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s/spectrometrie/Spektrometrie/gi

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Präzisionsmesstechnik und Verwitterungsmonitoring - Hochgenaue geometrische Erfassung der Oberflächendegradation an Kulturgütern

Die Oberflächen aller im Freien befindlichen Kulturgüter sind in mehr oder minder stark atmosphärischen Einflüssen ausgesetzt, die zu einer Beschädigung führen können, sofern keine Schutzmaßnahmen ergriffen werden oder diese nicht die gewünschte Wirkung entfalten. In Bezug auf Gesteinsoberflächen sind dabei hauptsächlich physische Beschädigungen zu beobachten, die zu einem Abtrag der Gesteinssubstanz führen. Eine frühzeitige Erkennung von Art, Verteilung und Umfang solcher Beschädigungen ist eine wichtige Voraussetzung zur gezielten und adäquaten Ergreifung von Gegenmaßnahmen, die den Erhalt der wertvollen Objektsubstanz erreichen sollen. Angesichts der schleichenden Charakteristik solcher Zerfallsprozesse ist eine qualitative wie quantitative Bewertung problematisch, da in kurzen Zeitabständen oftmals nur minimale Veränderungen auftreten. Andererseits besteht gerade für langsame Prozesse eine gute Chance die Oberflächen zu erhalten, wenn die ablaufenden Prozesse frühzeitig erkannt und bewertet werden können. Dies erfordert allerdings eine sehr detaillierte Analyse der Oberfläche und der sich darin abspielenden morphologischen Veränderungen. Die Basis für solche Analysen müssen sehr genaue geometrische und ggf. farbliche oder spektrometrische Messungen sein, die den morphologischen und optischen Zustand der Oberflächen dokumentieren und eine belastbare Datengrundlage für die Erkennung von Veränderungen liefern. In Kontext des Flächenmonitorings arbeiten das Institut für Steinkonservierung und das Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik (i3mainz) zusammen, um das Potenzial moderner Messverfahren auszuloten und exemplarisch zur Überwachung von ausgewählten Objektflächen einzusetzen. In einer ersten Phase wurde dazu das Potenzial verschiedener Messverfahren analysiert und charakterisiert, um eine bestmöglich geeignete Technik für die in der zweiten Phase sich anschließende exemplarische Anwendung auswählen zu können. Eine Gegenüberstellung der unterschiedlichen Techniken wie Digitale Stereophotogrammetrie, Streifenprojektionsverfahren, scannende Systeme und Strukture from Motion erfolgte nach speziellen Eigenschaften und Parametern. Die zweite Projektphase dient der Anwendung der aus der ersten Phase heraus definierten Messtechnik an weiteren Objekten, die in unterschiedlicher Weise und verursacht durch verschiedene Faktoren mehr oder weniger starken Zerfallsprozessen unterworfen sind. Die ausgewählten Objekte weisen jeweils unterschiedliche Charakteristika auf und wurden entsprechend den vorab festgelegten Anforderungen erfasst. Für eine Visualisierung von Schadstellen und witterungsbedingter Veränderungen sind unterschiedliche Analyseverfahren (GIS, 3D Analysetools, usw.) untersucht und an den Beispielobjekten angewandt worden.

Sonderforschungsbereich Transregio 172 (SFB TRR): Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)3, Teilprojekt B02: Fernerkundung von Aerosoleigenschaften und Bodenreflektanz in der Arktis von Satellitenbeobachtungen

Dieses Teilprojekt befasst sich mit der Rolle von aerosol-optischen Eigenschaften und spektralen Bodenreflektanzen und deren Veränderungen während der derzeitigen arktischen Verstärkung. In diesem Zusammenhang profitiert und verwendet es satellitengetragene Beobachtungen von Spektrometern der letzten 3 Jahrzehnte, welche die aufwärtsgerichtete Radianz am Oberrand der Atmosphäre sowie die extraterrestrische solare Irradianz aus dem Weltall messen. Der anfängliche Fokus wird auf den Daten von MERIS und SeaWiFS liegen. Der Algorithmus ist allerdings allgemein und kann daher auch auf MODIS Daten und andere relevante Quellen angewendet werden. Die Erzeugung eines gemeinsamen und konsistenten Datensatzes wird eines der Zielstellungen dieses Projekts sein.

