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Distribution and concentration of nutrients, carbon compounds and methane in water samples in the southern German Bight (North Sea) in September 2024 during the MOSES Sternfahrt 12

The 12th Sternfahrt of the ElbeXtreme and MOSES projects took place in 2024 from September 02 to 13, within the area of the German Bight (North Sea). Its objective was to get a more systematic grid of sampling data by spatially integrated onboard sensors. Therefore, the MOSES-laboratory container was installed again. Water samples were taken from the surface with a rosette or via Niskin bottles. The first part of the cruise was conducted by the research vessel (RV) Ludwig Prandtl, starting on the 2nd of September on Heligoland. From there, the crew navigated towards Cuxhaven covering some stations from previous MOSES cruises. For the next days, the ship followed a rectangular track, shifting northward each day, heading towards Heligoland again. Due to strong winds, the sampling stations were reduced to three on the last day. On Heligoland the RV Mya II took over the laboratory container and other sampling equipment for the second part of the cruise. Persistent strong winds delayed the start of the cruise until September 11. Since most of the planned stations were already covered from the RV Ludwig Prandtl, the crew decided to expand the sampling area using a more systematic zig-zag line. With the return of Mya II in the afternoon of the 13th September 2024, the campaign was successfully finished.

Zooplankton abundance, biomass, body size and species diversity in the East Frisian Wadden Sea in 2015-2024

The Lower Saxony Water Management, Coastal and Nature Protection Agency started a zooplankton survey in 2015, regularly monitoring the abundance, biomass, body size, and species composition in the East Frisian Wadden Sea. A total of max. 10 stations are sampled monthly from March to October. Samples are taken using a Hydrobios Apstein net, 150 µm mesh size, hauled from 10 meters depth to the surface at constant speed (0.67 m/s). The net has an opening of 40 cm in diameter, and is attached to a cone with a 17 cm wide opening. Samples are collected with three vertical hauls, pooled together, and stored in a 1L container fixed with borax-buffered formalin (5%). Samples are analyzed in accordance with the standard procedure DIN EN 17204:2020-09 to measure abundance, dry and wet weight, and taxonomic composition. Organisms were counted and identified up to the species (if possible) or genus level using a Bogorov-Chamber and a stereoscopic magnifier. The unaccepted or original names of species are given in the 'Species UID' variable, and the accepted identifications are given in the 'Species' variable. The data provides a detailed time series of zooplankton species composition, biomass, body size and species distribution from 2015 to 2024 in the East Frisian Wadden Sea.

Vertikaler turbulenter Aerosolpartikeltransport über offenem Wasser und Eis in der zentralen Arktis während des Sommers - Aerosolpartikelquellen und -umwandlung in der arktischen marinen Grenzschicht

