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s/spectrometrie/Spektrometrie/gi

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Standardisiertes Monitoring von Wachstumsreaktionen wichtiger Waldbaumarten auf klimatische Extremereignisse

Hauptziel von TV1 ist die Untersuchung verschiedener Hauptbaumarten entlang der deutschen Mittelgebirgsschwelle in Bezug auf ihre Reaktion auf klimatische Extremereignisse. Dazu werden langfristige Klima-Wachstumsbeziehungen ermittelt und mit hochfrequenten physiologischen Messungen am Baum kombiniert. Zur Erklärung der beobachteten Reaktionsmuster werden verschiedene Standortfaktoren und Umweltparameter hinzugezogen. Dabei werden Klima, Boden und Topographie genauso berücksichtigt wie die Bestandshistorie und Managementfaktoren. Ein weiteres Ziel von TV1 ist die Entwicklung eines neuen Strahlungsmoduls. Dies soll in das standardisierte DHC-Monitoringsystem integriert werden, um die kurzwellige Strahlung photosynthetisch und photomorphogenetisch relevanter Spektralbereiche in Echtzeit zu erfassen. Die Spektralanalyse liefert Einblicke in die Kroneneigenschaften und damit in das Stresslevel der Bäume. Durch die Kopplung mit den gemessenen Kohlenstoff- und Wasserflüssen sowie weiteren DHC-Daten können die Strahlungsdaten zudem Aufschluss über verschiedene Aspekte der Morphogenese geben. Die Erkenntnisse aus TV1 dienen dem Prozessverständnis und bilden eine wichtige Basis für die Berechnung von Energie-, Wasser- und Kohlenstoffbilanzen ausgewählter Waldbestände. Sie fließen in die im Gesamtprojekt verwendeten Modelle ein und werden genutzt, um Zusammenhänge zwischen Energieinput, Wachstum und Stress zu quantifizieren. Die Strahlungsdaten dienen zudem der Verbesserung der Validierung von Fernerkundungsprodukten. Neben den genannten Forschungsaktivitäten übernimmt TV1 die Koordination des Verbundvorhabens und leitet die Bereiche Kommunikation und Transfer. Dazu gehört die Organisation von Projektmeetings und Workshops unter Einbezug relevanter AkteurInnen aus Forstpraxis und -verwaltung sowie die Entwicklung eines Leitfadens mit Handlungsempfehlungen für die Forstpraxis. Dieser soll basierend auf den Forschungsergebnissen zum Projektende veröffentlicht werden.

Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz in Unterböden unter besonderer Berücksichtigung der Interaktion zwischen Mineralen und organischer Substanz

Das Wissen über die Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz in Böden der gemäßigten Breiten beschränkt sich bis auf wenige Ausnahmen auf die Oberböden (A-Horizonte und Auflagen) Hier finden sich die höchsten Konzentrationen der organischen Substanz. Jüngere Inventurarbeiten haben nun gezeigt, dass auch im Unterboden (B- und Cv-Horizonte) beträchtliche Mengen an organischer Substanz, allerdings in niedrigen Konzentrationen vorliegen. Ziel des geplanten Vorhabens ist es, (1) die Menge der organischen Substanz im Unterboden zu erfassen, (2) ihre Zusammensetzung und Herkunft zu bestimmen und (3) ihre Umsetzbarkeit zu erfassen. Daraus sollen Rückschlüsse auf die Stabilisierungsmechanismen der organischen Substanz im Unterboden gezogen werden. Nach einer Inventur der Bodenprofile an den SPP-Standorten (C-Gehalte, 14C-Alter) erfolgt die Erfassung der Zusammensetzung der organischen Substanz mittels Festkörper-13C-NMR-Spektroskopie. Die Zusammensetzung der Lipid-, Polysaccharid- und Ligninfraktion soll Hinweise auf die Herkunft der stabilisierten organischen Substanz differenziert nach oberirdischen, unterirdischen Pflanzenrückständen und mikrobiellen Resten geben. Abbauversuche unter kontrollierten Bedingungen im Labor und die Erfassung des 14C-Alters des freigesetzten CO2 sollen Aufschluss über die Umsetzbarkeit des 'jungen' und 'alten' C im Unterboden geben. Dabei werden jeweils die Profile über die gesamte Entwicklungstiefe untersucht, um die Ergebnisse der Unterbodenhorizonte in Bezug zu den Oberböden und zu den Ergebnissen anderer AG im SPP zu setzen. Darauf aufbauend können dann in den nächsten Phasen des SPP die Eigenschaften der organischen Substanz im Unterboden und die Regulation der C-Umsetzungen im Unterboden untersucht werden.

