zusammenhang zwischen der Spurenstoffbelastung und dem ökologischen Zustand von Fließgewässern. Es ist daher notwendig, die komplexen Zusammenhänge zwischen solchen chemischen Stressoren und der mikrobiellen Artengemeinschaften integrativ und systematisch zu bearbeiten, um die ökologischen Entwicklungen in Bundeswasserstraßen besser zu verstehen und zu prognostizieren sowie um nachteiligen Veränderungen proaktiv entgegensteuern zu können.
Die Mosel als Untersuchungsgebiet
Über Einträge kommunaler Kläranlagen sowie aus industriellen und intensiven landwirtschaftlichen Aktivitäten im Einzugsgebiet gelangen komplexe Mischungen organischer Spurenstoffe in die Mosel. Darüber hinaus zeigt das Gewässer als Ausdruck eines "nicht gesunden" Ökosystems seit einigen Jahren ausgeprägte, Toxin-bildende Cyanobakterienblüten, die in der breiten Öffentlichkeit sowie bei den verantwortlichen Behörden große Aufmerksamkeit und Besorgnis erregen.
Ziele
- Umfassende Charakterisierung der mikrobiellen Artengemeinschaft und chemischen Belastung im Untersuchungsgebiet (Mosel)
- Etablierung von experimentellen Ansätzen zur systematischen Untersuchung der Zusammenhänge zwischen chemischen Belastungen und dem Wachstum mikrobieller Populationen
- (Weiter-)Entwicklung von mechanistischen Effekt-Modellen, welche den Einfluss der chemischen Belastung im Kontext multipler Stressoren auf ausgewählte Phytoplankton-Arten beschreiben.