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Spurenelementkreisläufe und Flüsse im südlichen Indischen Ozean - ein Beitrag zu GEOTRACES

Der südliche Indische Ozean gehört zu den am wenigsten untersuchten Meeresgebieten. Entlang eines zonalen Transekts bei 23°S im südlichen Indischen Ozean wollen wir mit Hilfe der Verteilung von isotopischen Tracern (Radiumisotope, Thorium, Helium) die Quellen, die Senken und die Flüsse von Spurenelementen (TEs: Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, V, Zn) in der Wassersäule untersuchen. Die Anwendung von Radiumisotopen (224Ra, 223Ra, 228Ra,226Ra,), Thoriumisotopen (234Th, 232Th) und Heliumisotopen (3He, 4He) erlaubt ein besseres Verständnis der biogeochemischen Zyklen von TEs. Da einige dieser Spurenelemente als Mikronährstoffe fungieren, wollen wir ihre biogeochemischen Kreisläufe und ihre Wechselwirkungen mit der Bioproduktivität im Oberflächenwasser sowie ihre Wechselwirkungen mit den Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufen erforschen. Durch die Kombination von Messungen von TEs mit Radium- und 234Th-Isotopen als Tracer für vertikale und horizontale Flüsse, 232Th als Tracer für den Staubeintrag und Heliumisotope als Tracer für einen hydrothermalen Eintrag, werden wir die Zufuhrpfade von TEs aus der Atmosphäre, den Kontinenten (hauptsächlich dem Sambesi-Fluss), den Sedimenten der afrikanischen und australischen Kontinentalschelfe und aus den hydrothermalen Quellen (Hydrothermalismus am Mittelindischen Ozeanrücken) bestimmen und quantifizieren. Diese Untersuchungen sollen auf Probenmaterial basieren, das während der Sonne Ausfahrt SO-276 (Juli – August 2020) von Durban (Südafrika) nach Fremantle (Australien) gewonnen wird. Unsere Untersuchungen sind Teil des international koordinierten Programms GEOTRACES und werden zum „Second Indian Ocean Expedition Program (IIOE-2)“ beitragen. Wir erwarten, dass die Ergebnisse der vorgesehenen Untersuchungen einen signifikanten Beitrag zum Verständnis von Ökosystemen und ihrem chemischen Milieu liefern werden.

Innovatives chemisches Schadstoff-Tracking im Meer, Teilprojekt B

Schwerpunktprogramm (SPP) 1803: EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota, Feuerinduzierte Elementumverteilung und -verluste in der Verwitterungszone

