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Dynamik, Variabilität und bioklimatische Effekte von niedrigen Wolken im westlichen Zentralafrika

Niedrige Wolken sind Schlüsselbestandteile vieler Klimazonen, aber in numerischen Modellen oft nicht gut dargestellt und schwer zu beobachten. Kürzlich wurde gezeigt, dass sich während der Haupttrockensaison im Juni und September im westlichen Zentralafrika eine ausgedehnte niedrige Wolkenbedeckung (engl. „low cloud cover“, LCC) entwickelt. Eine derart wolkige Haupttrockenzeit ist in den feuchten Tropen einzigartig und erklärt wahrscheinlich die dichtesten immergrünen Wälder in der Region. Da paläoklimatische Studien auf eine Instabilität hinweisen, kann jede Verringerung des LCC aufgrund des Klimawandels einen Kipppunkt für die Waldbedeckung darstellen. Daher besteht ein dringender Bedarf, das Auftreten, die Variabilität und die bioklimatischen Auswirkungen des LCC in westlichen Zentralafrika besser zu verstehen.Um diese Ziele zu erreichen, wurde ein Konsortium aus französischen, deutschen und gabunischen Partnern aufgebaut, zu dem Meteorologen, Klimatologen und Experten für Fernerkundung und Waldökologie gehören. Die meteorologischen Prozesse, welche die Bildung und Auflösung der LCC im Tagesgang steuern, werden anhand von zwei Ozean-Land-Transekten auf der Grundlage einer synergistischen Analyse von historischen In-situ Beobachtungen, von Daten einer Feldkampagne und anhand von atmosphärischen Modellsimulationen untersucht. Die Ergebnisse werden mit einem kürzlich entwickelten konzeptionellen Modell für LCC im südlichen Westafrika verglichen.Die intrasaisonale bis interannuale Variabilität des LCC wird durch die Analyse von In-Situ-Langzeitdaten und Satellitenschätzungen quantifiziert. Unterschiede im Jahresgang des LCC (d.h. jahreszeitlicher Beginn und Rückzug, wolkenarme Tage) und die Ausdehnung ins Inland werden dokumentiert. Ansätze, die auf Wettertypen und äquatorialen Wellen basieren, werden verwendet, um intrasaisonale Variationen des LCC zu verstehen. Die Auswirkungen lokaler und regionaler Meeresoberflächentemperaturen auf die LCC-Entwicklung und ihre Jahr-zu-Jahr Variabilität werden bewertet, wobei statistische Analysen und spezielle Sensitivitätsversuche mit einem regionalen Klimamodell verknüpft werden.Schließlich wird der Einfluss von LCC auf die Licht- und Wasserverfügbarkeit bzw. die Waldfunktion anhand von In-Situ-Messungen untersucht. Die Ergebnisse werden mit Messungen aus der nördlichen Republik Kongo, wo die Trockenzeit sonnig ist, sowie mit einem einfachen Wasserhaushaltsmodells, das an die Region angepasst ist, verglichen. Die Wasserhaushaltsanalysen sollen die Kompensations- oder Verstärkungseffekte von Regen im Vergleich zur potenziellen Evapotranspiration, beide moduliert durch die LCC, auf das Wasserdefizit aufzeigen.Die Ergebnisse von DYVALOCCA werden zum ersten konzeptionellen Modell für Wolkenbildung und -auflösung im westlichen Zentralafrika führen und eine Hilfestellung für die Bewertung von Klimawandel-Simulationen mit Blick auf potentielle Kipppunkte für die immergrünen Regenwälder in der Region geben.

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.

Berechnungsverfahren zu seismischen Einwirkungen auf basisisolierte kerntechnische Gebäudestrukturen und Komponenten

Berechnungsverfahren zu seismischen Einwirkungen auf basisisolierte kerntechnische Gebäudestrukturen und Komponenten, TP: Analytische und numerische Ansätze zur optimierten Auslegung der seismischen Isolation

Forschergruppe (FOR) 5315: Humusauflage: Funktionsweise, Dynamik und Vulnerabilität im Wandel, Teilprojekt: Wasserspeicherung und Wasserumverteilung in der Humusauflage beeinflusst die Perkolation, Verdunstung und DOM Flüsse

