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Bulk and position-specific isotopic composition of N2O (total and in situ) and nitrate from the EDC, EDML, Vostok, TALDICE, Taylor Glacier, and NGRIP ice cores

The mixing ratio and bulk isotopic composition of nitrous oxide (N2O) was measured after wet extraction and purification of the air enclosed in 150 g ice core samples from EDC, EDML, Vostok, TALDICE, and NGRIP, following the analysis procedure described in Schmitt et al. (2014). The position-specific isotopic composition of N2O was measured after dry extraction and purification of the air enclosed in 600 g ice core samples from Vostok and Taylor Glacier, following the analysis procedure described in Menking et al. (2025). The mixing ratio and isotopic composition of in situ N2O – i.e., the fraction of N2O produced in the ice – was calculated using a mass balance approach (Soussaintjean et al., preprint). After gas extraction, the sample meltwater and ice chips were collected to measure the isotopic composition of nitrate (NO3-) following the bacterial denitrification method described in Erbland et al. (2013). Each sample was associated with its ice age and gas age based on the AICC2023 chronology (Bouchet et al., 2023) for EDC, EDML, Vostok, TALDICE, and NGRIP and Baggenstos et al. (2017, 2018) for Talyor Glacier. The samples cover the periods 11 – 26 ka, 41 – 75 ka, and 136 – 143 ka. Taylor Glacier is a horizontal core, meaning the age of the ice varies with distance along a transect close to the surface where the horizontal stratigraphy is preserved (Baggenstos et al., 2017).

Messung des spektralen Extinktionskoeffizienten atmosphärischer Aerosole bei Umgebungsbedingungen und Charakterisierung der hygroskopischen Eigenschaften in Quellregionen (beeinflusst durch: MARINE - DUST - SMOKE) mit Hilfe von SÆMS, LIDAR und in-situ Methoden.

Im Rahmen des Projektes soll der spektrale Extinktionskoeffizient des unbeeinflussten atmosphärischen Aerosols bei 3 Wellenlängen (405, 532, 850 nm) mit einem neu entwickelten portablen SAEMS (Spectral Aerosol Extinction Monitoring System) in Kombination mit einem Ramanlidar untersucht werden. Dieses Fernmessverfahren soll weltweit in ausgewählten Quellregionen mit charakteristischen, unterschiedlichen Aerosoltypen (marines Aerosol, Mineralstaubaerosol, Biomasseverbrennungsaerosol) und natürlichen Aerosolmischungen eingesetzt werden. Das Messsystem wird mit Feuchte- und Temperatursensoren ausgestattet sein damit speziell auch die Änderung der optischen Eigenschaften der atmosphärischen Partikel bei realistischen Umgebungsfeuchtebedingungen erfasst wird. Die Wegstreckenauswahl dieses Aufbaus wird für die jeweiligen Aerosolbedingungen optimiert (horizontale Messstreckenlänge 1-3 km, 10-20 m über dem Boden). Die hygroskopischen Eigenschaften des Aerosols im Umgebungsfeuchtebereich sollen spezifisch für den jeweiligen Einsatzort bestimmt werden und eine aerosoltypabhängige Parametrisierung erarbeitet werden. Ziel ist langfristig die Charakterisierung der Aerosolsäule durch Kombination von bodengebundenen in-situ Methoden und Fernmessverfahren und sowie eine systematische Untersuchung des Feuchteeinflusses auf die aerosoloptischen Eigenschaften. Dazu soll die automatisierte Ermittlung des Extinktionskoeffizienten im bodennahen Bereich in den kontinuierlichen Messbetrieb der mobilen Landstation LACROS (Leipzig Aerosol and Cloud Remote Observations System) des TROPOS integriert werden. Derartige Untersuchungen sind von großer Wichtigkeit für die Klimamodellierung (Parametrisierung der Strahlungswechselwirkung von Aerosolen) sowie der Synthese der aktiven Fernerkundung (Bestimmung der optischen Eigenschaften der Aerosolsäule) und der mikrophysikalischen Eigenschaften durch in-situ Bodenmessungen.