Modelluntersuchungen zu Rotations-Schwingungs-Anregungen von Hydroxyl-Molekülen in der Mesosphäre und Rotationstemperaturen

Eine der Standardmethoden zur Temperaturbestimmung in der Mesopausen-Region basiert auf spektroskopischen Messungen der Rotationstemperaturen von Hydroxyl-Molekülen. Eine wichtige Frage bei der Interpretation der gemessenen Rotationstemperaturen ist die Frage nach der Thermalisierung der Rotationszustände. Bisher gibt es jedoch nur wenige Untersuchungen zu diesem Thema.Das Ziel dieses Projektes ist, Hydroxyl-Moleküle in verschiedenen Rotations-Schwingungs-Zuständen in der oberen Mesosphäre und unteren Thermosphäre zu untersuchen. Zu diesem Zweck soll ein kinetisches Modell der Schwingungs- und Rotations-Anregungen von OH entwickelt werden. Das Modell soll verwendet werden, um die Konzentrationen von angeregten Hydroxyl-Molekülen und Emissionsraten in verschiedenen Höhen und für verschiedene atmosphärische Bedingungen zu simulieren. Insbesondere sollen die Besetzungen der Rotationszustände analysiert werden, um Abweichung vom lokalen thermodynamischen Gleichgewicht bewerten zu können. Die Modellergebnisse sollen mit bodengestüzten Messungen und Satelliten-Messungen verglichen werden.

Entwicklung von tropischer hochreichender Konvektion abgeleitet aus bodengebundenen abbildenden Spektroradiometermessungen

Im Rahmen des Projekts soll aus bodengebundenen Wolkenseitenmessungen der reflektierten Strahlung mittels eines abbildenden Spektrometersystems von tropischer hochreichender Konvektion auf das Vertikalprofil der mikrophysikalischen Eigenschaften der Wolke geschlossen werden. Damit soll die vertikale Entwicklung von hochreichender Konvektion, die eine wesentliche klimarelevante Rolle spielt, unter Berücksichtigung des Einflusses von Aerosolpartikeln und von thermodynamischen Bedingungen auf das Tropfenwachstum charakterisiert werden. Die geplanten Messungen sollen auf einem 320 m hohen Messturm (ATTO: Amazonian Tall Tower Observatory), der kürzlich im brasilianischen Regenwald errichtet wurde, stattfinden. ATTO ist mit Messgeräten ausgestattet, die meteorologische, chemische und Aerosolparameter liefern. Die Messregion bietet ideale Beobachtungsbedingungen mit klar definierten Jahreszeiten (Regen- und Trockenzeit), täglicher Konvektion und variablen Aerosolbedingungen. Aus den Messungen eines neuen abbildenden Spektrometersystems, SPIRAS (SPectral Imaging Radiation System) sollen Vertikalprofile der thermodynamischen Phase und der Partikelgröße mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung und mit Hilfe von adaptierten Verfahren unter Verwendung von dreidimensionalen Strahlungstransportsimulationen abgeleitet werden. Damit sollen vertikale Bereiche, die das Tropfenwachstum beschreiben (Diffusion, Koaleszenz, Mischphasenbereich und Vereisung), identifiziert werden. Zusätzliche Messungen einer Infrarotkamera und eines scannenden Depolarisations-Lidars werden für die Höhen- und Temperaturbestimmung der beobachteten Wolkenelemente herangezogen. Zusätzlich werden die Polarisationsmessungen des Lidars zur Bestimmung der thermodynamischen Phase verwendet, um den wichtigen Phasenübergang zu identifizieren. Mit Hilfe der gewonnenen Daten werden außerdem Annahmen (Effektivradius als konservative Wolkeneigenschaft) wie sie von Ableitungsverfahren zur Bestimmung von mikrophysikalischen Wolkenprofilen aus Satellitenmessungen gemacht werden, überprüft.

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).

