Subproject 3 will investigate the effect of shifting from continuously flooded rice cropping to crop rotation (including non-flooded systems) and diversified crops on the soil fauna communities and associated ecosystem functions. In both flooded and non-flooded systems, functional groups with a major impact on soil functions will be identified and their response to changing management regimes as well as their re-colonization capability after crop rotation will be quantified. Soil functions corresponding to specific functional groups, i.e. biogenic structural damage of the puddle layer, water loss and nutrient leaching, will be determined by correlating soil fauna data with soil service data of SP4, SP5 and SP7 and with data collected within this subproject (SP3). In addition to the field data acquired directly at the IRRI, microcosm experiments covering the broader range of environmental conditions expected under future climate conditions will be set up to determine the compositional and functional robustness of major components of the local soil fauna. Food webs will be modeled based on the soil animal data available to gain a thorough understanding of i) the factors shaping biological communities in rice cropping systems, and ii) C- and N-flow mediated by soil communities in rice fields. Advanced statistical modeling for quantification of species - environment relationships integrating all data subsets will specify the impact of crop diversification in rice agro-ecosystems on soil biota and on the related ecosystem services.
The development of sustainable and efficient energy conversion processes at interfaces is at the center of the rapidly growing field of basic energy science. How successful this challenge can be addressed will ultimately depend on the acquired degree of molecular-level understanding. In this respect, the severe knowledge gap in electro- or photocatalytic conversions compared to corresponding thermal processes in heterogeneous catalysis is staggering. This discrepancy is most blatant in the present status of predictive-quality, viz. first-principles based modelling in the two fields, which largely owes to multifactorial methodological issues connected with the treatment of the electrochemical environment and the description of the surface redox chemistry driven by the photo-excited charges or external potentials.Successfully tackling these complexities will advance modelling methodology in (photo)electrocatalysis to a similar level as already established in heterogeneous catalysis, with an impact that likely even supersedes the one seen there in the last decade. A corresponding method development is the core objective of the present proposal, with particular emphasis on numerically efficient approaches that will ultimately allow to reach comprehensive microkinetic formulations. Synergistically combining the methodological expertise of the two participating groups we specifically aim to implement and advance implicit and mixed implicit/explicit solvation models, as well as QM/MM approaches to describe energy-related processes at solid-liquid interfaces. With the clear objective to develop general-purpose methodology we will illustrate their use with applications to hydrogen generation through water splitting. Disentangling the electro- resp. photocatalytic effect with respect to the corresponding dark reaction, this concerns both the hydrogen evolution reaction at metal electrodes like Pt and direct water splitting at oxide photocatalysts like TiO2. Through this we expect to arrive at a detailed mechanistic understanding that will culminate in the formulation of comprehensive microkinetic models of the light- or potential-driven redox process. Evaluating these models with kinetic Monte Carlo simulations will unambiguously identify the rate-determining and overpotential-creating steps and therewith provide the basis for a rational optimization of the overall process. As such our study will provide a key example of how systematic method development in computational approaches to basic energy sciences leads to breakthrough progress and serves both fundamental understanding and cutting-edge application.
Die Polynya Signature Simulation Method (PSSM) und das Ice Edge Detection (IED)-Verfahren erlauben es, aus Daten des satellitengetragenen Mikrowellenradiometers Special Sensor Microwave/ Imager (SSM/I) Polynjenfläche und Eiskante mit einer Genauigkeit von 100km2 bzw. 10km zu bestimmen. Mit dem PSSM-Verfahren soll die gesamte Polynjenfläche der Antarktis für jeden Tag des Zeitraums 1992-2006 aus SSM/I-Daten mehrerer Satelliten berechnet werden. Dabei ist ab 1995 die Ableitung eines Tageszyklus möglich. Meteorologische Daten sollen in Kombination mit Satellitenmessungen im sichtbaren und infraroten Spektralbereich dazu dienen, für diese Polynjenfläche Eis- und Salzproduktion sowie typische Dicke und Ausdehnung des an die Polynjenfläche angrenzenden dünnen Meereises abzuschätzen. PSSM und IED sollen auf Daten des neuen und feiner auflösenden passiven Mikrowellensensors Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR/AMSR-E) auf AQUA und ADEOS-2 übertragen werden, um einerseits die minimale Größe detektierbarer Polynjen und Leads herabzusetzen und andererseits die Eiskante mit einer höheren Genauigkeit zu detektieren (4km statt 10km). Die niederfrequenten AMSR(-E)-Kanäle (6.9 und 10.7GHz) sollen hinsichtlich ihrer Nutzung für die Abschätzung der Dicke von dünnem Meereis untersucht werden.