Das Extremereignis Feuer gilt als zentraler geomorphologischer Faktor, da es in kürzester Zeit zu wesentlichen Verlusten der Nähr- und Ballastelemente aus Ökosystemen führt. Feuer in (semi-)ariden, mediterranen und semihumiden Waldökosystemen verursachen dramatische Umverteilungen und Verluste von allen Elementen, die zuvor von Mikroorganismen im Saprolit mobilisiert und durch die Vegetation an die Oberfläche transportiert wurden. In der 1. Projektphase wurde die durch Wurzelkohlenstoff induzierte mikrobielle Elementmobilisierung sowie die pflanzliche Nährstoffaufnahme aus Boden und Saprolit untersucht. In der 2. Phase werden Elementverluste durch Feuer in Interaktion mit den Brandeffekten auf mikrobielle Gemeinschaften und deren Funktionen aufgeklärt. Nach kontrollierten Bränden und in natürlichen Brandchronosequenzen werden die aus Boden und Saprolit mobilisierten Elementpools bestimmt und die Gehalte verfügbarer Nährstoffe und Balastelemente ermittelt. Elementverluste durch Auswaschung und Erosion werden mittels Tracern für N, K, Ca und Si quantifiziert. Die fatalen Effekte von Feuer auf mikrobielle Gemeinschaften und Funktionen werden durch die relative Häufigkeit von symbiotischen und saprotrophen Pilzphyla, diazotrophen Organismen, Phospholipidfettsäuren (PLFA) sowie Enzymaktivitäten im Oberboden untersucht. Die mikrobielle Sukzession nach Brand wird mit Fokus auf stresstolerante und mineralverwitternde Pilze erforscht. Die Klärung der funktionellen Rolle von Pilzen und Bakterien wird durch den Vergleich der qPCR-Analyse mit Hochdurchsatzsequenzierung unterstützt. Besonderer Fokus liegt auf den Pilzen, welche unter aeroben Bedingungen an Gesteinsoberflächen und an der Wurzel-Boden-Grenzfläche Nährstoffe mobilisieren. Stresstolerante Pilze (i) bilden direkten Kontakt mit Mineralien, fördern die chemische Verwitterung von Nährstoffen aus Primärmineralien und (ii) können die Wiederbesiedlung des kahlen Bodens nach Feuer beschleunigen. Die kurz- und mittelfristige Sukzession mikrobieller Gemeinschaften wird mit der zu erfassenden Zunahme der Enzymaktivitäten und der Mobilisierung und Akkumulation der Nährstoffe im Oberboden verglichen. Alle Studien werden entlang des Klimagradienten von Pan de Azucar nach Nahuelbuta durchgeführt, um Niederschlagseffekte auf die absoluten und relativen Verluste von Nährstoffen und Ballastelementen nach Feuer sowie auf die Erholung der Ökosysteme aufzuklären. Die Ergebnisse der 1. Phase ermöglichen die Verallgemeinerung der Nährstoffkreisläufe stabiler Ökosysteme im Fließgleichgewicht. Die Ergebnisse der 2. Phase erlauben die Generalisierung der Folgen des Extremereignisses Feuer auf Elementverluste und nachfolgende Remobilisierung durch Verwitterung im Verlauf der Sukzession. Da die Aridisierung und damit die Feuerhäufigkeit weltweit zunehmen, ist die aus diesem Projekt erwartete Vorhersage ökosystemarer Nährstoffverlusten und die Konsequenzen für eine verstärkte Verwitterung von globaler Relevanz.

Aerosolpartikel in der Outflow-Region des Asiatischen Monsuns: Zusammensetzung und Bildungsprozesse

Der asiatische Monsun spielt eine wichtige Rolle beim Verständnis der chemischen und klimarelevanten Prozesse in der globalen Atmosphäre, nicht zuletzt wegen seines Einflusses auf die Aerosol- und Wolkeneigenschaften in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre. Bereits seit einigen Jahren wird die sogenannte Asian Tropopause Aerosol Layer (ATAL) mit Fernerkundungsmethoden und Ballon-basierten Messungen untersucht. Es existieren allerdings nur wenige in-situ Beobachtungen innerhalb der ATAL, beziehungsweise in der Ausströmregion (Outflow) des asiatischen Monsuns in Richtung mittlere Breiten, die Informationen über die chemischen Zusammensetzung der Aerosolpartikel geben. Es wird davon ausgegangen, dass die Luftmassen im Outflow des asiatischen Monsuns Aerosolpartikel enthalten, die aufgrund von photochemischer Prozessierung und sekundärer Bildung während des Transports veränderte Eigenschaften aufweisen. Diese Prozesse haben einen Einfluss auf die Fähigkeit der Partikel zur Eisnukleation und damit wiederum auf den indirekten Klimaeffekt dieser Partikel. Dieser Antrag zielt daher auf die in-situ Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der Aerosolpartikel im submikrometer Bereich ab. Wir schlagen vor, das Hybrid-Aerosolmassenspektrometer ERICA (ERC instrument for the chemical composition of aerosols) im Rahmen der PHILEAS Kampagne auf dem Forschungsflugzeug HALO einzusetzen. Das ERICA kombiniert zwei Typen von Aerosolmassenspektrometrie-Methoden und ermöglicht es somit, zeitgleich Einzelpartikel- und Ensemblemessungen zur chemischen Zusammensetzung durchzuführen. Zusätzlich wird die Messkapazität zum einen durch den Einbau eines Impaktors erweitert, welcher eine spätere offline-Analyse der Partikel mittels Röntgenstrahlung und Elektronenmikroskopie ermöglicht. Zum anderen wird ein neuer Messmodus zur quantitativen chemischen Analyse von Einzelpartikeln in das ERICA integriert. Dieser Datensatz, zusammen mit Spurengasmessungen und der lagrangeschen Modellierung der Luftmassenherkunft, wird somit die Untersuchung von Quellen, Bildungsprozessen sowie der photochemische Entwicklung der Aerosolpartikel während des Transports ermöglichen.