In der Arktis ist aktuell die stärkste Temperaturerhöhung im Zuge des Klimawandels zu beobachten. Diese Tatsache beruht auf einer komplexen Kette von Prozessen und Rückkopplungen, in denen Aerosolpartikel durch ihren Einfluss auf Strahlungsbilanz und Wolkenbildung eine wesentliche Rolle spielen. Um die Auswirkungen der sich ändernden Eisbedeckung abschätzen zu können, müssen die Wechselwirkungen zwischen Ozean sowie Eis und der Atmosphäre besser verstanden werden. Grundsätzlich mangelt es besonders im Bereich des arktischen Ozeans an atmosphärischen Messungen, die zum Verständnis der Prozesse aber auch zur Vorhersage der zu erwartenden Änderungen dringend benötigt werden. Austauschprozesse zwischen Ozean/Eis und Atmosphäre sind in diesen Regionen ebenfalls wenig untersucht. Im Rahmen dieses Projektes sollen mithilfe der RV Polarstern vertikale Austauschprozesse oberhalb von Wasser und Eis im Detail betrachtet werden und damit verbundene Quellen für Aerosolpartikel lokalisiert werden. Dazu ist eine Reihe von kontinuierlichen Aerosolmessungen an Bord des Schiffes geplant, die die Anzahlgrößenverteilungen, optische Parameter (Streuung, Absorption), das Mischungsverhältnis von Partikeln, die schwarzen Kohlenstoff (BC) enthalten, die Konzentration von eisbildenden Partikeln (INP) sowie die chemische Zusammensetzung der Aerosolpartikel umfassen. Weiterhin werden in den im Sommer häufig auftretenden Nebelphasen Nebelwasserproben gesammelt, sowie während der gesamten Kampagne täglich Wasserproben aus dem Ozean entnommen. Diese Proben werden nach der Kampagne auf die Konzentration von INP und BC untersucht. Weiterhin sollen erstmals mit Laser-Inkandeszenz Methoden die BC-Konzentrationen sowohl im luftgetragenen Aerosol als auch in Wasserproben gemessen werden. Zur Vorbereitung der Wasserproben mit hoher Salinität werden neuartige Methoden angewandt. Durch diese Kombination der parallelen Untersuchung von Bestandteilen in Luft und Wasser sollen Transport- und Austauschprozesse dieser Aerosolpartikel quantifiziert werden. Während langsamer Fahrt des Schiffes oder Drift mit dem Eis wird Messtechnik zur Bestimmung von vertikalen Partikelflüssen am vorderen Ausleger des Schiffes eingesetzt. Damit werden Zeitreihen des Windvektors und der Partikelkonzentration erfasst, mit deren Hilfe im Anschluss der vertikale, turbulente Partikelfluss über unterschiedlichen Oberflächen durch die Eddy Kovarianz Methode bestimmt werden soll. Kombiniert mit diesen Messungen wird die Konzentration der INP erfasst, um deren Ursprung und Quellen lokalisieren zu können. Ein weiteres Messsystem, das aus einer eindimensionalen Windmessung und einem Partikelzähler besteht, wird am Kranhaken des vorderen Auslegers befestigt und bestimmt Vertikalprofile der Partikelkonzentration, aus denen ebenfalls eine Abschätzung des Vertikalflusses von Partikeln möglich ist. Diese Methoden sind erprobt und etabliert, wurden nur bisher noch nie in dieser Form über dem arktischen Ozean angewendet.

Surface measurements of phytoplankton abundance, biomass, cell size and species diversity in the East Frisian Wadden Sea in 2020-2024

The Lower Saxony Water Management, Coastal and Nature Protection Agency regularly monitors the abundance, biomass, cell size and species composition of phytoplankton species in the East Frisian Wadden Sea. A total of 5 stations are sampled from a monthly to weekly frequency, either throughout the whole year or from March to October. Samples are taken at the surface using a bucket, and kept in 5L canisters to be stored in the cold and dark until subsequent fixation with Lugol's iodine solution and later microscopic analysis. An inverted microscope was used to identify and analyze phytoplankton samples following Utermöhl (1958). The unaccepted or original names of species are given in the 'Species UID' variable, and the accepted identifications are given in the 'Species' variable. The data provides a detailed time series of phytoplankton abundance, biomass, cell size and species composition from 2020 to 2025 in the East Frisian Wadden Sea surface waters.

Annotated and filtered molecular formulas associated with dissolved organic matter molecular composition data of exemplary water masses resolved by online LC-FT-Orbitrap-MS

The unique chromatographic behaviour of DOM was investigated on three exemplary water samples representing coastal DOM, oceanic surface DOM and oceanic refractory DOM. Weddell Sea surface (30 m depth, oceanic surface DOM) and deep water (1356 m depth, refractory DOM) was sampled with a rosette sampler on RV Polarstern during ANT XXII/2 (station PS67/006-130, latitude -67.5633, longitude -55.3448) and are described elsewhere (El Naggar et al., 2007; Koch et al., 2008). Coastal DOM is routinely extracted from southern North Sea (latitude 54.1447, longitude 7.8711) and used as an in-house laboratory standard. Mass spectra were obtained with liquid chromatography coupled to a Fourier-transform Orbitrap mass spectrometer (LC-FT-Orbitrap-MS) with negative electrospray ionisation. A Q-Exactive Plus (Thermo Fisher Scientific, Bremen, Germany) was coupled to an ultra-performance liquid chromatography system (UPLC, Vanquish, Thermo Fisher Scientific, Bremen, Germany).Reversed phase chromatography was done with a C18 column (Waters AQUITY 2 x 100 mm, 1.7 µm) column at 0.3 mL min 1 and a linear gradient: A (ultrapure water, 4 mmol L 1 ammonium formate) 2 min: 99 %, 11 min: 0 %, 14.9 min: 99 %; B (MeOH, 4 mmol L 1 ammonium formate) 2 min: 1 %, 11 min: 100 %, 14.5 min 100 %, 14.9 min 1 %. The exact mass lists and intensities of the 1.1 min binned scans were exported with the Xcalibur software package (Thermo Electron Corporation). Scans were calibrated with an in-house script. Molecular formulas were assigned with the following elemental composition: 12C≤∞1H≤∞16O≤∞14N≤232S≤1 within 0.8 ppm mass deviation, and filtered with the Ultra Mass Explorer (UME, www.awi.de/en/ume, (Leefmann et al., 2019)).

