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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.

Charakterisierung von Mineralstaub-Deposition mit hoher Zeitauflösung im Hinblick auf Partikelgröße, Zusammensetzung und atmosphärische Alterung an für ein atmosphärisch-ozeanisches Staubbudget relevanten Standorten

Nass- und Trockendeposition sind die wesentlichen Prozesse, die Mineralstaub aus der Atmosphäre entfernen. Teragramm Mineralstaub werden pro Jahr interkontinental verfrachtet. Erreicht Staub weitab von seiner Quelle wieder die Erdoberfläche, kann er erheblichen Einfluss auf Ökosysteme haben. Insbesondere ozeanische Ökosysteme sind in ihrer Bioproduktivität nährstofflimitiert. Diese Nährstoffe können durch Mineralstaub eingetragen werden. Trotz der Bedeutung der Deposition sind Messungen bislang rar, und Staubmodelle, die sich an den wenigen Messungen validieren, zeigen erhebliche Fehler. Hauptsächlich der Mangel an geeigneten Messdaten behindert im Moment das weitergehende Verständnis des Staubzyklus. Fehlende standardisierte Messtechnik zur Trockendepositionsmessung erschwert bislang gute Datenerfassung. Daher wird ein neuer automatisierter Nass- und Trockendepositionssammler entwickelt und charakterisiert. Der Sammler wird mit meteorologisch relevanter Zeitauflösung (Stunden bis Tage) betrieben und damit einen großen Nachteil vergangener Messungen beheben, nämlich eine Zeitauflösung von meist Wochen bis Monaten. Durch den Einsatz automatisierter rasterelektronenmikroskopischer Einzelpartikel-Analyse wird ein bisher unerreichter Daten-Detailreichtum für Partikelgrößen von 700 nm bis 100 mym zur Verfügung stehen, einschließlich Partikelgrößenverteilung, Elementzusammensetzung und Partikel-Mischungszustand. Besondere Aufmerksamkeit wird potentiellen Nährstoffen wie Fe, P, K, Mg und Ca gewidmet. Für ausgewählte Proben wird weiterhin Partikel-Hygroskopizität bestimmt.Nach der Testphase auf der Insel Frioul, Frankreich, während der der Sammler im Vergleich zur dort existierenden Zeitreihe validiert wird, werden drei Instrumente an Stationen in Betrieb genommen, die für Staubeintrag in die relevant Ozeane sind: Sao Vicente, Kap Verde und Barbados im Saharischen Ausfluss so wie Heimaey, Island, im arktischen Staub. In einer zweiten Phase (nach dem vorliegenden Projekt) soll das Netzwerk dann erweitert werden durch New Island, Falkland im südamerikanischen Ausfluss, Amakusa, Japan im asiatischen Ausfluss und die Insel Amsterdam zwischen dem südafrikanischen und dem australischen Ausfluss. Zum ersten Mal werden aus diesem Projekt kontinuierliche Zeitreihen der Nass- und Trockendeposition von Mineralstaub zur Verfügung stehen, die tägliche bzw. Ereignis-basierte Zeitauflösung und zudem Partikel-Größenauflösung bieten. Hieraus werden atmosphärische Schlüsselfaktoren abgeleitet, die zur Deposition führen. Weiterhin wird eine Partitionierung zwischen Nass- und Trockendeposition und ihr Größenverteilung von Nährstoffen - insbesondere P und Fe - untersucht. Partikel-Mischungszustand und Form werden durch ein Mischungsmodell und Bildanalyse bestimmt. Eine öffentliche Datenbank wird bereitgestellt, die z. B. für Modellvalidierung zu Verfügung steht. Es ist geplant, die Stationen nach Ende der DFG-Finanzierungphase weiter zu betreiben.