Gasaustausch bei hohen Windgeschwindigkeiten

Basierend auf dem Stand des Wissens ist es nicht möglich, zuverlässig die Transfergeschwindigkeiten für den Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre bei hohen Windgeschwindigkeiten anzugeben. Der Mangel an experimentellen Daten ist der Grund dafür. Das Ziel dieses Projekts ist es daher, die Mechanismen des Gasaustausches mit Fokus auf die hohen Windgeschwindigkeiten durch eine Reihe von Laborexperimenten unter den weit möglichen Bedingungen zu untersuchen. Drei geeignete Einrichtungen wurden ausgewählt: der erste Wind/Wellen Kanal, an dem Windgeschwindigkeiten mit Hurrikan Stärke möglich sind, an der Universität Kyoto, der große Kanal an der Universität Marseille und der große ringförmige Kanal an der Universität Heidelberg, das Aeolotron. Die experimentellen Bedingungen umfassen Windgeschwindigkeiten (U10) von 0-70 m/s, Wassertemperaturen von 5-40 Grad C, Süß- und Meerwasser, Überlagerung mechanisch und winderzeugter Wellen und Belüfter, um hohe Blasenkonzentrationen zu erreichen. Mehr als ein Dutzend Tracer - mit denen der gesamte Bereich der möglichen Diffusivitäten und Löslichkeit abgedeckt wird - lassen sich gleichzeitig durch Membraneinlass-Massenspektrometrie und UV Spektroskopie messen. Damit werden die vorhandenen konzeptionellen Modelle überprüft und, wenn notwendig, modifiziert oder erweitert, und die relative Bedeutung der einzelnen Mechanismen quantitativ bestimmt.

Release of hexavalent chromium from ore processing residues and the potential of biochar for chromium immobilization in polluted soils

Chromium (Cr) is introduced into the environment by several anthropogenic activities. A striking ex-ample is the area around Kanpur in the Indian state of Uttar Pradesh, where large amounts of Cr-containing wastes have been recently illegally deposited. Hexavalent Cr, a highly toxic and mobile contaminant, is present in significant amounts in these wastes, severely affecting the quality of sur-roundings soils, sediments, and ground waters. The first major goal of this study is to clarify the solid phase speciation of Cr in these wastes and to examine its leaching behavior. X-ray diffraction and synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy techniques will be employed for quantitative solid phase speciation of Cr. Its leaching behavior will be studied in column experiments performed at un-saturated moisture conditions with flow interruptions simulating monsoon rain events. Combined with geochemical modeling, the results will allow the evaluation of the leaching potential and release kinetics of Cr from the waste materials. The second major goal is to investigate the spatial distribution, speciation, and solubility of Cr in the rooting zone of chromate-contaminated soils surrounding the landfills, and to study the suitability of biochar as novel soil amendment for mitigating the deleterious effects of chromate pollution. Detailed field samplings and laboratory soil incubation studies will be carried out with two agricultural soils and biochar from the Kanpur region.

Untersuchung der Bildung und der Struktur gebundener Rückstände des Fungizids Cyprodinil in Pflanzen

Ziel des Projektes ist es, die gebundenen Rückstände des Fungizids Cyprodinil, die in Weizenstroh bis zu 45 Prozent und in Körnern bis zu 30 Prozent des applizierten Wirkstoffs betragen können, bezüglich ihrer Struktur und der Art der Bindung zu charakterisieren. Die in den unlöslichen Pflanzenfraktionen festgelegten Rückstände sollen durch klassische Aufschlüsse und, als zu entwickelnde neue Methode, durch Silylierung freigesetzt, in organische Lösungsmittel überführt und mit hochauflösender NMR-Spektroskopie sowie mit chromatographischen Methoden untersucht werden. Weiterhin sind Festkörper-NMR-Untersuchungen der Rückstände in festen Pflanzenproben und -fraktionen vorgesehen. Cyprodinil wird für die geplanten NMR-Untersuchungen vom Hersteller, Novartis, an geeigneten Molekülpositionen mit 13C markiert. Für die Lokalisation und quantitative Erfassung der Rückstände wird zusätzlich 14C-markierter Wirkstoff eingesetzt. Um größere Mengen von Metaboliten und gebundenen Rückständen für die geplanten Charakterisierungen herzustellen, soll Cyprodinil auch in Weizen-Zellkulturen inkubiert werden. Zur Verminderung der NMR-Untergrundsignale der Pflanzenmatrix ist vorgesehen, die Inkubation in Pflanzen bzw. Zellkulturen durchzuführen, deren natürlicher 13C-Gehalt abgereichert wurde. Für spektroskopische Vergleichsmessungen ist die Kopplung des Fungizids an synthetische Ligninpolymere geplant.