Humusauflagen (FF) sind hydrologisch hoch relevant, sind jedoch nur ein teilweise erforschter Nexus zwischen Niederschlag, Stammfluss, Verdunstung und Infiltration in den Boden. Vor allem aufgrund seiner sich zeitlich ändernden Eigenschaften in bezüglich Mächtigkeit, physikalischen Eigenschaften und Benetzungseigenschaften, und der weitgehend unbekannten räumlichen und zeitlichen Muster. Die Gesamtauswaschung von gelöster organischer Substanz (DOM) oder gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) aus dem FF in den Boden ist relevant, um die Kohlenstoffbilanz des FF zu beschreiben. Dieses Projekt wird die räumlichen und zeitlichen Muster der Wasserflüsse im FF auf verschiedenen Skalen im Detail untersuchen und seine Form und Struktur mit den hydrologischen Prozessen in Verbindung bringen. Dies wird durch den Einsatz eines neuen Grid-Lysimeters erreicht, mit dem auch kontinuierliche In-situ-Messungen von DOM im Sickerwasser möglich sind sowie neuartige Experimente mit Benetzungsmitteln und Farbtracern. Aber auch die größeren räumlichen Muster der FF-Mächtigkeit, -Typ, -Vegetation und anderen Eigenschaften werden gemessen und analysiert. Wir werden zum ersten Mal die räumliche und zeitliche Variabilität mit den Flüssen von DOM/DOC sowie Rückkopplungsmechanismen zur Atmosphäre in Verbindung bringen. Dies ist umso relevanter, wenn man kurz- und langfristige Veränderungen des FF aufgrund des Klimawandels und Veränderungen in der Zusammensetzung der Baumarten einschließlich Auswirkungen von Dürren oder wärmeren Temperaturen betrachtet. Die Rolle von P1 in der FF-RU besteht darin, die hydrologischen Eigenschaften und Dienstleistungen von FF und ihre zentrale Rolle in Wasser- und Nährstoffflüssen zu verstehen sowie den Input für ökologische Modellierungen und eine Vielzahl von Basisdatensätze zu liefern.

Gas-Emissionen und Atmungsverluste an der Silage-Anschnittfläche: eine umfassende Studie mit neuartigen In-Situ-Sensoren und Datenmodell-Fusion

Für die Fütterung von Wiederkäuern und die Biogasproduktion werden weltweit große Mengen an Silage verwendet. Die Gasaustausch-Prozesse an der geöffneten Silage bei der Entnahme sind in ihrer Dynamik nach wie vor wenig erforscht. Diese Erkenntnisse haben aber direkten Einfluss auf die Beurteilung der Silagequalität (Frische und Verderb) und die Bewertung der hiervon ausgehenden Umweltwirkungen (Klimagasemissionen). Hierzu wird eine grundlegende und umfassende Studie vorgeschlagen, die sich auf beide Themen konzentriert, die Oxidationsrate/Energieverlust und die Emission von Treibhaus- und Vorläufergasen. Dabei sollen zwei neuartige, automatisierte Multisensorsysteme zur Erfassung und Zuordnung der Signale der Gasemission aus der Silage verwendet werden. Die beiden üblichen Silage-Formen werden berücksichtigt: Flachsilos für Maissilage und Rundballen für Weidelgras, Luzerne und Mais. Die positive oder negative Wirkung chemischer und biologischer Zusatzstoffe auf die Verderbsprozesse und die Gasemission aus der Silage soll ebenfalls untersucht werden. Durch digitale Signalverarbeitung wird das freigesetzte CO2 in zwei Quellen aufgeteilt, von denen sich eine während der vorausgegangenen anaeroben Phasen in der Silage gebildet hat und die andere auf die mikrobiellen, aeroben Prozesse an der Anschnittfläche zurückzuführen ist. Während die erste Quelle eine abklingende Funktion aufweist, überdeckt sie zu Beginn der Messungen die zweite Quelle, die den eigentlichen oxidativen Prozess beschreibt und mit den Energieverlusten der Silage einhergeht. Unter Verwendung dieser neuen Erkenntnisse werden wir das häufig verwendete Pitt-Muck-Modell aktualisieren, um den CO2-Fluss von der geöffneten Seite eines Flachsilos zu simulieren. Mit Hilfe eines Datenmodell-Fusionsansatzes soll das Pitt-Muck-Modell so erweitert werden, dass die in-situ-Messungen aus Experimenten auf dem Untersuchungsbetrieb mit den numerischen Ergebnissen validiert und kombiniert werden können.

