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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.

Terrestrial, UAV-borne, and airborne laser scanning point clouds of central European forest plots, Germany, with extracted individual trees and manual forest inventory measurements

Laser scanning point clouds of forest stands were acquired in southwest Germany in 2019 and 2020 from different platforms: an aircraft, an uncrewed aerial vehicle (UAV) and a ground-based tripod. The UAV-borne and airborne laser scanning campaigns cover twelve forest plots of approximately 1 ha. The plots are located in mixed central European forests close to Bretten and Karlsruhe, in the federal state of Baden-Württemberg, Germany. Terrestrial laser scanning was performed in selected locations within the twelve forest plots. Airborne and terrestrial laser scanning point clouds were acquired under leaf-on conditions, UAV-borne laser scans were acquired both under leaf-on and later under leaf-off conditions. In addition to the laser scanning campaigns, forest inventory tree properties (species, height, diameter at breast height, crown base height, crown diameter) were measured in-situ during summer 2019 in six of the twelve 1-ha plots. Single tree point clouds were extracted from the different laser scanning datasets and matched to the field measurements. For each tree entry, point clouds, tree species, position, and field-measured and point cloud-derived tree metrics are provided. For 249 trees, point clouds from all three platforms are available. The tree models form the basis of a single tree database covering a range of species typical for central European forests which is currently being established in the framework of the SYSSIFOSS project.

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.

Hocheffizente laterale und durch Laser unterstützte Separationsverfahren für SiC Rohmaterial mit dem Ziel geringster Materialverluste - INNONEXT_SIL

ArTTA-10mL: Ein Instrument für die 39Ar-Datierung von kleinen Eis- und Wasserproben

Das Edelgasradioisotop 39Ar ist von großem Interesse für die Datierung in Ozeanographie, Glaziologie und Hydrogeologie, da es das einzige Isotop ist, das den wichtigen Altersbereich zwischen ca. 50 und 1000 Jahren abdeckt. Die fundamental neue Messmethode der Atom Trap Trace Analysis (ATTA), welche die 81Kr Datierung zum ersten Mal möglich gemacht hat, besitzt das Potenzial, die Anwendungen von 39Ar zu revolutionieren, indem sie die benötigte Probengröße um einen Faktor 100 bis 1000 reduziert. In einem Vorgängerprojekt haben wir zum ersten Mal gezeigt, dass die Messung von 39Ar an natürlichen Proben mit ATTA möglich ist, allerdings benötigten wir dazu immer noch Tonnen von Wasser. Vor kurzem haben wir anhand von Proben aus ersten Pilotprojekten mit Ozeanwasser und alpinem Eis gezeigt, dass die 39Ar-ATTA (ArTTA) Messung an Proben von ca. 25 L Wasser oder 10 mL Ar oder weniger möglich ist. Dieser Erfolg eröffnet komplett neue Perspektiven für die Anwendung der 39Ar-Datierung, die sehr wertvolle Information ergeben wird, die ansonsten nicht zugänglich wäre. Der Bedarf für solche Analysen, insbesondere im Gebiet der Spurenstoff-Ozeanographie, ist gut etabliert und dokumentiert durch Unterstützungsschreiben von unseren derzeitigen Partnern für ArTTA Anwendungen. Dieser Antrag wird es uns ermöglichen, die weltweit ersten ArTTA Geräte zu bauen, die auf Routinebetrieb mit kleinen Proben ausgelegt sind. Wir streben den Aufbau einer 39Ar-Datierungsplattform an, welche die Anforderungen für die Datierung in den Feldern der Grundwasserforschung, Ozeanographie und Gletscherforschung erfüllt. Um sinnvolle Anwendungen in der Tracerozeanographie zu ermöglichen, wird eine Kapazität von mindestens 200 Proben pro Jahr benötigt. Das neue Gerät für die Forschung wird damit lange angestrebte Anwendungen erlauben, die sonst nicht möglich wären. Basierend auf bisheriger Forschung haben wir einen klaren Plan für den Aufbau einer kompletten Plattform für den Betrieb von ArTTA: Eine neue Probenaufbereitungslinie basierend auf dem Gettern von reaktiven Gasen erlaubt die Abtrennung von bis zu 10 mL reinem Ar aus kleinen (kleiner als 25 L Wasser oder 10 kg Eis) Umweltproben in wenigen Stunden. Diese Proben werden zum ArTTA Gerät transferiert, welches aus zwei Modulen besteht: Das Optik-Modul erzeugt die benötigten Laserfrequenzen und Laserleistung, das Atom-Modul ist der Teil in dem die Atome mit atomoptischen Werkzeugen detektiert werden, die wir im Prototyp aus dem vorherigen Projekt realisiert haben. So weit als möglich wird die Anlage aus zuverlässigen, hochleistungsfähigen kommerziellen Teilen gebaut. Das System wird in einer hochkontrollierten Containerumgebung installiert, was einen modularen Aufbau gewährleistet, der in Zukunft an unterschiedlichen Orten aufgebaut werden kann.