Salinity occurs often simultaneously with drought stress. Therefore, breeding for tolerance to combined both stresses can contribute significantly to crop yield. However, classical selection in salinity has generally been unsuccessful, partly due to high variability of salt stress resulting from the different salinity and drought status. Unfortunately, the use of unrealistic stress protocols for mimicking salinity and drought stress is the norm rather than the exception in biotechnological studies. Therefore, the great challenge is to gain knowledge required to develop plants with enhanced tolerance to field conditions. Our overall hypothesis is that a realistic stress protocol simulating a field environment with combined salt and drought stress as a platform for precision phenotyping of plant tolerance to salinity may solve this problem. This study will demonstrate that highly managed stress environments can be created and key traits of plants can be characterised by using advanced non-destructive sensors that are able to identify relevant traits of plants.
Die große Sauerstoffkatastrophe (Great Oxidation Event - GOE) kennzeichnet den starken Anstieg von molekularem Sauerstoff (O2) in der Atmosphäre während der Frühgeschichte der Erde, was flächendeckende Habitabilität ermöglicht und komplexes Leben auf der Erde erlaubt. Viele Fragen sind diesbezüglich weiterhin offen. Was dazu führte, dass sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte, der Zeitpunkt und das Ausmaß sind nicht gut bestimmt. Erst jetzt ist es möglich die komplizierten Wechselwirkungen zwischen atmosphärischen, biologischen und geologischen Prozessen zu identifizieren. Das sich daraus ergebende Absterben methanogener Lebensformen und das Auftreten eines sogenannten Schneeball-Erden-Zustandes sind Beispiele für die extremen Auswirkungen des GOE. Eine zentrale Frage, die wir untersuchen, ist ob der GOE in einem linearen oder, aufgrund einer möglichen Bistabilität von Sauerstoff, in einem sprungweisen Anstieg von O2 erfolgte. Des Weiteren studieren wir den Einfluss des Kohlenstoffzyklus und des Klimas auf die Charakteristika und den Zeitpunkt des GOE. Wir wenden unsere Erfahrung in eindimensionalen (1D) und 3D Klimamodellierungen an, um die Auswirkung unterschiedlicher Klima auf den GOE zu ermitteln. Um dies zu erreichen entwickeln und verwenden wir unser einzigartiges Atmosphärenmodell mit detailliertem Sauerstoffzyklus (inklusive zum Beispiel Verwitterungsprozesse, atmosphärische Photochemie) welches die Atmosphäre, Biosphäre und Geosphäre umfasst. Ein wichtiges Ziel ist die Analyse der Kernprozesse für den GOE unter der Berücksichtigung jüngster Ergebnisse geologischer Untersuchungen (zu zum Beispiel Oberflächendruck, atmosphärischen Treibhausgases, usw.).
Die Bildung der Eis Phase in der Troposphäre stellt einen wichtigen Fokus der aktuellen Atmosphärenforschung dar. Durch heterogene Nukleation entstehen bei Temperaturen oberhalb von -37°C primäre Eiskristalle an sogenannten eiskeimbildenden Partikeln (INP, engl, ice nucleating particles). Die räumliche Verteilung der INP und deren Quellen variieren stark. In der Atmosphäre finden sich INP nur in sehr geringer Anzahlkonzentration, oft weniger als ein Partikel pro Liter, und sie stellen nur eine kleine Untergruppe des gesamten atmosphärischen Aerosols dar. Ziel dieses Antrages ist es die Anzahlkonzentrationen von eiskeimbildenden Partikeln und deren Variabilität in der Atmosphäre zu messen. Außerdem sind Laborstudien geplant, in denen unser Verständnis über die chemischen und biologischen Eigenschaften der Partikel, die die Eisbildung initiieren, verbessert werden soll. Mit dem von unserer Arbeitsgruppe entwickelten Eiskeimzahler FINCH (Fast Ice Nucleaus CHamber) sollen die atmosphärischen Anzahlkonzentrationen von INP bei verschiedenen Gefriertemperaturen und Übersättigungen an mehreren Standorten gemessen werden. Die Kopplung von FINCH mit einem virtuellen Gegenstromimpaktor (CVI, engl, counter-flow virtual impactor, Kooperation mit RP2), die während lNUIT-1 entwickelt und getestet wurde, soll nun weiter charakterisiert und Messungen damit fortgesetzt werden. Bei dieser Methode werden die Eispartikel, die in FINCH gebildet werden, von den unterkühlten Tröpfchen und inaktivierten Partikeln separiert und mit weiteren Messmethoden untersucht. In Kooperation mit RP2 und RP8 planen wir hierbei die Charakterisierung der INP mittels Größen- und Aerosolmassenspektrometer sowie die Sammlung der INP auf Filtern oder Impaktorplatten zur anschließenden Analyse mit einem Elektronenmikroskop (ESEM, engl. DFG fomi 54.011 -04/14 page 3 of 6 Environmental Scanning Electron Microscopy). Die Feldmessdaten werden von umfangreichen Laborstudien an den Forschungseinrichtungen AIDA (RP6) und LACIS (RP7) ergänzt. Dort soll das Immersionsgefrieren von verschiedenen Testpartikeln aus biologischem Material (z.B. Zellulose), porösem Material (z.B. Zeolith) und Mineralstaub mit geringem organischem Anteil im Detail untersucht werden. Des Weiteren planen wir Labormessungen, bei denen eine verbesserte Charakterisierung der Messunsicherheiten von FINCH erarbeitet werden soll. Außerdem werden regelmäßige Tests und Kalibrierungen mit FINCH durchgeführt, für die Standardroutinen festgelegt werden sollen. Um die Rolle der INP bei der Wolken- und Niederschlagsbildung sowie bei den Wolkeneigenschaften abzuschätzen, werden die gewonnenen Messergebnisse am Ende als Eingabeparameter für erweiterte Wolkenmodelle (Kooperation mit WP-M) dienen.