Sonderforschungsbereich (SFB) 806: Unser Weg nach Europa: Kultur-Umwelt Interaktion und menschliche Mobilität im Späten Quartär, Teilprojekt F05: Verfeinerung von Chronologien durch neue Radiokarbondatierungsmethoden: Molekulare Isotopenarchäologie

Die Rekonstruktion der menschlichen Evolution kann durch genauere Datierungen von Knochen erheblich verbessert werden. Zusätzliche Informationen über die Ernährungsweise frühzeitlicher Menschen liefern Analysen der Isotopenzusammensetzung von Knochen. Besonders bei sehr alten Knochenfunden stellt sich jedoch das Problem, dass diese stark aufgrund von Austauschprozessen mit dem Sediment verunreinigt sein können. Dieses verfälscht die Ergebnisse von Radiokohlenstoffdatierungen und stabilen Isotopenanalysen. Die neue, noch nicht routinemäßig etablierte Methode der Isolierung einzelner Aminosäuren aus dem in Knochen enthaltenen Kollagen, kann diese Probleme lösen und zuverlässigere Ergebnisse liefern. Diese Methodik soll in F5 etabliert und angewendet werden. Darüber hinaus wird Teilprojekt F5 weiterhin AMS 14C-Analysen für alle SFB-Projekte durchführen.

The role of turgor in rain-cracking of sweet cherry fruit

Rain-cracking limits the production of many soft and fleshy fruit including sweet cherries world wide. Cracking is thought to result from increased water uptake through surface and pedicel. Water uptake increases fruit volume, and hence, turgor of cells (Pcell) and the pressure inside the fruit (Pfruit) and subjects the skin to tangential stress and hence, strain. When the strain exceeds the limits of extensibility the fruit cracks. This hypothesis is referred to as the Pfruit driven strain cracking. Based on this hypothesis cracking is related to two independent groups of factors: (1) water transport characteristics and (2) the intrinsic cracking susceptibility of the fruit defined as the amount of cracking per unit water uptake. The intrinsic cracking susceptibility thus reflects the mechanical constitution of the fruit. Most studies focussed on water transport through the fruit surface (factors 1), but only little information is available on the mechanical constitution (i.e., Pfruit and Pcell, tensile properties such as fracture strain, fracture pressure and modulus of elasticity of the exocarp; factors 2). The few published estimates of Pfruit in sweet cherry are all obtained indirectly (calculated from fruit water potential and osmotic potentials of juice extracts) and unrealistically high. They exceed those measured by pressure probe techniques in mature grape berry by several orders of magnitude. The objective of the proposed project is to test the hypothesis of the Pfruit driven strain cracking. Initially we will focus on establishing systems of widely differing intrinsic cracking susceptibility by varying species (sweet and sour cherry, Ribes and Vaccinium berries, plum, tomato), genotype (within sweet cherry), stage of development and temperature. These systems will then be used for testing the hypothesis of Pfruit driven strain cracking. We will quantify Pfruit und Pcell by pressure probe techniques and compression tests and the mechanical properties of the exocarp using biaxial tensile tests. When the presence of high Pfruit and Pcell is confirmed by direct measurements, subsequent studies will focus on the mode of failure of the exocarp (fracture along vs. across cell walls) and the relationship between failure thresholds and morphometric characteristics of the exocarp. However, when Pfruit und Pcell are low, the hypothesis of Pfruit driven strain cracking must be rejected and the mechanistic basis for low pressures (presence of apoplastic solutes) clarified on a temporal (in the course of development) and a spatial scale (exocarp vs. mesocarp). We focus on sweet cherry, because detailed information on this species and experience in extending the short harvest period is available. Where appropriate, other cracking susceptible species (sour cherry, plum, Vaccinium, Ribes, tomato) will be included to further extend the experimental period and to maximize the range in intrinsic cracking susceptibility.