Passive Sampling und Passive Dosing - ein innovativer Ansatz zur kombinierten chemischen und biologischen Analyse hydrophoben organischen Schadstoffen im Sediment-Porenwasser mariner Systeme

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von innovativen Indikatoren, die eine räumlich strukturierte Beschreibung und Bewertung der Belastungssituation und des Risikopotenzials von sedimentgebundenen Schadstoffen in marinen Systemen ermöglichen. Dieses Projekt wird es zum ersten Mal ermöglichen, Daten zur Toxizität der Porenwasserkonzentration von hydrophoben organischen Schadstoffen mit sehr geringer Unsicherheit zu erheben, direkt mit einer chemischen Analyse zu korrelieren und schließlich über entsprechende künstliche Mischungen zu verifizieren. Um dies zu erreichen, wird in diesem Projekt ein in situ Gleichgewichtssammlers (Passivsammlers) auf Basis der Festphasenmikroextraktion (passive sampling) für die Untersuchung von hydrophoben organischen Schadstoffen im marinen Bereich adaptiert. Anschließend werden die mittels Silikon Hohlfasern gesammelten Schadstoffmischungen direkt durch passive dosing in kleinskalige Biotestsysteme eingebracht. Durch Verzicht auf die vorherige Extraktion der Fasern wird das Risiko, die ursprüngliche Probenzusammensetzung zu verändern, deutlich reduziert. Erhobene Daten sind daher in hohem Maße repräsentativ für die tatsächliche Belastungssituation vor Ort. Des Weiteren werden die analysierten Schadstoffmischungen künstlich wiederhergestellt, um sie mittels passive dosing in unterschiedlichen Konzentrationen in Biotests zu untersuchen. Damit sollen Konzentrations-Wirkungskurven erstellt werden, die es erlauben, das von den sedimentgebundenen Schadstoffen ausgehende Risiko abzuschätzen (Mischtoxizität).

Teilprojekt C 01 : Populationsdynamik von Fischarten in reoligotrophierenden Seen (Habitatwahl und Ressourcennutzung von Fluss- und Kaulbarsch im reoligotrophierten Bodensee), Habitatwahl und Ressourcennutzung von Fluss- und Kaulbarsch im reoligotrophierten Bodensee

In den Untersuchungen sollen die Auswirkungen der tages- und jahreszeitlichen Habitatwechsel von Fluss- und Kaulbarsch auf die Interaktionen zwischen diesen beiden Arten sowie auf andere trophische Ebenen der litoralen, pelagischen und benthalen Biozoenosen analysiert werden. Dazu werden zwei Themenbereiche bearbeitet: a) Flussbarsche leben nach dem Schluepfen im Pelagial und kehren nach einigen Wochen wieder zum Litoral zurueck. Es soll in einer Orientierungsarena untersucht werden, ob die Tiere dabei gerichtete Wanderungen durchfuehren und an welchen Reizen sie sich orientieren. Waehrend der Vegetationsperiode scheinen Flussbarsche sehr standorttreu zu sein, was durch ultraschalltelemetrische Verfolgung von adulten Einzeltieren im See ueberprueft werden soll. b) der Flussbarschbestand des Bodensees ist in den 90er Jahren zwei grundlegenden Veraenderungen in seinem Lebensraum ausgesetzt, der Oligotrophierung, die zu einer Abnahme des Zooplanktons und einem Rueckgang der strukturbildenden submersen Makrophyten fuehrt, und gleichzeitig einem stark wachsenden Bestand des Kaulbarsches, eines potentiellen Konkurrenten. Diese Fischart trat 1987 erstmals im Bodensee auf und ist heute in vielen Regionen des Sees die haeufigste Fischart im Litoral. Wir wollen untersuchen, wie sich diese Veraenderungen auf Habitat- und Nahrungswahl des Flussbarsches auswirken und wie Fluss- und Kaulbarsch um Raum und Nahrung konkurrieren. Weiterhin sollen die in-situ Praedationsraten beider Arten abgeschaetzt und die verhaltensphysiologischen Grundlagen ihrer Raeubervermeidungsstrategien untersucht werden. Hierzu werden intensive Befischungen im Freiland durchgefuehrt und es sind Experimente in Mesokosmen geplant, in denen die Bedeutung einzelner Faktoren analysiert wird.