Absenkung der CO2 Emissionen, Anpassung und 'Climate Engineering' (CE) werden allgemein als drei unabhängige Vorgehensweisen gegen die negativen Auswirkungen des Klimawandels angesehen. Im Rahmen dieses Projektes zeigen wir die Grenzen des 'Solar Radiation Management' (SRM) durch Sulfataerosol-Eintrag in die Stratosphäre (SAI) und marine Wolkenimpfung (MCB) als Maßnahmen zur Reduktion der globalen bzw. regionalen Temperatur auf. Zum ersten Mal werden dabei die Auswirkungen von gleichzeitig ausgeführtem SAI und MCB umfassend quantifiziert. Wir vermuten, dass die Begrenzung der Wirksamkeit von SAI und MCB bedeutende Auswirkungen auf die rechtliche und politische Betrachtung hat, die das Zusammenwirken und die zeitliche Reihenfolge von Emissionsminderungs-, Anpassungs-, und 'Climate Engineering'- Maßnahmen sowie die Politik der Klimagerechtigkeit bestimmen. Komplexe globale und regionale numerische Simulationsmodelle der Atmosphäre, die dem Stand des Wissens entsprechen, und die eine detaillierte Beschreibung der Atmosphärenphysik und Chemie beinhalten, stellen das wesentliche Werkzeug für die Quantifizierung der Effekte dieser Maßnahmen dar. Die Ergebnisse erlaube es die physikalischen Grenzen der angedachten Maßnahmen zu bestimmen. Die Ergebnisse des Vorhabens dienen als wichtige Grundlagen für andere Projekte im SPP, um eine integrale Bewertung von 'CO2 Mitigation, Adaption und Climate Engineering' zu ermöglichen.
Der schnelle Fortschritt der elektronischen Geräte erhöht die Nachfrage nach verbesserten Li-Ionen Batterien. Kommerziell erhältliche Li-Zellen nutzen meist Lithiumkobaltoxid für die positive Elektrode. Doch gerade dieses Material ist ein Hindernis für eine weitere Optimierung, insbesondere für eine Kostensenkung. Vor allem für größere Anwendungen wie Hybrid- oder Elektrofahrzeuge müssen alternative Materialen erforscht werden, die billiger, sicherer und umweltverträglicher sind. Daher wird im ISEA derzeit ein neues Forschungsprojekt ins Leben gerufen und die dafür benötigte Infrastruktur geschaffen. Die Forschung wird sich auf die Untersuchung geeigneter Übergangsmetalloxide und Polyanionen konzentrieren, die besonders gut zur Einlagerung von Li-Ionen geeignet sind. Es werden neue Herstellungsverfahren unter Verwendung wässriger Precurser-Substanzen untersucht, die Verbindungen mit überlegenen Eigenschaften erzeugen und außerdem leicht an eine Massenproduktion angepasst werden können. Ziel der Arbeiten ist, preisgünstiges Elektrodenmaterial zu entwickeln, das eine spezifische Energie von über 200 Wh/kg und eine Leistungsdichte von 400 W/kg aufweist. Außerdem werden Arbeiten im Bereich der physikalisch-chemischen Charakterisierung der neuen Materialien stattfinden sowie elektrochemische Analysen der gesamten Zellen- und Batteriesysteme durchgeführt. Das elektrodynamische Verhalten der neuen Zellen wird u. a. mit Hilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie analysiert, um präzise und zuverlässige Algorithmen für ein späteres Batteriemonitoring im realen Betrieb zu finden.