Anforderungen an die Überprüfung und den Nachweis der Sicherheit bei der längerfristigen Zwischenlagerung abgebrannter Brennelemente und verglaster hochradioaktiver Abfälle

Abgebrannte Brennelemente aus Kernkraftwerken und hochradioaktive Abfälle aus der Wiederaufarbeitung müssen bis zu ihrer Endlagerung in zentralen oder dezentralen Zwischenlagern sicher gelagert werden. Da sich die Zeiträume bis zur Verfügbarkeit und Annahmebereitschaft eines Endlagers in Jahrzehnten bemessen, sind über solche Zeiträume Langzeit- und Alterungseffekte mit denkbaren sicherheitsrelevanten Auswirkungen nicht auszuschließen. In dem Projekt für das BMU ist das Öko-Institut von der GRS damit beauftragt, entsprechende Effekte zu identifizieren, die Anforderungen an Überwachungsprogramme für Zwischenlager zusammenzustellen und Empfehlungen für die Weiterentwicklung des deutschen Regelwerks abzuleiten.

Genese und Ökofunktionen von Paläo- und rezenten Böden der westlichen Inneren Mongolei, NW-Chinas

Es sollen Paläo- und rezente Böden in den Becken- und Schwemmfächerbereichen des Gaxun Nur-Systems (Abb. 1) untersucht werden. Die Ziele dieser Untersuchungen sind: 1. Das Paläoklima zu rekonstruieren, 2. die Entwicklung und 3. die Ökofunktionen der Böden zu erfassen. Zur Rekonstruktion des Paläoklimas werden relikte sowie fossile Böden untersucht, die datierbar sind bzw. bekanntes Alter haben. Dabei werden vor allem Paläoböden von Wadi- und Strandterrassen bevorzugt untersucht. Die Verwitterungsart und Verwitterungsintensität dieser Böden sollen durch Geländearbeit, mineralogische und geochemische Untersuchungen sowie über Stoffbilanzen erfaßt werden. Ziel dieser Untersuchungen ist die Ableitung pedogener Klimaindikatoren.An rezenten Böden sollen 1. der Einfluß der hohen Kontinentalität auf bodenbildende Prozesse (Bioturbation, kryoklastische und chemische Verwitterung) und 2. Wichtige Ökofunktionen (z.B. Verdunstung, Grundwasserneubildung, Kapillarer Aufstieg, Versalzung) bestimmt werden. Mit Hilfe von Satellitenaufnahmen und geophysikalischen Methoden soll eine Regionalisierung der Daten erfolgen, so daß es möglich wird, für bestimmte Teilgebiete Boden. und Landeignungskarten sowie Karten über den Wasserhaushalt (z.B. Grundwasserneubildung, Kapillarer Aufstieg) und die Versalzungs- sowie Erosionsgefährdung zu erstellen.

Sonderforschungsbereich Transregio 172 (SFB TRR): Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)3, Teilprojekt D02: Modellierung von Aerosolen und Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in der Arktis

Dieses Teilprojekt befasst sich mit der Rolle von Aerosolpartikeln im arktischen Klima und deren Änderung in den vergangenen aber auch in zukünftigen Jahrzehnten. Unter Verwendung eines allgemeinen Zirkulationsmodells der neuen Generation wird der Aerosoltransport und der Einfluss auf Strahlung und Wolken untersucht. Basierend auf Modellsimulationen wird der direkte Strahlungsantrieb und damit verbundene dynamische Rückkopplungsmechanismen für die arktische Region quantifiziert. Dies beinhaltet den Einfluss von Alterungs- und Mischungsprozessen auf mikrophysikalische und optische Eigenschaften als auch auf den Schnee/Eis-Albedoantrieb. Ein besonderer Fokus wird dabei auf Rußpartikel resultierend aus vermehrten Schiffs- und Waldbrandemissionen gelegt. Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen und der Aerosol indirekte Strahlungsantrieb werden untersucht.