A global database of dissolved organic matter (DOM) concentration measurements in coastal waters (CoastDOM v.1)

This global database (CoastDOM v.1) contains both previously published and unpublished measurements of Dissolved organic carbon (DOC), nitrogen (DON) and phosphorus (DOP) in coastal waters. The dataset also contains hydrographic data such as temperature and salinity and, to the extent possible, other biogeochemical variables (e.g., Chlorophyll-a, inorganic nutrients) and the inorganic carbon system (e.g., dissolved inorganic carbon and total alkalinity). The data included were collected from 1978 to 2022 and consist of 62339 data points for DOC, 20360 for DON and 13440 for DOP.

Export von organischem Kohlenstoff aus Islands Gletschern: Quantifizierung, Herkunft und Kohlenstoffflüsse in Gletscherbächen

Gletscher sind bedeutende Speicher organischen Kohlenstoffs (OC) und tragen zum Kohlenstofffluss vom Festland zum Meer bei. Aufgrund des Klimawandels wird eine Intensivierung dieser Flüsse erwartet. Der Export von OC aus Gletschern wurde weltweit in verschiedenen Regionen quantifiziert, trotzdem liegen keine vergleichbaren Daten für Island vor, obwohl sich dort die größte europäische außerpolare Eiskappe befindet. Um die globalen Prognosen der glazialen Kohlenstofffreisetzung zu verbessern, ist es das Ziel dieses Pilotprojektes, den Export von gelöstem und partikulärem organischen Kohlenstoff (DOC, POC) aus Islands Gletschern erstmalig zu quantifizieren und neue Kooperationen mit isländischen Wissenschaftler/innen für gemeinsame zukünftige Forschungsprojekte aufzubauen. Hierzu werden 4 Feldkampagnen zu unterschiedlichen Jahreszeiten sowie Treffen mit isländischen Kollegen/innen durchgeführt. In jeder Feldkampagne werden von 23 Gletschern der Eiskappen Vatnajökull, Langjökull, Hofsjökull, Myrdalsjökull und Snaeellsjökull Eisproben entnommen, um die biogeochemische Diversität des glazialen OC zu charakterisieren sowie dessen Export in Verbindung mit Massenbilanzen zu quantifizieren. In Gletscherbächen werden Wasserproben entnommen, um den Austrag von OC direkt am Gletschertor zu bestimmen sowie die Kohlenstoffflüsse entlang von 6 Gletscherbächen mit unterschiedlicher Länge (2 km bis 130 km) beginnend am Gletschertor bis zur Mündung zu untersuchen. Wie sich der Gletscherrückgang langfristig auf ein Gletscherbachökosystem auswirkt, wird durch die taxonomische Bestimmung von Makroinvertebraten im Vergleich zur Bestimmung von Prof. Gíslason aus dem Jahre 1997 beurteilt. Gleichzeitig werden in diesem Gletscherbach Wasserproben zum eDNA-Barcoding entnommen, um eine rasche und gering invasive Methode zur laufenden Beobachtung des zukünftigen Einflusses der Gletscherrückgang zu entwickeln. Vor Ort werden Wassertemperatur, elektr. Leitfähigkeit, pH-Wert, gelöster Sauerstoff, Trübung und Chlorophyll alpha gemessen. Innovative Labormethoden (HPLC, DNA-Barcoding, Picarro, GC, TOC) werden zur Analyse des OC im Eis und Wasser (DOC, DIC, POC, Fluoreszenz, Absorption), der Nährstoffe (P-PO4, N-NO3, N-NO2, N-NH4), stabiler Isotope (18O, 2H), Chlorophyll alpha, CO2 und aquatischen Organismen eingesetzt. Die Anwendung statistischer Methoden (Faktorenanalyse, Hauptkomponentenanalyse) basierend auf Anregungs- und Emissionsmatrizen erlauben die Quellen des OC im Gletschereis sowie -schmelzwasser zu bestimmen und die räumliche Vielfalt des OC zu erklären. Das gewonnene Wissen wird zur Verbesserung globaler Prognosen glazialer Kohlenstofffreisetzung beitragen sowie einen intensiven Einblick in das glaziale Ökosystem geben. Für die antragstellenden Nachwuchswissenschaftler/innen entstehen vielversprechende Kooperationen mit isländischen Wissenschaftlern/innen, fokussierend auf die zeitlichen sowie räuml. Aspekte der glazialen Kohlenstoffflüsse sowie das Ökosystem Gletscher