Nitrogen and drought effects on the tree-soil interaction of ECM and AM temperate trees

Deammonifikation in Biofilmen zur biologischen Abwasserreinigung

Der neue biologische Prozess der Deammonifikation soll in seiner verfahrenstechnischen Umsetzung zur Reinigung hoch stickstoffbelasteter Abwässer mit niedrigem C:N-Verhältnis grundlegend untersucht werden. Durch die gezielte Kombination von aerober Nitritation und anaerober Ammoniumoxidation in einem Biofilm ist eine vollständige, rein autotrophe N-Elimination aus problematischen Abwässern in einem Verfahrensschritt möglich. An einer Versuchsanlage nach dem Moving-bed Verfahren sollen Einflussfaktoren definiert werden, die sich auf Entwicklung und Umsatzleistungen eines solchen Biofilms auswirken. Für eine genaue Charakterisierung der Prozesse innerhalb des Biofilms und des Zusammenhangs zwischen Biofilmstruktur und -funktion sollen neue in situ-Techniken mit erprobten Methoden verknüpft werden. Selektive Hemmstoffe und 15N-Tracer zur Bilanzierung der Umsetzungen, fluoreszente in situ-Hybridisierung (FISH) mit konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) zur Identifizierung und Lokalisierung der Organismen und konfokale Ramanmikroskopie zur nichtinvasiven Messung der Stickstoffprofile in verschiedenen Biofilmtiefen. Neben der Klärung des Zusammenwirkens verschiedener Organismengruppen können die Umsatzleistungen in Abhängigkeit praxisrelevanter Betriebsparameter beschrieben und Steuerungsmöglichkeiten für den Prozess abgeleitet werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), MAMAP - CoMet Projektantrag zum Beitrag der Universität Bremen zur HALO Mission CoMet im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms Atmosphären- und Erdsystemforschung mit dem Forschungsflugzeug HALO (SPP 1294)

Hauptziel des Vorhabens der Universität Bremen ist es, im Rahmen der HALO COMET Mission Antworten auf die Frage zu geben, inwieweit sich starke lokale Quellen der Treibhausgase CO2 und CH4 bzgl. ihrer Emissionen mit Hilfe von Flugzeug-gestützten Fernerkundungsmethoden (aktiv und passive) quantifizieren lassen. Um dies zu erreichen, werden aktive (Lidar) und passive (Spektrometer) Fernerkundungsmethoden mit einander kombiniert. Dabei wird mit dem Sensor MAMAP die Region um die Quelle kleinskalig erfasst, während HALO-COMET den großräumigeren Kontext der atmosphärischen CO2 bzw. CH4 Verteilung in der Atmosphäre erfasst. Der Fokus des Beitrages der Universität Bremen liegt dabei in der kleinskaligen Befliegung der Quellregionen. Aussichtsreiche Quellregionen sind für CO2 die Stadt Berlin und den naheliegenden Kohlkraftwerken im Südosten. Für CH4 eignet sich die Region Oberschlesien in Polen mit ihren aktiven Kohlerevieren und den damit verbundenen starken Methanemissionen besonders. Die Daten der Messkampagne im Frühjahr 2017 werden ausgewertet und analysiert, um daraus mit unterschiedlichen Methoden die CO2-bzw. CH4 Emissionen in der Quellregion zu bestimmen. Dabei werden die Daten von MAMAP und HALO COMET auch synergistisch verwendet, wobei insbesondere den in-situ Messungen zur Verifizierung der Fernerkundungsdaten eine wichtige Rolle zukommt (vgl. auch HALO COMET White Paper). Unterstützt wird die Dateninterpretation zudem durch hochaufgelöste Modellierung in Zusammenarbeit mit dem MPI in Jena.Im Rahmen des Vorhabens wird zudem untersucht, inwieweit die im Rahmen von COMET eingesetzten Fernerkundungssensoren (MAMAP, CHARM-F) zur Validation von Satellitensensoren eignen. Dies erfolgt durch die koordinierte Planung der Messkampagne bzgl. der Satellitenüberflüge von OCO-2 (CO2) und Sentienl-5P (CH4).

Identification of groundwater nitrogen point source contribution through combined distribute temperature sensing and in-situ UV photometry

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.

