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Schwerpunktprogramm (SPP) 1689: Climate Engineering: Risiken, Herausforderungen, Möglichkeiten?, Stratosphärischer Ozonverlust im Sommer in mittleren Breiten - ein potentielles Risiko von Climate-Engineering? (CE-O3)

In jüngster Zeit wurde ein neuer Mechanismus zum Ozonabbau über besiedelten Gebieten in der wissenschaftlichen Gemeinschaft diskutiert, der vor einer zunehmenden Gefahr von niedrigem Ozon im Sommer in mittleren Breiten in der unteren Stratosphäre warnt. Der Ozonabbau soll durch erhöhte Mengen an Wasserdampf verursacht werden, die konvektiv in die Stratosphäre injiziert werden und zu durch Chlor bedingtem katalytischen Ozonverlust führen soll durch heterogene Reaktionen an binären Sulfat-Wasser-Aerosolen (H2SO4/H2O). Diese heterogenen Reaktionen werden durch erhöhte Mengen an Wasserdampf und niedrige Temperaturen beschleunigt. Vorausgesetzt, dass die Intensität und die Frequenz des konvektiv injizierten Wasserdampfes durch den anthropogenen Klimawandel in den nächsten Jahrzehnten ansteigen, ist mit einer Erhöhung der ultravioletten Strahlung (UV) auf der Erdoberfläche über besiedelten Gebieten zu rechnen. Die Details dieses neuen Ozonverlust-Mechanismus sind jedoch noch unklar, so dass eine genaue Quantifizierung des Ozonverlustes und seiner Sensitivität auf stratosphärischen Schwefel und Wasserdampf noch nicht möglich war. Ferner wurde im Rahmen von Climate-Engineering-Methoden, die Injektion von Sulfat-Aerosol in die Stratosphäre vorgeschlagen, um die globale Erderwärmung abzuschwächen. Dies könnte zusätzlich den Ozonabbau in der unteren Stratosphäre in mittleren Breiten verstärken. Motiviert durch diese Wissenslücken in unserem gegenwärtigen Verständnis von Ozonverlustprozessen in mittleren Breiten in der unter Stratosphäre, schlagen wir im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms 'Climate Engineering' ein Projekt vor, dass unter Bedingungen mit sowohl erhöhtem Wasserdampf als auch erhöhtem Sulfat-Aerosol den Ozonverlust analysiert. Unser Projekt basiert auf verschiedenen Simulationen mit dem drei-dimensionalen Chemie-Transport-Modell CLaMS mit dem Ziel die Details dieses neuen Ozonverlust-Mechanismus zu verstehen und zu quantifizieren. Ferner soll der mögliche Ozonverlustes unter Klima-Engineering-Bedingungen zuverlässig simulieren werden. Ein Algorithmus, der die Abhängigkeit des Ozonverlustes in mittleren Breiten von erhöhtem stratosphärischem Schwefel beschreibt, wird der Klima-Engineering-Community als Basis für weitere ökonomische Analysen zur Verfügung gestellt. Unsere Ergebnisse werden helfen zukünftige Entscheidungen über Klima-Engineering zu bewerten, um mögliche Risiken und Kosten für die Gesellschaft zu minimieren.

Schwefelverbindungen in der Atmosphaere

Dieses Projekt umfasst zum einen Untersuchungen zur Verweilzeit des SO2 in der Atmosphaere, zum anderen die Messung sehr niedriger SO2 und H2S Konzentrationen. Zur Bestimmung des Ausscheidungsgrades des SO2 am Boden wurden Vertikalprofile (parallel zu Feuchte und Windprofilen) an einem meteorologischen Turm aufgenommen; zur Untersuchung der Oxidationsgeschwindigkeit wurde die Schwefel-38 Aktivitaet (Halbwertszeit 4 h, Produktion durch Hoehenstrahlung) im SO2 und Sulfat gemessen.