FT-IR Spektroskopie als schnelle Methode zur Bestimmung der biochemischen Zusammensetzung pflanzlicher Biomasse

Will man in ökologischen Stoffkreisläufen auch die Energieumsätze bestimmen, ist es erforderlich, den Nahrungswert der einzelnen Stufen in der Nahrungskette zu kennen. Für aquatische Stoffkreisläufe sind die Energieumsätze bislang nicht genau genug untersucht, um einigermaßen genaue Bilanzen aufstellen zu können, da eine ausreichend empfindliche und genaue Analytik nicht verfügbar ist. In dem Vorhaben soll die quantitative spektroskopische Bestimmung von Fetten, Kohlenhydraten und Proteinen, wie sie aus der Lebensmittelanalytik bekannt ist, so verfeinert werden, daß sie auf Phytoplankton anwendbar wird.

Aerosole aus dem asiatischen Monsun in der oberen Troposphäre: Quellen, Alterung, Auswirkungen

Die Asian Tropopause Aerosol Layer (ATAL), eine Schicht mit erhöhtem Aerosolgehalt, tritt jedes Jahr von Juni bis September in 14-18 km Höhe in einem Gebiet auf, das sich vom Mittelmeer bis zum westlichen Pazifik erstreckt. Hinsichtlich der Zusammensetzung der Partikel, sowie ihrer Bedeutung für die Strahlungsbilanz in dieser klimasensitiven Höhenregion bestehen große Unsicherheiten. Die bisher einzigen Flugzeugmessungen aus dem Zentrum der ATAL wurden 2017 im Rahmen der StratoClim Kampagne von Kathmandu aus gewonnen. Dabei entdeckten wir mit Hilfe des Infrarotspektrometers GLORIA auf dem Forschungsflugzeug Geophysica, dass feste Ammoniumnitrat (AN) â€Ì Partikel einen beträchtlichen Teil der Aerosolmasse ausmachen. Diese zählen zu den effizientesten Eiskeimen in der Atmosphäre. Zudem zeigte die gleichzeitige Messung von Ammoniakgas (NH3) durch GLORIA, dass dieses Vorläufergas durch starke Konvektion in die obere Troposphäre verfrachtet wird. Im Rahmen der PHILEAS-Kampagne schlagen wir eine gemeinsamen Betrachtung von atmosphärischen Modellsimulationen und Messungen vor, um die Zusammensetzung, Ursprung, Auswirkungen und Verbleib der ATAL-Partikel zu untersuchen â€Ì insbesondere im Hinblick auf ihre Prozessierung sowie ihren Einfluss auf die obere Troposphäre und die untere Stratosphäre der nördlichen Hemisphäre. Messungen von monsunbeeinflussten Luftmassen über dem östlichen Mittelmeer sowie über dem nördlichen Pazifik werden es uns erlauben, Luft mit gealtertem Aerosol- und Spurengasgehalt zu analysieren und damit die StratoClim-Beobachtungen aus dem Inneren des Monsuns zu komplementieren. Um dabei die wahrscheinlich geringeren Konzentrationen an Aerosol und Spurengasen zu quantifizieren, schlagen wir vor, die GLORIA-Datenerfassung von NH3 und AN u.a. durch die Verwendung neuartiger spektroskopischer Daten zu verbessern. Ferner werden wir die Analyse der GLORIA-Spektren auf Sulfataerosole sowie deren Vorläufergas SO2 auszudehnen. Auf der Modellseite werden wir das globale Wetter- und Klimamodellsystem ICON-ART weiterentwickeln, um die ATAL unter Einbeziehung verschiedener Aerosoltypen (Nitrat, Ammonium, Sulfat, organische Partikel, Staub) zu simulieren â€Ì unter Berücksichtigung der hohen Eiskeimfähigkeit von festem AN. Modellläufe werden durchgeführt, um einerseits einen globalen Überblick über die Entwicklung der ATAL 2023 zu gewinnen und zudem detaillierte, auf die relevanten Kampagnenperioden zugeschnittene, wolkenauflösende Informationen über die Aerosol-Wolken-Strahlungs-Wechselwirkungen zu erhalten. Über die direkte Analyse der PHILEAS-Kampagne hinausgehend wird diese Arbeit die Grundlage für eine verbesserte Analyse von Aerosolparametern aus GLORIA-Beobachtungen früherer und zukünftiger HALO-Kampagnen sowie aus Satellitenbeobachtungen legen. Darüber hinaus wird sie ICON-ART, einem der zentralen Klimamodellsysteme in Deutschland die Simulation von Aerosolprozessen sowie Aerosol/Wolken-Wechselwirkungen im Zusammenhang mit der ATAL ermöglichen.