Übertragung von Resistenzgenen gegen den Wurzelgallennematoden Meloidogyne hapla und den Zystennematoden Heterodera carotae aus Möhren-Wildformen in die Kulturmöhre für die Nutzung im Ökolandbau

Bewertung der physiologischen Plastizität und genetischen Variabilität der Kiefer (Pinus sylvestris L.) an ihrer westlichen Verbreitungsgrenze unter den Bedingungen des Klimawandels, Teilvorhaben 2: Bewertung der Variabilität der Kiefer auf der Grundlage von Chemotypen

Porewater chemistry, iron extractions, metabolic rates and microbial analyses from Boknis Eck sediments from January 2022 until March 2023

We collected sediments for pore water analyses via IC, ICP-OESm H2S and Alkalinity measurements, conducted sequential Fe-extractions, determined O2 consumption rates via an enclosed mini Chamber, measured sulfate reduction rates via 35S-SO4 tracer and conducted 16S rRNA amplicon gene analyses (seqeuncing Illumina). Data was generated from Boknis Eck sediments from January 2022 until March 2023.

Nitrate and hydrogen sulfide concentrations of the water column in the Kiel Bight, SW Baltic Sea from 2018 to 2025

This dataset presents hydrogen sulfide (H2S) and nitrate (NO3-) concentrations in the water column at 15 stations in the Kiel Bight taken during the research cruises BE10/2018 (23.10.2018), BE03/2019 (15.03.2019), L23-13 (13.09.2023 - 15.09.2023), Hai24VE2 (24.09.2024) and EMB374 (04.09.2025 - 13.09.2025). Water samples were collected using Niskin bottles attached to a stainless-steel framework with CTD sensors. Concentrations of H2S and NO3- were measured photometrically (Hitachi U-2900). The data are used to describe seasonal hypoxia in the Kiel Bight water column and are combined with sediment and porewater data to identify controlling factors governing the accumulation of H2S at the seafloor. Furthermore, we compare the H2S measurements from the deepest Niskin bottle with bottom water H2S concentrations obtained from the benthic tracer profiler and from the overlying water in sediment cores. This allows us to illustrate H2S trends from several meters above the seafloor down to the sediment-water interface, and to discuss advantages and limitations of the different sampling techniques in characterizing geochemical conditions in the benthic environment.

Global database of sedimentary excess thorium-234 (Th-234) in and near submarine canyons