Stabilisierung der organischen Bodensubstanz im intrapartikulären Porenraum von Mineralclustern

Die Festlegung von gelöster organischer Substanz im intrapartikulären Raum von Mineralclustern, insbesondere in sogenannter Mikro- und Mesoporen (A kleiner 2-50 nm) kann über physikalischem Ausschluss von Exoenzymen zur Stabilisierung organischer Substanzen führen. Ziel der geplanten Arbeiten ist die Quantifizierung des Beitrags dieses Prozesses zur Bildung stabiler organischer Bodensubstanz. Dazu werden verschiedene Mineralphasen mit natürlicher organischer Substanz belegt. Diese Proben werden im Vergleich zu Bodenproben der vier Referenzstandorte hinsichtlich der Verteilung der organischen Bodensubstanz im intrapartikulären Porenraum untersucht. Gasadsorption (N2, CO2) und Hg-Porosimetrie erlauben Aussagen zur Inkorporation von organischer Substanz in Abhängigkeit von spezifischer Oberfläche, Porengrößenverteilung und Porengeometrie. Die Kombination verschiedener mikroskopischer (TEM, ESEM), mikrospektroskopischer Methoden (XPS, SANS/SAXS, ESI, EELS) liefert detaillierte Informationen zu Ausmaß und Art der Festlegung von organischer Substanz in den intrapartikulären Porenräumen. Die Arbeiten haben ferner zum Ziel, eine geeignete Strategie für zukünftige enzymatische Abbauversuche zu entwickeln, mit denen die Umsatzraten der so stabilisierten organischen Komponenten quantifiziert werden können.

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.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Genauere Bestimmung des Klimasignals aus Wasserisotopen in antarktischen Eisbohrkernen

Die Antarktis ist ein wesentlicher Bestandteil des Klimasystems: Die enorme Menge an Eis interagiert mit der Atmosphäre und dem Ozean und hat einen entscheidenden Einfluss auf das Strahlungsbudget der Erde und auf die ozeanische und atmosphärische Zirkulation. Aufgrund der verhältnismäßig kurzen Verfügbarkeit instrumenteller Aufzeichnungen, wird die Signatur des Klimawandels in der Zentralantarktis durch starke natürliche Klimavariabilität maskiert. Deutlich aussagekräftigere Werte kann die Auswertung von Eisbohrkernen liefern, in denen die gemessene Isotopenzusammensetzung belastbare Informationen über vergangene Klimaentwicklungen sowohl auf kurzen Zeitskalen (anthropogene Periode) wie langen Zeitskalen (Eis- / Warmzeitzyklen) zulässt. Dies ermöglicht es, die gegenwärtigen Temperaturschwankungen der Antarktis im Kontext der letzten Jahrtausende einzuordnen und vergleichbaren Szenarien gegenüberzustellen. Dabei wird die Interpretation des Wasserisotopensignals, insbesondere bei hoher zeitlicher Auflösung, durch bisher noch nicht vollständig verstandene Prozesse während der Deposition an der Oberfläche und Archivierung des Signals im Eis eingeschränkt. Diese Einflüsse spielen speziell bei Untersuchungen auf dem ostantarktischen Plateau eine erhebliche Rolle.Das hier vorgestellte Projekt untersucht die Archivierung des Klimasignals in der Isotopenzusammensetzung in der Region von Dome C, in der die längsten verfügbaren Eisbohrkerne der Welt vorliegen. Ziel ist es, die Fähigkeit zur Rekonstruktion früherer Klimaschwankungen zu verbessern, indem genauer untersucht wird, wie Klimaschwankungen die Isotopenzusammensetzung im Eis prägen. Dies wird erreicht, indem Rauschquellen identifiziert werden, welche das Klimasignal in der Eisisotopen-zusammensetzung maskieren und verzerren, hier insbesondere das stratigraphische Rauschen, das durch eine kleine (<5m) Dekorrelationslänge gekennzeichnet ist, und das Rauschen durch unregelmäßigen Niederschlag, welches durch eine große (>100km) örtliche Dekorrelationslänge gekennzeichnet ist. Die Untersuchung basiert dabei auf zwei Methoden. Einem mechanistischen Ansatz bei dem die Ergebnisse einer einjährigen Messung des Wasserdampf-Schnee Isotopenaustauschs verwendet werden, wird die statistische Analyse der Schneeisotopenvariablilität gegenübergestellt, die auf eine große Anzahl statistisch auswertbarer Daten aus der Dome C Umgebung zurückgreifen kann. Durch diese vergleichende Auswertung kann ein besseres Prozessverständnis erreicht werden, welches es erlaubt Wasserisotope als genaueren Indikator für Klimaentwicklungen nutzen zu können. Die Arbeit nutzt modernste Analyseverfahren der Infrarotspektroskopie sowie fortgeschrittene statistische Verfahren. Sie basiert auf der Zusammenarbeit mit anderen Instituten durch Wissensaustausch und gemeinsame Feldarbeiten. Das Projekt wird wesentliche Verbesserungen beim Verständnis der Prozesse ermöglichen, welche die Isotopensignale in Eisbohrkernen prägen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1803: EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota, Einfluß von Biokrustenstruktur und -funktion bei der Verwitterung, der Bodenbildung und bei Erosionsprozessen (CRUSTWEATHERING)

