Methane (CH4) is a major greenhouse gas of which the atmospheric concentration has more than doubled since pre-industrial times. Soils can act as both, source and sink for atmospheric CH4, while upland forest soils generally act as CH4 consumers. Oxidation rates depend on factors influenced by the climate like soil temperature and soil moisture but also on soil properties like soil structure, texture and chemical properties. Many of these parameters directly influence soil aeration. CH4 oxidation in soils seems to be controlled by the supply with atmospheric CH4, and thus soil aeration is a key factor. We aim to investigate the importance of soil-gas transport-processes for CH4 oxidation in forest soils from the variability the intra-site level, down to small-scale (0.1 m), using new approaches of field measurements. Further we will investigate the temporal evolution of soil CH4 consumption and the influence of environmental factors during the season. Based on previous results, we hypothesize that turbulence-driven pressure-pumping modifies the transport of CH4 into the soil, and thus, also CH4 consumption. To improve the understanding of horizontal patterns of CH4 oxidation we want to integrate the vertical dimension on the different scales using an enhanced gradient flux method. To overcome the constraints of the classical gradient method we will apply gas-diffusivity measurements in-situ using tracer gases and Finite-Element-Modeling. Similar to the geophysical technique of Electrical Resistivity Tomography we want to develop a Gas Diffusivity Tomography. This will allow to derive the three-dimensional distribution of soil gas diffusivity and methane oxidation.
Peroxyradikale sind kurzlebige Spezies, die an den meisten Oxidationsprozessen in der Atmosphäre beteiligt sind, die zur Bildung von langlebigeren und chemisch oder toxikologisch wichtigen Schadstoffen wie Ozon führen. Insbesondere in Gebieten, die von komplexen Emissionsquellen betroffen sind, sind Peroxyradikal-Messmethoden mit ausreichender Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit erforderlich, um die chemische Umwandlung der städtischen Umweltverschmutzung zu verstehen. In dieser Hinsicht ermöglichen Vergleiche von state-of-the-art Sensoren in chemischen Reaktorkammern deren Charakterisierung unter kontrollierten Bedingungen und verbessern das Vertrauen in die Messung von Peroxyradikalen.SPRUCE strebt ein besseres Verständnis der Rolle der Peroxyradikale bei atmosphärischen chemischen Umwandlungen an, die aus der Wechselwirkung zwischen urbanen anthropogenen und ländlichen biogenen Emissionen resultieren. Im Rahmen der vorgeschlagenen Arbeit wird das vorhandene PeRCEAS-Instrument (Peroxy Radical Chemical Enhancement and Absorption Spectrometer) an der Messkampagne des internationalen Projekts ACROSS (Atmospheric ChemistRy Of the Suburban Forest) zur Untersuchung des Schadstoffausflusses von Paris über ein Waldgebiet, und in der internationalen Vergleichsstudie ROxCOMP22 für wissenschaftliche Instrumente, die atmosphärische Peroxyradikale teilnehmen. Diese beiden Messkampagnen befassen sich mit zwei Hauptaspekten von SPRUCE. Sie bieten eine einzigartige Gelegenheit für a) die Messung von Peroxyradikalen in der spezifischen Umgebung von Interesse und in Verbindung mit einer umfangreichen Reihe von Beobachtungen, die für die Interpretation der Radikalchemie von wesentlicher Bedeutung sind, und b) die Bewertung der Datenqualität und Leistungsfähigkeit von PeRCEAS, insbesondere die Überprüfung der Sensitivität und Effizienz für die Speziation der Radikale unter kontrollierten Bedingungen.Ein Schwerpunkt der Studie wird auf der Untersuchung von Oxidationsreaktionen und Ozonausbeuten in Luftmassen mit unterschiedlicher anthropogener/biogener Signatur in Abhängigkeit von der Menge und Zusammensetzung von Peroxyradikalen liegen. Numerische Berechnungen und Modelle werden durch die Beobachtungen von Vorläuferspezies eingeschränkt, um die Budgets von Peroxyradikalen abzuschätzen. Der Vergleich mit den PeRCEAS-Messungen wird verwendet, um das Verständnis der Oxidationsmechanismen in urbanen Plumes gemischt mit biogenen Emissionen zu testen. Es wird erwartet, dass die Analyse des resultierenden Datensatzes das aktuelle Wissen über die chemische Transformation von Megacity-Emissionen während des atmosphärischen Transports ergänzt.