This global compilation was generated to explore the application of thorium-234 (234Th) as a tracer for recent sedimentation in submarine canyons. Submarine canyons are located along the continental margins, including the shelf regions, which are disproportionally relevant for the carbon cycle and other essential biogeochemical processes. These geomorphological features can act as funnels for particles and represent a strong connection between land and the open ocean. The continental margins encompass dynamic environments, granting the necessity to use tracers capable of quantifying short-term events. 234Th is a particle reactive radionuclide that gets scavenged onto particles in the water column and, due to its short half-life of 24.1 days, it allows estimating the magnitude of recently deposited sediment on the seabed over the previous ~4 months. Excess 234Th (234Thxs) with respect to 234Th in secular equilibrium with its parent nuclide uranium-238 can be used to calculate excess 234Th inventories as a proxy of recent sediment deposition (Aller and Cochran, 1976). Moreover, the vertical profile of 234Thxs in surface sediment also serves for estimation of mixing rates when sedimentation rates are sufficiently low. This has advantages over the classic and extensively used lead-210 dating method with a decadal integration period (Arias-Ortiz et al., 2018), since the relatively short time scale of 234Th can match the occurrence of recent short deposition events, thus revealing the impacts of potential recent riverine runoff, trawling-derived deposition or phytoplankton blooms, among others. To compile these data we conducted a search across Google Scholar (last accessed: 03-Sep-2025 ) for periods encompassing 1979-2025, and obtained 123 search results using the terms: (Excess 234Th OR Excess 234 Th OR Excess Th-234 OR Excess Thorium-234) AND (submarine canyon OR canyon OR off-shelf) AND (sediment core OR sediment samples OR core OR gamma spectrometry OR gamma spectroscopy OR gamma counting OR radiochemical analysis OR radioisotopic). After thorough inspection of the publications, those reporting sedimentary 234Th data in canyon environments were selected, resulting in a compilation of data from a total of 26 publications from 20 different canyons. Data on 234Thxs parameters, sampling methodology, and contextual information of sediment cores obtained in submarine canyon environments were carefully extracted using the information given in the main text, tables, figures, and supplementary files. Latitude, longitude and sampling dates were assigned to the midpoint or the sampling month when not explicitly stated. Gamma spectrometry was applied as the counting method, with one exception measured by beta counting. Empty cells represent missing data. In 12 studies, data was also provided from the shelf, slope or abyssal plain near the canyon. The compilation includes surface 234Thxs activities, 234Thxs penetration depths, 234Thxs inventories and mixing rates (Db) from canyon studies with coring sites inside canyons, spanning a depth range from 120 to 4280 m and, additionally, near those canyons. In canyons, the most frequently provided parameter is the surface 234Thxs activity (19 of 26 studies) ranging from 20 to 4040 Bq kg-1with a mean value of 520 Bq kg-1. 10 of 26 studies reported 234Thxs inventories, showing high variability with a range of values between 10 and 50700 Bq m-2 and a mean value of 2860 Bq m-2. 10 of 26 studies reported (or provide enough data for extraction of) 234Thxs penetration depths (mean of 2 cm, ranging from 0.4 to 24 cm). The least frequently reported 234Thxs parameter is mixing rate (6 of 26 studies) yet encompassing a large range of values from 0.2 to 68.7 cm2 y-1 with a mean of 6.9 cm2 y-1.This database provides an overview of the variability of recent sediment deposition patterns as well as other sedimentary parameters derived from 234Th measurements across canyons distributed globally. Advancing the characterization of short-term sedimentary signatures using 234Th is promising and relevant in canyon environments, which represent a crucial link in the land-ocean interface.

Die globale Verteilung von 14 CO als Indikator fuer OH-Radikale

Natuerliches 14 CO wird in der Atmosphaere hauptsaechlich durch kosmische Strahlung gebildet. Es wird dann fast ausschliesslich durch Reaktion mit OH-Radikalen zu 14 CO2 oxidiert. Die Produktionsrate ist sehr gut bekannt; Messungen der 14 CO-Verteilung lassen daher direkte Schluesse auf die entsprechende OH Verteilung zu. Zur Messung wird zunaechst das Kohlenmonoxid aus ca. 100 Kubikmeter Luft chemisch abgetrennt. Anschliessend wird der 14 C Gehalt in einer speziellen 'low level'-Zaehlapparatur mit geringem Volumen bestimmt. Bisher wurden Messungen in der Nordhemisphaere am Boden durchgefuehrt (Vols et al., 1979, 1980, 1981). Ergaenzende Messungen in der hoeheren Atmosphaere sowie der Suedhemisphaere zur besseren Absicherung der ermittelten OH-Verteilung sind in Vorbereitung.

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