Electrical conductivity is a key parameter in models of magnetic field generation in planetary interiors through magneto-hydrodynamic convection. Measurements of this key material parameter of liquid metals is not possible to date by experiments at relevant conditions, and dynamo models rely on extrapolations from low pressure/temperature experiments, or more recently on ab-initio calculations combining molecular dynamics and linear response calculations, using the Kubo-Greenwood formulation of transport coefficients. Such calculations have been performed for Fe, Fe-alloys, H, He and H-He mixtures to cover the interior of terrestrial and giant gas planets. These simulations are computationally expensive, and an efficient accurate scheme to determine electrical conductivities is desirable. Here we propose a model that can, at much lower computational costs, provide this information. It is based on Ziman theory of electrical conductivity that uses information on the liquid structure, combined with an internally consistent model of potentials for the electron-electron, electron-atom, and atom-atom interactions. In the proposal we formulate the theory and expand it to multi-component systems. We point out that fitting the liquid structure factor is the critical component in the process, and devise strategies on how this can be done efficiently. Fitting the structure factor in a thermodynamically consistent way and having a transferable electron-atom potential we can then relatively cheaply predict the electrical conductivity for a wide range of conditions. Only limited molecular dynamics simulations to obtain the structure factors are required.In the proposed project we will test and advance this model for liquid aluminum, a free-electron like metal, that we have studied with the Kubo-Greenwood method previously. We will then be able to predict the conductivities of Fe, Fe-light elements and H, He, as well as the H-He system that are relevant to the planetary interiors of terrestrial and giant gas planets, respectively.
Vorkommen, Häufigkeit, chemische Zusammensetzung und Mischungszustand jener Aerosolpartikel in der Erdatmosphäre, an denen sich durch heterogene Nukleation in unterkühlten Wolken Eis bilden kann (Ice Nucleating Particles = INP), werden experimentell untersucht. Diese Informationen sind wichtig für das Verständnis der Niederschlagsbildung, und finden in parametrisierter Form Eingang in meteorologische Modelle zur Vorhersage des Niederschlages. Das Projekt verwendet hierbei im Wesentlichen physikalische Methoden zur Identifikation und Isolation der Partikel aus der Atmosphäre, und nachfolgend elektronenmikroskopische Methoden zur mineralogischen Analyse einzelner Partikel. Die Identifikation jener wenigen Aerosolpartikel (ca. 1 von 10.000 bis 1 von 100.000), die Eisbildungsfähigkeit besitzen, erfolgt, indem eine Aerosolprobe einer Unterkühlung unter 0°C und Wasserdampfübersättigung ausgesetzt wird, und die an INP entstehenden Eiskristalle fotografiert und gezählt werden. Es werden sowohl Aerosolpartikel aus luftgetragenem Aerosol untersucht (aus dem Eiskeimzähler FINCH) wie auch Partikel, die aus einer Luftprobe auf einem Silizium-Probenträger niedergeschlagen und danach als INP identifiziert wurden (Eiskeimzähler FRIDGE). Eine dritte und vierte Methode (Ice-CVI und ISI) isolieren eisbildungsfähige Partikel, indem aus einer angesaugten Probe von Wolkenluft die Eiskristalle strömungstechnisch von den übrigen Luftbestandteilen getrennt werden. Alle Eiskeimproben werden im Rasterelektronenmikroskop auf Größe, Morphologie, Mischungszustand und chemische Zusammensetzung untersucht und die Ergebnisse der verschiedenen Ansätze verglichen. In Feldexperimenten werden Atmosphärenproben verschiedener geographischer Provenienz (Mitteleuropa, Forschungsstation Jungfraujoch, Wüstenstaub, Vulkanstaub) erhalten. In Laborexperimenten wird mit vorher gesammelt und charakterisierten Modellsubstanzen gearbeitet. Weiterhin wird durch tägliche Messungen der Anzahl-Konzentration und Zusammensetzung von Eiskeimen am Taunus Observatorium nahe Frankfurt über einen längeren Zeitraum untersucht, ob es Saisonalitäten, bevorzugte Quellgebiete (z.B. Wüsten, Industrie, etc.) und biologische Einflussfaktoren (z.B. Pollen, Pflanzenabrieb, Bakterien) für das Vorkommen von Eisnuklei gibt.
| Origin | Count |
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| Bund | 229 |
| Type | Count |
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| Förderprogramm | 229 |
| License | Count |
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| offen | 229 |
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