Aktuelle wissenschaftliche Studien legen nahe, dass die aktuelle Erderwärmung durch Treibhausgasemissionen hervorgerufen wird, die vom Menschen verursacht sind. Um gegen diese Entwicklung geeignete Maßnahmen ergreifen zu können bzw. um zu überprüfen, ob solche Maßnahmen von Erfolg gekrönt sind, ist es notwendig, die Schadstoffkonzentrationen inklusive der zugehörigen Emissionsquellen genau zu kennen. Diese Informationen sind bisher jedoch sehr lückenhaft und beruhen auf sogenannten 'bottom-up' Berechnungen. Da diese Kalkulationen nicht auf direkten Messungen beruhen, weisen sie große Ungenauigkeiten auf und sind außerdem nicht in der Lage, bisher unbekannte Emissionsquellen zu identifizieren. In dem hier vorgestellten Projekt soll ein mesoskaliges Netzwerk für die Überwachung von Luftschadstoffen wie CO2, CH4, CO, NO2 und O3 aufgebaut werden, das auf dem neuartigen Konzept der differentiellen Säulenmessung beruht. Bei diesem Ansatz wird die Differenz zwischen den Luftsäulen luv- und leewärts einer Stadt gebildet. Diese Differenz ist proportional zu den emittierten Schadstoffen und somit eine Maßzahl für die Emissionen, welche in der Stadt generiert werden.Mithilfe dieser Methode wird es in Zukunft möglich sein, städtische Emissionen über lange Zeiträume hinweg zu überwachen. Damit können neue Informationen über die Generierung und Umverteilung von Luftschadstoffen gewonnen werden. Wir werden u.a. folgende zentrale Fragen beantworten: Wie verhält sich der tatsächliche Trend der CO2, CH4 und NO2 Emissionen in München über mehrere Jahre? Wo sind die Emissions-Hotspots? Wie akkurat sind die bisherigen 'bottom-up' Abschätzungen? Wie effektiv sind die Maßnahmen zur Emissionsreduzierung tatsächlich? Sind vor allem für Methan weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen notwendig? Zu diesem Zweck werden wir ein vollautomatisiertes Messnetzwerk aufbauen und passende Methoden zur Modellierung entwickeln, welche u.a. auf STILT (Stochastic Time-Inverted Lagrangian Transport) und CFD (Computational Fluid Dynamics) basieren. Mithilfe der Modellierungsresultate werden wir eine Strategie entwerfen, wie städtische Netzwerke zur Überwachung von Luftschadstoffen aufgebaut werden müssen, um repräsentative Ergebnisse zu erhalten. Außerdem können mit den so gewonnenen städtischen Emissionszahlen z.B. dem Stadtreferat, den Stadtwerken München oder der Bayerischen Staatsregierung Möglichkeiten zur Beurteilung der Effektivität der angewandten Klimaschutzmaßnahmen an die Hand gegeben werden. Das hier vorgestellte Messnetzwerk dient somit als Prototyp, um die grundlegenden Fragen zum Aufbau eines solchen Sensornetzwerks zu klären, damit objektive Aussagen zu städtischen Emissionen möglich werden. Dieses Projekt ist weltweit einmalig und wird zukunftsweisende Ergebnisse liefern.
Agriculture is the major contributor of nitrogen to ecosystems, both by organic and inorganic fertilizers. Percolation of nitrate to groundwater and further transport to surface waters is assumed to be one of the major pathways in the fate of this nitrogen. The quantification of groundwater and associated nitrate flux to streams is still challenging. In particular because we lack understanding of the spatial distribution and temporal variability of groundwater and associated NO3- fluxes. In this preliminary study we will focus on the identification and quantification of groundwater and associated nitrate fluxes by combining high resolution distributed fiber-optic temperature sensing (DTS) with in situ UV photometry (ProPS). DTS is a new technique that is capable to measure temperature over distances of km with a spatial resolution of ca1 m and an accuracy of 0.01 K. It has been applied successfully to identify and quantify sources of groundwater discharge to streams. ProPS is a submersible UV process photometer, which uses high precision spectral analyses to provide single substance concentrations, in our case NO3-, at minute intervals and a detection limit of less than 0.05 mg l-1 (ca.0.01 mg NO3--Nl-1). We will conduct field experiments using artificial point sources of lateral inflow to test DTS and ProPS based quantification approaches and estimate their uncertainty. The selected study area is the Schwingbach catchment in Hessen, Germany, which has a good monitoring infrastructure. Preliminary research on hydrological fluxes and field observations indicate that the catchment favors the intended study.