Messungen von vulkanischen Schwefel- und Kohlenstoffemissionen mit hoher Zeitauflösung

Dies ist ein Antrag auf Reisekosten für eine Reise von Deutschland nach Argentinien zum Besuch der Vulkane Copahue and Peteroa, dort planen wir zusammen mit Forschern aus Argentinien in-situ Messungen von vulkanischem SO2 mit einem neuartigen Instrument. In Kombination mit in-situ CO2 Messungen erwarten wir einen Datensatz von CO2/SO2 Verhältnissen mit bisher unerreichter Genauigkeit und Zeitauflösung.Obwohl Fernerkundungsmessungen von SO2 sich mittlerweile in der Vulkanologie weit verbreitet haben, stellen bodengebundene und Flugzeug-getragene in-situ-Messungen immer noch eine wichtige Quelle ergänzender Information dar. Heutzutage werden in-situ Messungen von SO2 häufig mittels elektrochemischer Sensoren vorgenommen, diese weisen allerdings eine Reihe von Nachteilen auf, insbesondere (1) relativ lange Ansprechzeiten (ca. 20 s und mehr), (2) Interferenzen durch eine Reihe anderer reaktiver Gase, die sich in Vulkanfahnen finden (und die schwer zu quantifizieren bzw. unbekannt sind), (3) Die Notwendigkeit häufiger Kalibration. Wir lösen diese Probleme mit einem neuentwickelten, optischen in-situ SO2-Sensor Prototypen, der nach dem Prinzip der nicht-dispersiven UV-Absorption arbeitet (PITSA, Portable in-situ Sulfurdioxide Analyser). Die preisgünstige Anwendung des Prinzips für SO2 - Messungen wurde durch die Entwicklung von UV-LEDs ermöglicht. Die Probenluft wird durch eine Glasröhre gesaugt und dort der kollimierten Strahlung einer UV-LED (ca. 290nm) ausgesetzt, in diesem Wellenlängenbereich absorbiert (von den relevanten Vulkangasen) praktisch nur SO2. Daher ist die Abschwächung der Strahlungsintensität nach Durchgang durch die Messzelle ein Mass für den SO2-Gehalt der Messluft. Das PITSA Instrument wird mit einem kommerziellen CO2 Sensor kombiniert, damit werden SO2 und CO2 Messungen mit 0.1 ppm bzw. 1 ppm Genauigkeit möglich. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten in der Vulkanologie.

Der Einfluss von bodennaher Turbulenz auf den Transport von Tracern in marinen Becken (ROBOTRACE)

Mit diesem Antrag sollen die physikalischen Prozesse identifiziert, analysiert und quantifiziert werden, die zu dem Austausch von gelösten Substanzen zwischen der Sediment-Wasser Grenzschicht, innerhalb der turbulenten Bodengrenzschicht (bottom boundary layer, BBL) und dem schwach turbulenten Inneren von geschichteten Becken beitragen. Im Fokus stehen dabei der Effekt von geneigten Hängen, an denen die Austauschprozesse durch das Zusammenwirken des Wiederaufbaus der Bodengrenzschichtschichtung , der Turbulenz innerhalb der BBL und sub-mesoskaligen Prozessen, von denen angenommen wird, dass sie den lateralen Austauschraten von Wasser bestimmen, verkompliziert werden. Diese Prozesse werden durch einen kombinierten Ansatz aus Feldmessungen und numerischer Modellierung untersucht. Insbesondere wird sich das Projekt dabei auf den Sediment-Wasser Austausch von Schwefelwasserstoff und Sauerstoff fokussieren, der in Situ mit Hilfe eines Eddy-Korrelationsmessgerätes als auch mit einem Mikroprofilsystem gemessen wird. Diese Messung wird durch ozeanographische Standardmessungen ergänzt, als auch durch Schiffs- und Verankerungsbasierte Turbulenzmessungen. Dieser Datensatz ist neuartig durch die Kombination von (A) der Sediment-Wasserflüsse von Sauerstoff und Schwefelwasserstoff und (B) der Turbulenzmessungen innerhalb der BBL und des Beckeninneren. Zusätzlich zu den Feldmessungen ist eine numerische Modellierung auf der Basis eines einfachen Sedimentmodells in Kombination mit einer Parametrisierung der Transportprozesse an der Sediment-Wassergrenzschicht geplant. Dieses Modell wird in idealisierten, eindimensionalen Parameterstudien, sowie in einem zweidimensionalen Setup verwendet, welches sich auf die Austauschprozesse der Bodengrenzschicht mit dem Beckeninneren konzentriert. Für die Untersuchung von dreidimensionalen Strukturen wie Eddies auf den Sauerstoff/Schwefelwasserstofftransport wird ein voll dreidimensionales realistisches Modell der zentralen Ostsee angewendet.

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