Neue Beprobungstechniken zur Untersuchung der Rolle von Carboxylat-Exsudaten in der Phosphoraufnahmeeffizienz von Hartweizen (DGT Exudates)

Die Carboxylat-Exsudation ist ein wichtiger Prozess für Pflanzen, um eine ausreichende Nährstoffaufnahme, insbesondere in Böden mit Phosphor-Mangel, sicherzustellen. Die Gewinnung von Carboxylatproben von im Boden gewachsenen Wurzeln ist aufgrund der geringen Konzentrationen von Carboxylaten in der Bodenlösung und ihrer schnellen Mineralisierung durch Mikroben sehr anspruchsvoll. Deshalb wurden die meisten Studien bisher mit künstlichen Wachstumssystemen (z. B. Hydroponik) durchgeführt, von denen viele die Zusammensetzung und Menge der Wurzelexsudate beeinflussen können. Wegen dieser erheblichen technischen Lücke besteht immer noch eine große Wissenslücke hinsichtlich der räumlichen Verteilung von Carboxylat-Exsudaten in der Rhizosphäre, sowie hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Exsudation über die Vegetationsperiode von Kulturpflanzen. Wir haben kürzlich eine niedrig-invasive Citrat-Exsudat-Probenahmemethode entwickelt, die auf der “Diffusive Gradients in Thin Films” Methode (DGT) basiert. Diese Methode stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber bestehenden Techniken dar. In diesem Projekt werden wir (1) unsere DGT-Citrat-Probenahmemethode weiterentwickeln, um weitere wichtige Carboxylat-Exsudat-Verbindungen einzubeziehen, (2) die DGT-Chemical-Imaging-Funktion nutzen, um Carboxylat-Exsudations-Bildgebungs-Workflows mit mm- und sub-mm-Auflösung zu entwickeln, (3) die entwickelten DGT-Carboxylat-Probenahmemethoden hinsichtlich ihrer Möglichkeiten und Einschränkungen charakterisieren und (4) die DGT-Carboxylat-Probenahme anwenden, um die Rolle der Carboxylat-Exsudation bei der Phosphoraufnahmeeffizienz von Hartweizen-Genotypen über ihre Vegetationsperiode und mit hoher räumlicher Auflösung zu untersuchen. Ausgewählte Anionenaustauscherharze werden auf ihre Carboxylatbindungseigenschaften charakterisiert. Räumliche Carboxylatverteilungen werden durch Schneiden der DGT-Gele und durch hochauflösende Massenspektrometrie (LDI-FTICR-MS) visualisiert. Die Probenahmeeffizienz der neuen Methode wird unter Verwendung von Mikrodialyse (künstliche Wurzelsonden) in Kombination mit C-14-markierten Carboxylatverbindungen quantifiziert. Die numerische Simulation der Probenahme und der experimentelle Vergleich mit herkömmlichen Methoden werden die Möglichkeiten und Grenzen der DGT-Carboxylat-Probenahme demonstrieren. Die neu entwickelte Probenahmetechnik wird die Probenahme von ganzen Wurzelsystemen und Wurzelsystemteilen, die Kartierung mit einer Auflösung im mm-Maßstab, die Abbildung von Exsudatgradienten im Mikrometer-Maßstab, und die wiederholte Probenahme über die gesamte Vegetationsperiode ermöglichen. Mit dieser neuartigen Methodik werden beispiellose Daten zu Carboxylat-Exsudationsmustern in Wurzelsystemen von Hartweizen gesammelt werden. Diese Methode wird eine wichtige technische Lücke schließen und zur Entwicklung/Auswahl von Kultursorten mit hoher Phosphoraufnahmeeffizienz beitragen.

Entwicklung von Prozesstechnologie für hocheffiziente langzeitstabile Perowskitsolarzellen nach dem PeroTecTM Verfahren

Entwicklung umweltfreundlicher und kostengünstiger Lithium-Schwefel-Batterien für eine nachhaltige Energiewende, LiSSy - Entwicklung umweltfreundlicher und kostengünstiger Lithium-Schwefel-Batterien für eine nachhaltige Energiewende

Seabed Images at pilot oyster reefs in the Borkum Reef Ground marine protected area taken in May 2024

Video transects were done using the A.IKANBILISTM hovering autonomous underwater vehicle (HAUV) of the company BeeX (https://beex.sg/a-ikanbilis/), which flew over the reefs along predefined transects at a depth of 0.5m above seabed and at a speed of 1 m s-1. From the dive videos of the HAUV, SBIs were extracted every second. Each SBI features two parallel laser lines 30 cm away from each other. The camera used was a GoPro, the videos and pictures were taken perpendicularly to the seabed. The seabed images provide insights into the general composition of key species, higher systematic groups and ecological guilds. The images contain information on how benthic species are associated to each other. Transect files include individual images, whereas metadata of each image includes diving depth, date/time of transect. Geographical coordinates and time of individual images is unavailable, images have a resolution of 300dpi and a size of 9 to 13 MB.

Seabed Images at pilot oyster reefs in the Borkum Reef Ground marine protected area taken in July 2025

Video transects were done using the A.IKANBILISTM hovering autonomous underwater vehicle (HAUV) of the company BeeX (https://beex.sg/a-ikanbilis/), which flew over the reefs along predefined transects at a depth of 0.5m above seabed and at a speed of 1 m s-1. From the dive videos of the HAUV, SBIs were extracted every 5 seconds. SBIs, each SBI features two parallel laser lines 25 cm away from each other. The camera used was a GoPro, the videos and pictures were taken perpendicularly to the seabed. The seabed images provide insights into the general composition of key species, higher systematic groups and ecological guilds. The images contain information on how benthic species are associated to each other. Transect files include individual images, whereas metadata of each image includes diving depth, date/time of transect. Geographical coordinates of some individual images is unavailable, images have a resolution of 300dpi and a size of 7 to 13 MB.

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