Global betrachtet bilden biologische Bodenkrusten (Biokrusten) die produktivste Biomasse der -Kritischen Zone- arider Regionen der Erde. Sie bestehen aus heterotrophen Bakterien, Pilzen, Flechten, Moosen, Cyanobakterien und Algen sowie deren Ausscheidungsprodukten. Mittels extrazellulärer organischer Substanzen verkleben sie mineralische Bodenpartikel und bilden eine Art stabile -Haut- an der Bodenoberfläche. Diese aggregierte, gegenüber Wassererosion stabile Schicht trägt multifunktional zur Primärproduktion, Mineralisierung, biogenen Verwitterung, Festlegung trockener und nasser Deposition sowie zur Stabilisierung von Böden, Hängen und ganzen Landschaften bei. Als sogenannte Ökosystem-Ingenieure beeinflussen sie die Nährstoff- und hydrologischen Kreisläufe klein- und großräumig. Intensive Literaturstudien ergaben zweifelsfrei, dass die Biokrusten in ganz Südamerika nahezu unerforscht sind, obwohl sie in den Gebieten des SPP EarthShape sehr häufig vorkommen. Daher sind die Hauptziele unseres interdisziplinären Forschungsprogramms, 1) die weitgehend unbekannte Strukturierung und Zusammensetzung chilenischer Biokrusten mittels Feld- und Labormethoden zu untersuchen, um deren Verbreitung und organismische Zusammensetzung zu erfassen; 2) herauszufinden, wer von den abundanten Organismen mit welchen biochemischen Prozessen zur biogenen Verwitterung beiträgt, und die Verwitterungsraten in Abhängigkeit von Struktur und Zusammensetzung der Biokrusten und Umweltbedingungen (z.B. Mikroklima) aufzuklären; 3) die Funktion von Biokrusten in den gekoppelten biogeochemischen Kreisläufen von P- (Schwerpunkt!), C- und N-Verbindungen über räumliche Skalen, von atomar/molekular über Einzelminerale, Biokrustenmuster und Bodenprofile bis zu Hängen bzw. Einzugsgebieten zu erfassen, letzteres mittels fernerkundlich erfasster Spektraldaten und gemeinsam entwickelter Transferfunktionen sowie 4) zu verstehen, wie mikroklimatische Bedingungen und Wasserverfügbarkeit die Biokrustenzusammensetzung, Aktivität, Bedeckungsgrad und Funktion in ariden Ökosystemen steuern. Die Forschungsarbeiten beginnen mit einer gemeinsamen Feldkampagne zur Beschreibung pedologischer, geobotanischer und physisch-geographischer Gegebenheiten der Untersuchungsgebiete. Dabei werden die Forschungsflächen instrumentiert sowie Biokrusten- und Bodenproben gesammelt. Der methodisch moderne Ansatz nutzt neueste molekularbiologische, elektronenmikroskopische, pflanzenphysiologische, chemisch-analytische (massen- und synchrotronbasierte Spektroskopie) und Fernerkundungstechniken, kombiniert mit multivariater Datenanalyse. Wir erwarten, dass die Ergebnisse bisher unbekannte Biokrustenorganismen und physiologische/ökologische Funktionen erschließen sowie deren Beitrag zur biogenen Verwitterung und anderen fundamentalen Prozessen der Oberflächenformung der Erde erfassen, und damit grundlegende Erkenntnisse mit entsprechenden Daten für Geosystemmodelle auf regionaler und globaler Ebene generieren.

Gekoppelte chromatographische Methoden in der Spurenanalytik

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