Biogeochemical interface formation in soils as controlled by different components

We consider clay minerals, iron oxides and charcoal as major components controlling the formation of interfaces relevant for sorption of organic chemicals, as they control the assemblage of organic matter and mineral particles. We studied the formation of interfaces in batch incubation experiments with inoculated artificial soils consisting of model compounds (clay minerals, iron oxide, char) and natural soil samples. Results show a relevant contribution of both iron oxides and clay minerals to the formation of organic matter as sorptive interfaces for hydrophobic compounds. Thus, we intend to focus our work in the second phase on the characterization of the interface as formed by organic matter associated with clay minerals and iron oxides. The interfaces will be characterized by the BET-N2 and ethylene glycol monoethyl ether (EGME) methods and 129Xe and 13C NMR spectroscopy for determination of specific surface area, sorptive domains in the organic matter and microporosity. A major step forward is expected by the analysis of the composition of the interface at different resolution by reflected-light microscopy (mm scale), SEM (scanning electron microscopy, micrometer scale) and secondary ion mass spectrometry at the nanometer scale (nanoSIMS). The outcomes obtained in combination with findings from cooperation partners will help to unravel the contribution of different types of soil components on the formation and characteristics of the biogeochemical interfaces and their effect on organic chemical sorption.

Effects of water content, input of roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover & determination of the spatial variability of subsoil properties

It is well established that reduced supply of fresh organic matter, interactions of organic matter with mineral phases and spatial inaccessibility affect C stocks in subsoils. However, quantitative information required for a better understanding of the contribution of each of the different processes to C sequestration in subsoils and for improvements of subsoil C models is scarce. The same is true for the main controlling factors of the decomposition rates of soil organic matter in subsoils. Moreover, information on spatial variabilities of different properties in the subsoil is rare. The few studies available which couple near and middle infrared spectroscopy (NIRS/MIRS) with geostatistical approaches indicate a potential for the creation of spatial maps which may show hot spots with increased biological activities in the soil profile and their effects on the distribution of C contents. Objectives are (i) to determine the mean residence time of subsoil C in different fractions by applying fractionation procedures in combination with 14C measurements; (ii) to study the effects of water content, input of 13C-labelled roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover in an automatic microcosm system; (iii) to determine general soil properties and soil biological and chemical characteristics using NIRS and MIRS, and (iv) to extrapolate the measured and estimated soil properties to the vertical profiles by using different spatial interpolation techniques. For the NIRS/MIRS applications, sample pretreatment (air-dried vs. freeze-dried samples) and calibration procedures (a modified partial least square (MPLS) approach vs. a genetic algorithm coupled with MPLS or PLS) will be optimized. We hypothesize that the combined application of chemical fractionation in combination with 14C measurements and the results of the incubation experiments will give the pool sizes of passive, intermediate, labile and very labile C and N and the mean residence times of labile and very labile C and N. These results will make it possible to initialize the new quantitative model to be developed by subproject PC. Additionally, we hypothesize that the sample pretreatment 'freeze-drying' will be more useful for the estimation of soil biological characteristics than air-drying. The GA-MPLS and GA-PLS approaches are expected to give better estimates of the soil characteristics than the MPLS and PLS approaches. The spatial maps for the different subsoil characteristics in combination with the spatial maps of temperature and water contents will presumably enable us to explain the spatial heterogeneity of C contents.

Leistungsoptimierte Lithium-lonen Batterien

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.

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