Methanemissionen aus Kleinseen: Dynamik und Verteilungsmuster (MethDyn)

Kleinseen stellen eine bedeutende Quelle von Methan im globalen Methanhaushalt dar. Diese Seen weisen pro Flächeneinheit höhere Methanflüsse auf als große Seen und haben einen wesentlichen Anteil an den weltweiten Methanemissionen aus Seen. Allerdings sind die Abschätzungen der seeweiten Methanemissionen mit sehr großen Unsicherheiten behaftet. Das liegt daran, dass es nur wenige und unzureichende Messungen und Modellansätze gibt, die die zeitliche und räumliche Variabilität von Methan in Seen erfasst. Die Ziele des Projekts sind die Dynamik und Verteilungsmuster von Methan in und Methanemissionen aus Kleinseen zu untersuchen sowie die Eigenschaften der Seen zu charakterisieren und die Prozesse zu quantifizieren, die die seeweiten Methanemissionen aus Kleinseen bestimmen. Ein spezieller Fokus des Projekts liegt dabei auf der relativen Bedeutung und zeitlichen Variabilität der räumlichen Methangradienten, der Herbst-Vollzirkulation und der verschieden Emissionspfade für die jährlichen, seeweiten Methanemissionen. Am Beispiel von sechs Kleinseen, die unterschiedliche Eigenschaften besitzen, werden intensive Feldexperimente durchgeführt. Während der Feldexperimente werden unter Berücksichtigung der Hauptemissionspfade die seeinterne Dynamik, räumliche Heterogenität, seeweite Verteilung und zeitliche Variabilität von gelöstem Methan und Methanemissionen zusammen mit den abiotischen Bedingungen in den sechs Kleinseen gemessen und analysiert. Dabei kommen neuste Messtechniken zum Einsatz (Eddy-Kovarianz System, Ein- und Mehrfrequenz Echolote, Methansonden, automatisierte Methanflusskammern und -trichter, tragbarer Treibhausgasanalysator, Sauerstoff- und Kohlendioxid-Optoden), die mit einer intensiven Wasserprobenahme und -analyse (gelöstes Methan, Methan-Isotopenzusammensetzung, Methan-Oxidationsraten und andere Wasserinhaltsstoffe) verknüpft werden. Diese Kombination erlaubt eine genaue und zuverlässige Aufnahme aller im Kontext nötigen abiotischen Parameter und im Speziellen der gelösten Methankonzentration mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auslösung. Die Feldexperimente werden durch numerische Simulationen zur Dynamik von Methan mit einem 3D Methan Modell komplettiert. Ziel dieser Modellrechnungen ist es, den horizontalen Transport, die Dynamik, Verteilung sowie den seeweiten, diffusiven Fluss von gelöstem Methan in die Atmosphäre bei sich ändernden Randbedingungen zu untersuchen. Des Weiteren wird mit numerischen Experimenten bestimmt wie sich ein verändertes Klima und unterschiedliche Windszenarien auf den diffusiven Fluss von gelöstem Methan in die Atmosphäre während Zirkulationsphasen auswirken und deren relativen Anteil an den seeweiten, jährlichen Emissionen verändern.