I-BasE - Innovative Batteriestrategien für die Energiewende

Einfluss organischer Aerosole auf Luftqualität und Klima

Organische Aerosole (OA) sind wichtige Bestandteile atmosphärischer Partikel. Je nach Region können sie zwischen 20 und 90% der gesamten Submikron-Partikelmasse betragen. Dennoch sind organische Aerosolquellen, atmosphärische Prozesse und Ableitung sehr ungewiss. Vorrangiges Ziel dieses Antrages ist es, die Auswirkungen organischer Aerosole auf Luftqualität und Klima zu untersuchen. Dazu soll die Darstellung des Aerosolaufbaus und die Weiterentwicklung in einem globalen Klima-Chemie-Modell verbessert werden. Das geplante Vorhaben basiert auf einem rechnerisch effizienten Modul zur Beschreibung der Zusammensetzung und Entwicklung atmosphärischer Aerosole in der Atmosphäre (ORACLE), ein Teil des ECHAM5/MESSy (EMAC) Klima-Chemie-Modells. ORACLE wird unter Berücksichtigung aller auf Labor- und Feldmessungen basierenden neuesten Erkenntnissen und Entwicklungen aktualisiert werden, um den zunehmend oxidierenden, weniger flüchtigen und stärker hygroskopischen Charakter des organischen Aerosols während der atmosphärischen Alterung mittels Nachverfolgung ihrer beiden wichtigsten Parameter, Sättigungskonzentration und Sauerstoffgehalt, genauer darzustellen. Dieses Modellsystem soll eingesetzt werden, um die Unsicherheit hinsichtlich der Einflüsse organischer Aerosole auf die globale Luftqualität und den Strahlungsantrieb zu verringern, und zwar durch: i) Quantifizierung des relativen Beitrags der Bildung sekundärer organischer Aerosole (SOA) sowie Emissionen primärer organischer Aerosole (POA) auf den Gesamthaushalt organischer Aerosole in unterschiedlichen Umgebungen; ii) Quantifizierung des Beitrags von Biomasseverbrennung und Schadstoffemissionen sowie chemische Alterung und weiträumige Übertragung auf den Gesamthaushalt organischer Aerosole; iii) Ermittlung, inwieweit SOA Konzentrationen durch biogene und anthropogene Emissionen sowie photochemische Alterungsprozesse beeinträchtigt werden; iv) Untersuchung der Weiterentwicklung von SOA-Bildung aus natürlichen Quellen durch deren Interaktion mit anthropogenen Emissionen; v) Abschätzung der Auswirkungen photochemischer Alterungsprozesse auf die physikalisch-chemischen Eigenschaften organischer Aerosole (z.B. Hygroskopizität, Volatilität) und vi) Einschätzung der indirekten Auswirkungen organischer Aerosole auf das Klima. Vor allem aber wird der vorliegende Antrag der kommenden Generation von Chemie-Klimamodellen eine realistische Beschreibung der chemischen Entwicklung organischer Aerosole in der Atmosphäre liefern, was für die Reduzierung der Aerosol-Unsicherheiten in der Luftqualität und bei Klimasimulationen von wesentlicher Bedeutung ist. Es ist auch davon auszugehen, dass das Forschungsvorhaben wertvolle Informationen zu den Quellen und der Produktion von OA weltweit liefert, was derzeitige CCMs nicht leisten können und welche von Politikern zur Entwicklung zukünftiger wirksamer Emissionsminderungsstrategien genutzt werden können.

Datierung von alten Grundwaessern

Um Informationen ueber mittlere Verweilzeiten, ueber Herkunft und Fliesswege von Grundwaessern zu erhalten, werden Isotopenmethoden (radioaktive und stabile Nuklide) eingesetzt. Messungen werden v.a. an Waessern der NAGRA-Bohrungen und an benachbarten Waessern durchgefuehrt und interpretiert. Da bereits sehr alte Waesser gefunden wurden, werden neue Methoden mit einem groesseren Datierungsbereich benoetigt, z.B. mit Chlor-36 und Krypton-81. Diese Methoden sind in Entwicklung.

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