Redox processes along gradients

The relevance of biogeochemical gradients for turnover of organic matter and contaminants is yet poorly understood. This study aims at the identification and quantification of the interaction of different redox processes along gradients. The interaction of iron-, and sulfate reduction and methanogenesis will be studied in controlled batch and column experiments. Factors constraining the accessibility and the energy yield from the use of these electron acceptors will be evaluated, such as passivation of iron oxides, re-oxidation of hydrogen sulfide on iron oxides. The impact of these constraints on the competitiveness of the particular process will then be described. Special focus will be put on the evolution of methanogenic conditions in systems formerly characterized by iron and sulfate reducing condition. As methanogenic conditions mostly evolve from micro-niches, methods to study the existence, evolution and stability of such micro-niches will be established. To this end, a combination of Gibbs free energy calculations, isotope fractionation and tracer measurements, and mass balances of metabolic intermediates (small pool sizes) and end products (large pool sizes) will be used. Measurements of these parameters on different scales using microelectrodes (mm scale), micro sampling devices for solutes and gases (cm scale) and mass flow balancing (column/reactor scale) will be compared to characterize unit volumes for organic matter degradation pathways and electron flow. Of particular interest will be the impact of redox active humic substances on the competitiveness of involved terminal electron accepting processes, either acting as electron shuttles or directly providing electron accepting capacity. This will be studied using fluorescence spectroscopy and parallel factor analysis (PARAFAC) of the gained spectra. We expect that the results will provide a basis for improving reactive transport models of anaerobic processes in aquifers and sediments.

Annual mean concentrations of (non-sea-salt) sulfur, non-sea salt chlorine, fluoride, insoluble particle concentrations from an array of 19 ice cores from Antarctica and seven ice cores from Greenland

We report annual mean (non-sea salt) sulfur concentrations from 19 ice cores in Antarctica including WD, WDC05Q, B40, NUS08-4, NUS08-5, NUS08-7, NUS07-2, NUS07-5 and NUS07-7 (all analyzed using inductively coupled plasma mass spectrometry, ICPMS) and SP01, SP04, SPC14, DML05, DML07, DF01, DFS10, EDC96, Taylor Dome and Talos Dome (all analyzed using ion chromatography, IC). The latter are based on measurements of sulfate divided by three to derive the equivalent sulfur concentration. Additional details about the ice-core sites and analytical procedures are provided in the Supporting Data of Gabriel et al., (submitted) and in the references below citing the original publications. We report annual mean (non-sea salt) sulfur concentrations from 7 ice cores in Greenland: NEEM(2011-S1), Humboldt, B19, TUNU2013, Summit2010-composite (all by ICPMS) and EGRIP and NGRIP1 (by IC) . We further report insoluble size-resolved particle concentrations for the TUNU2013, B19 and NEEM(-2011)S1 ice cores, and insoluble size-resolved particle concentrations and non-sea-salt chlorine records from the Summit2015 ice core. These records are used alongside ice-core crypto-tephra to characterize volcanic eruption sources and to quantify volcanic sulfur injections from volcanic eruptions between 1590 and 1710 CE.

Intensives Waldmonitoring ( IWM , Level II )

Das ICP-Forests-Programm agiert im Rahmen des UNECE-Übereinkommens über weiträumige grenzüberschreitende Luftverunreinigungen (Genfer Luftreinhaltekonvention, CLRTAP). Das Level-II-Monitoring ergänzt seit 1995 das Level-I-Monitoring. Hier werden Daten über Baumwachstum, Bodenvegetation, Bodenlösung, Bodenfestphase, nasse Deposition, Luftqualität, meteorologische Parameter, Phänologie, Streufall, Nadel- / Blattanalysen und sichtbare Ozonschäden erhoben, die umfänglich und hinsichtlich ihrer zeitlichen Auflösung weit über den Erhebungsrahmen des extensiven Waldmonitorings (Level I) hinausgehen. Die Daten werden in Deutschland auf ca. 50 - 90 Plots (Anzahl variiert je nach Parameter) erhoben. Verteilung Probenahmestandorte: Verteilung systematisch, so dass die Hauptwaldtypen Europas repräsentiert sind (kein Raster) Probenahmemethode: Die Probenahme für chemische Analysen erfolgt grundsätzlich nach Tiefenstufen. Satellitenbeprobung im Radius von 25 m mit einem inneren intensiver zu beprobenden Radius von 3 m. Für alle anderen Erhebungen ausführliche Angaben im ICP-Forests-Manual: https://www.icp-forests.net/monitoring-and-research/icp-forests-manual Entnahmetiefen: 0 bis 10 cm 20 bis 40 cm 40 bis 80 cm Untersuchungsmethode: Analysemethoden sind einheitlich festgelegt im ICP-Forests-Manual (s.o.). Untersuchungshäufigkeit: - bodenchemische Parameter alle 10 Jahre - Boden-Lösung fortlaufend - Blattnährstoffgehalte alle 2 Jahre - Baumdurchmesser und -höhen alle 5 Jahre - Boden-Vegetation mindestens alle 5 Jahre - atmosphärische Deposition fortlaufend - Bedingungen der Umgebungsluft fortlaufend - meteorologische Parameter fortlaufend - Phänologie mehrmals pro Jahr - Streufall fortlaufend - sichtbare Ozonschäden einmal pro Jahr - Kronenzustand jährlich Arbeitsgruppen / Gremien: - Expert Panel on soil and soils solution - Forest Soil Coordination Centre - Expert Panel on foliage and litterfall - Forest Foliar Coordinating Centre - Expert Panel on forest growth - Expert Panel on deposition - Working Group on ambient air quality - Expert Panel on crown condition - Ad hoc group on assessment of biotic damage causes - Expert panel on meteorology and phenology - Expert panel on biodiversity and ground vegetation - Quality Assurance Committee - Project Coordinating Group (PCG) - Scientific Advisory Group (SAG)