Dissolved organic matter molecular composition data of exemplary marine water masses resolved by online LC-MS

The unique chromatographic behaviour of DOM was investigated on three exemplary water samples representing coastal DOM, oceanic surface DOM and oceanic refractory DOM. Weddell Sea surface (30 m depth, oceanic surface DOM) and deep water (1356 m depth, refractory DOM) was sampled with a rosette sampler on RV Polarstern during ANT XXII/2 (station PS67/006-130, latitude -67.5633, longitude -55.3448) and are described elsewhere (El Naggar et al., 2007; Koch et al., 2008). 160 L sea water was filtered with 0.2 µm filter cartridges, acidified to pH 2 and pumped through 60 mL solid phase extraction cartridges (PPL, 5 g). DOM was eluted with 40 mL MeOH and stored at -18 °C. Coastal DOM is routinely extracted from southern North Sea (latitude 54.1447, longitude 7.8711) and used as an in-house laboratory standard. Sea water was filtered over 0.2 µm PTFE (Whatman), acidified to pH 2 and extracted with PPL cartridges. After elution with methanol, extracts are stored at -18 °C until measurement to minimize esterification (Flerus et al., 2011). The molecular composition was obtained by two mass spectrometric platforms with negative electrospray ionisation: 1) Fourier Transform Orbitrap mass spectrometer (FT-Orbitrap-MS; Q-Exactive Plus, Thermo Fisher Scientific, Bremen, Germany) coupled to ultra-high performance liquid chromatography (UPLC, Vanquish, Thermo Fisher Scientific, Bremen, Germany); 2) Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR-MS; 7 Tesla scimaX MRMS system, Bruker Daltonics GmbH & Co. KG, Bremen, Germany) coupled to UPLC (Elute LC, Bruker Daltonics GmbH & Co. KG, Bremen, Germany). Reversed phase chromatography was done with a C18 column (Waters AQUITY 2 x 100 mm, 1.7 µm) column at 0.3 mL min 1 and a linear gradient: A (ultrapure water, 4 mmol L 1 ammonium formate) 2 min: 99 %, 11 min: 0 %, 14.9 min: 99 %; B (MeOH, 4 mmol L 1 ammonium formate) 2 min: 1 %, 11 min: 100 %, 14.5 min 100 %, 14.9 min 1 %.

Raw mass spectrometric data to dissolved organic matter molecular composition data of exemplary water masses resolved by online LC-FT-ICR-MS

The unique chromatographic behaviour of DOM was investigated on three exemplary water samples representing coastal DOM, oceanic surface DOM and oceanic refractory DOM. Weddell Sea surface (30 m depth, oceanic surface DOM) and deep water (1356 m depth, refractory DOM) was sampled with a rosette sampler on RV Polarstern during ANT XXII/2 (station PS67/006-130, latitude -67.5633, longitude -55.3448) and are described elsewhere (El Naggar et al., 2007; Koch et al., 2008). Coastal DOM is routinely extracted from southern North Sea (latitude 54.1447, longitude 7.8711) and used as an in-house laboratory standard. Mass spectra were obtained with liquid chromatography coupled to a Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometer (LC-FT-ICR-MS) with negative electrospray ionisation. A 7 Tesla scimaX MRMS system (Bruker Daltonics GmbH & Co. KG, Bremen, Germany) was coupled to an ultra-performance liquid chromatography system (UPLC, Elute LC, Bruker Daltonics GmbH & Co. KG, Bremen, Germany). Reversed phase chromatography was done with a C18 column (Waters AQUITY 2 x 100 mm, 1.7 µm) column at 0.3 mL min 1 and a linear gradient: A (ultrapure water, 4 mmol L 1 ammonium formate) 2 min: 99 %, 11 min: 0 %, 14.9 min: 99 %; B (MeOH, 4 mmol L 1 ammonium formate) 2 min: 1 %, 11 min: 100 %, 14.5 min 100 %, 14.9 min 1 %. The exact mass lists and intensities of the 1.1 min binned scans were exported with the DataAnalysis 5.3 software package (Bruker Daltonics GmbH & Co. KG, Bremen, Germany).

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