The goal of this project is to quantify freshwater fluxes in the ocean, and improve our understanding of their temporal and spatial changes in terms of the interaction between ocean transport processes, surface net freshwater fluxes and river run-off, as well as mixing processes in the ocean. In particular, we aim at combining all available ocean salinity/freshwater data (including novel satellite-based salinity retrievals and ARGO data), surface freshwater fluxes (including HOAPS and NCEP net surface freshwater fluxes) and river discharge with a numerical model to improve our understanding of net surface sources of freshwater, near-surface freshwater budgets, and full-depth ocean freshwater transports. Respective sub-goals entail: -Improving the quality of SMOS and Aquarius surface salinity data and estimating respective error information required for their subsequent analysis and assimilation. - Expansion of the GECCO data assimilation system to incorporate surface salinity fields. - Evaluation of the sensitivity of subsurface salinity to freshwater fluxes (incl. run-off), surface salinity fields and subsurface salinity changes. - Estimates of surface and subsurface salinity fields, ocean transports of freshwater (including surface freshwater fluxes) from monthly mean SMOS and Aquarius fields, ARGO salinities and underway salinity measurements. - Quantifying the role of surface forcing (E-P-R) versus lateral transports and mixing of freshwater in modulating the freshwater content as function of depths and geographical position. Providing a best possible description of salinity changes and underlying processes in the Atlantic Ocean.
In this project we experimentally explore the transport of engineered inorganic nanoparticles (EINP) through soils. This is done for original EINPs and some pre-aged form. Transport of NPs in soil is expected to be different from that of reactive solutes, in that hydrodynamic drag, inertial and shear forces as well as the affinity to water-gas interfaces are expected to be more relevant. Hence, the mobility of EINPs in soil is highly sensitive to the morphology of the porous structure and the dynamics of water saturation.This project provides the pore network structure for natural soils using X-ray micro-tomography to allow for an up-scaling of pore-scale interactions explored by project partners to the scale of soil horizons. The pore structure is represented by a network model suitable for pore scale simulations including the dynamics of water-gas interfaces.Pore network simulations will be compared to column experiments for conservative tracers as well as for unaltered and pre-aged EINPs (obtained from INTERFACE). This includes steady state flow scenarios for saturated (ponding) and unsaturated conditions as well as for transient flow to explore the impact of moving water-gas interfaces. The final goal is to arrive at a consistent interpretation of experimental findings and numerical simulations to develop a module for modelling EINP transfer through soil as a function of particle properties, soil structural characteristics and external forcing in terms of flux boundary conditions.
Gasaustausch findet in der Atmosphäre primär durch turbulenten und laminaren Fluss statt. Im Boden dagegen spielt advektiver Gastransport eine untergeordnete Rolle, stattdessen dominiert Diffusion die Transportprozesse. Trotz der Unterschiedlichkeit und scheinbaren Unabhängigkeit dieser Prozesse wurde während Freilanduntersuchungen ein Anstieg von Gastransportraten im Boden um mehrere 10 % während Phasen starken Windes beobachtet. Dieser Anstieg ist auf wind-induzierte Druckfluktuationen zurückzuführen, die sich in das luftgefüllte Porensystem des Bodens fortpflanzen und zu einem minimal oszillierenden Luftmassenfluss führen (Pressure-pumping Effekt). Durch den oszillierenden Charakter des Luftmassenflusses ist der direkte Beitrag zum Gastransport sehr gering. Die damit einhergehende Dispersion führt jedoch zu einem Anstieg der effektiven Gastransportrate entgegen des Konzentrationsgradienten. Wird der Pressure-pumping (PP) Effekt bei der Bestimmung von Gasflüssen mit der Gradienten- und Kammermethode nicht berücksichtigt, kann dies zu großen Unsicherheiten in der Bestimmung von Bodengasflüssen führen. Insbesondere für das langfristige Monitoring von treibhausrelevanten Gasflüssen stellen diese Unsicherheiten ein zentrales Problem dar. Wir stellen vier Hypothesen auf:(H1) Der PP-Effekt ist abhängig von Bodeneigenschaften.