Geochemistry of pore waters from Fehmarn Belt area, southern Baltic Sea during cruise EMB238

The geochemical composition of surface sediments and pore waters from the Fehmarn Belt area, southern Baltic Sea, was analyzed in the context of the establishment of exclusion areas for bottom trawling activity. Samples were taken on cruise EMB238 in May/June 2020 using a multi corer or benthic lander device. Besides on-site measurements, further dissolved major and trace elements, dissolved inorganic carbon, nutrients were analyzed in home laboratory. Results are complemented by the analysis of potential microbial gross sulfate reduction rates and the geochemical composition of CNS and extractable sulfur (AVS, CrS(II), and acid-extractable Fe, Zn, Pb, Fe, Mn contents.

Geochemistry of sediments from Fehmarn Belt area, southern Baltic Sea during cruise EMB238

The geochemical composition of surface sediments and pore waters from the Fehmarn Belt area, southern Baltic Sea, was analyzed in the context of the establishment of exclusion areas for bottom trawling activity. Samples were taken on cruise EMB238 in May/June 2020 using a multi corer or benthic lander device. Besides on-site measurements, further dissolved major and trace elements, dissolved inorganic carbon, nutrients were analyzed in home laboratory. Results are complemented by the analysis of potential microbial gross sulfate reduction rates and the geochemical composition of CNS and extractable sulfur (AVS, CrS(II), and acid-extractable Fe, Zn, Pb, Fe, Mn contents.

Microbial sulfate reduction rates in sediments from Fehmarn Belt area, southern Baltic Sea during cruise EMB238

The geochemical composition of surface sediments and pore waters from the Fehmarn Belt area, southern Baltic Sea, was analyzed in the context of the establishment of exclusion areas for bottom trawling activity. Samples were taken on cruise EMB238 in May/June 2020 using a multi corer or benthic lander device. Besides on-site measurements, further dissolved major and trace elements, dissolved inorganic carbon, nutrients were analyzed in home laboratory. Results are complemented by the analysis of potential microbial gross sulfate reduction rates and the geochemical composition of CNS and extractable sulfur (AVS, CrS(II), and acid-extractable Fe, Zn, Pb, Fe, Mn contents.

Geochemistry of pore waters and microbial sulfate reduction rates in sediments from Fehmarn Belt area, southern Baltic Sea during cruise EMB238

The geochemical composition of surface sediments and pore waters from the Fehmarn Belt area, southern Baltic Sea, was analyzed in the context of the establishment of exclusion areas for bottom trawling activity. Samples were taken on cruise EMB238 in May/June 2020 using a multi corer or benthic lander device. Besides on-site measurements, further dissolved major and trace elements, dissolved inorganic carbon, nutrients were analyzed in home laboratory. Results are complemented by the analysis of potential microbial gross sulfate reduction rates and the geochemical composition of CNS and extractable sulfur (AVS, CrS(II), and acid-extractable Fe, Zn, Pb, Fe, Mn contents.

Total organic carbon in sediment cores from the Kiel Bight, SW Baltic Sea from 2016 to 2025

This dataset presents total organic carbon (TOC, wt%) contents in sediments at 19 stations in the Kiel Bight taken during the research cruises BE03/2016 (08.03.2016), BE10/2016 (19.10.2016), BE10/2018 (23.10.2018), BE03/2019 (15.03.2019), L23-13 (13.09.2023 - 15.09.2023), Sagitta24-1 (16.09.2024), Sagitta24-2 (23.09.2024), L25-2b (09.02.2025 - 17.02.2025) and EMB374 (04.09.2025 - 13.09.2025). Sediment cores (<50cm) were recovered using a Multicorer (MUC), Minicorer (MIC) or Rumohrlot (RL). The TOC analysis was performed using an Element Analyzer (Euro EA 3000). The data are used in combination with porewater and water column data to describe the sulfur geochemistry and cycling across different sites in the Kiel Bight and to identify the controlling factors governing the accumulation of hydrogen sulfide at the seafloor.

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