(H2) Die Ausprägung von Luftdruckfluktuationen ist abhängig von der Rauigkeit verschiedener Landnutzungen (Wald, Grasland, landwirtschaftliche Kulturen, Stadt)(H3) Kammermessungen werden durch Luftdruckfluktuationen beeinflusst.(H4) Der Austausch und Umsatz von Methan in Böden von Mittelgebirgswäldern wird durch den PP-Effekt verstärkt. Die Hypothesen 1, 3 und 4 werden mittels Laboruntersuchungen von Proben verschiedener Böden und Bodenfeuchtebedingungen überprüft. Die Hypothese 2 wird durch Freilandmessungen an verschiedenen Standorten überprüft. Ziele des Vorhabens sind: (Z1) Modelle zu entwickeln, die die Quantifizierung des Einflusses der Bodenstruktur auf den PP-Effekt ermöglichen, (Z2) den Effekt der Oberflächenrauigkeit auf Luftdruckschwankungen zu quantifizieren, (Z3) Schwellenwerte zu definieren, die die Bestimmung von Standorten mit ausgeprägtem PP-Effekt ermöglichen, (Z4) Faktoren für die Berücksichtigung des PP-Effekts für Kammermessungen zu entwickeln, (Z5) Faktoren für die Berücksichtigung des PP-Effekts für die Gradienten Methode zu entwickeln, (Z6) den Einfluss des PP-Effekts auf die Methanaufnahme von Böden in Mittelgebirgswäldern zu bestimmen. Ein besseres Verständnis des bisher nur unzureichend untersuchten PP-Effekts wird wesentlich dazu beitragen, die Verlässlichkeit und Präzision von Messungen von Bodengasflüssen zu steigern, die die Grundlage für weitergehende Forschung darstellen.
During the first project period we developed a general approach to quantify soil pore structure based on X-ray micro-tomography Vogel et al. (2010) which is applicable at various scales to cover soil pores larger that 0.05 mm in a representative way. Based on this method we generated equivalent network models to numerically simulate flow and transport of dissolved chemicals. The existing network model was extended to handle reactive transport and infiltration processes which are especially critical for matter flux in soil. The results were compared to experimental findings. The original research question 'what does a particle see on its way through soil' could be answered quantitatively for various boundary conditions including steady state flux and infiltration. However, we identified various critical aspects of the proposed modeling concept which will be in the focus of the second period. This includes 1) the spatial arrangement of interfaces having different quality which is crucial for chemical interactions and pore scale water dynamics, 2) the realistic multiphase dynamics at the pore scale which need to reflect the dynamic pressure and movement of trapped non-wetting phase and 3) the parametrization of structural complexity which need to be developed beyond the measurement of continuous Minkowski functions to allow the development of quantitative relations between structure and function. These aspects will be explored in a joint experiments in cooperation with partners within the SPP.
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.
The detritusphere is an excellent model to study microbial-physicochemical interactions during degradation of the herbicide MCPA. Whereas during the first phase of SPP 1315 we focused on bacterial and fungal abundance at the soil litter interface and carbon flow between different compartments, the second phase will be devoted to elucidating complex regulation mechanisms of MCPA degradation in the detritusphere: (1) At the cellular level, co-substrate availability and laccase abundance might be important regulators, (2) at the community level, bacteria harbouring different classes of tfdA genes might control degradation of MCPA and (3) at the microhabitat level, interaction between MCPA degraders and organo-mineral surfaces as well as transport processes might be important regulators. The concept of hierarchical regulation of MCPA degradation will be included into the modelling of small-scale microbial growth, MCPA transport and MCPA degradation near the soil-litter interface.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 227 |
| Europa | 7 |
| Land | 1 |
| Wissenschaft | 113 |
| Zivilgesellschaft | 1 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 227 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 227 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 56 |
| Englisch | 200 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 166 |
| Webseite | 61 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 200 |
| Lebewesen und Lebensräume | 211 |
| Luft | 178 |
| Mensch und Umwelt | 225 |
| Wasser | 184 |
| Weitere | 227 |