Top-Down Bestimmung der CH4-Emissionen lokalisierter Emittenten über boden- und flugzeuggestützte In-situ und Fernerkundungsdaten, Teilprojekt 2: Flugplanungsstrategie

Berechnungsverfahren zu seismischen Einwirkungen auf basisisolierte kerntechnische Gebäudestrukturen und Komponenten, Berechnungsverfahren zu seismischen Einwirkungen auf basisisolierte kerntechnische Gebäudestrukturen und Komponenten

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Physikalische und chemische Eigenschaften von Wolkenpartikelresiduen und eisnukleierenden Partikeln in Verbindung mit Wolken in hohen geographischen Breiten vom Mischphasen- bis zum Zirrenniveau (HALO 2020, CIRRUS-HL)

Es wird vermutet, dass Zirruswolken in hohen geographischen Breiten (arktische Zirren), einen positiven „Cloud Radiative Effect“ (CRE) haben und somit zum Phänomen der "Arctic Amplification" beitragen. Das Vorzeichen und die Stärke des CRE arktischer Zirren hängt von deren mikrophysikalischen Eigenschaften, d.h. der Eispartikelkonzentration, dem effektiven Eispartikelradius und dem Eiswassergehalt (IWC), ab. Diese Parameter werden hauptsächlich durch den Eisbildungsprozess (heterogen vs. homogen) und durch den Bildungspfad (in-situ vs. flüssiger Ursprung) bestimmt. Dies impliziert insbesondere für Zirren flüssigen Ursprungs die Beteiligung von eisnukleierenden Partikeln (INP), was deren Häufigkeit, Eigenschaften und Quellen zu Schlüsselfaktoren für die Bildung, die mikrophysikalischen und Strahlungseigenschaften von Zirren in hoher Breiten macht. Informationen über INP in hohen geographischen Breiten im Allgemeinen und in größeren Höhen im Besonderen, extrem rar. Im Rahmen der HALO-Mission CIRRUS-HL wollen wir daher das Wissen hinsichtlich arktischer INP über a) die Charakterisierung von Eispartikel- (IPR) und Wolkentröpfchenresiduen (CPR, Summe aus IPR und Tröpfchenresiduen) in arktischen Zirren und Mischphasenwolken, und b) die vertikal aufgelöste Messung (Mischphase bis Zirrusniveau) von Hochtemperatur INP (> -30°C) außerhalb von Wolken, erweitern. Für die geplanten Untersuchungen werden der HALO-CVI („Counterflow Virtual Impactor“) und der Aerosolpartikelfiltersammler HERA verwendet werden. Hinter dem HALO-CVI werden Instrumente zur physikalischen (Anzahl der Konzentrationen, Partikelgrößenverteilung, BC-Konzentration) und chemischen (Einzelpartikelzusammensetzung, MPI-C) Charakterisierung der IPR und CPR betrieben. Die von HERA gesammelten Filterproben werden im Anschuss an die Kampagne in den TROPOS-Laboratorien hinsichtlich der physikalischen INP-Eigenschaften (Anzahlkonzentrationen und Gefrierspektren) sowie der chemischen Zusammensetzung der Aerosolpartikel analysiert.Bei In-Wolken-Messungen werden der HALO-CVI und HERA kombiniert werden. So können die INP, innerhalb der gesammelten IPR (Zirren) und Wolkentropfenresiduen (CPR, in Mischphasenwolken) identifiziert, quantifiziert und charakterisiert werden. Diese INP könnten potenzielle Vorläufer von Zirrus mit flüssigem Ursprung in hohen Breiten sein.In Verbindung mit den Ergebnissen der im Rahmen von CIRRUS-HL durchgeführten in-situ Messungen wolkenmikrophysikalischer Eigenschaften, sowie der Analyse von Rückwärtstrajektorien der untersuchten Luftmassen werden wir a) bzgl. der Häufigkeit und der Eigenschaften von INP ein bisher einmaliges Schließungsexperiment (innerhalb und außerhalb der Wolke) durchführen, b) das Wissen über die raumzeitliche Verteilung, die Eigenschaften und die Quellen von INP signifikant erweitern und c) tiefe Einblicke in INP-Effekte auf die Bildung und die mikrophysikalischen Eigenschaften von Zirruswolken in hohen geographischen Breiten erhalten.

Budgetierung von Sauerstoffproduktion unter sich ändernden Lichtverhältnissen in oligotrophen Seen

Um die Stoffwechselreaktionen von Seeökosystemen auf schnelle Umweltveränderungen wie „Browning“ zu verstehen, ist eine detaillierte Quantifizierung der Primärproduktion und Respiration unter natürlichen Bedingungen unabdingbar. Die Respiration am Tage ist jedoch für herkömmliche Konzentrationsmessungen „unsichtbar“. Daher sind unser prozedurales Verständnis und die Qualität von Vorhersagen begrenzt. Stabile Isotopenmessungen von Sauerstoff und Kohlenstoff bieten möglicherweise ein Instrument zur Untersuchung funktioneller Beziehungen von Respirationsraten in der Helligkeit an. Wir schlagen vor, hochfrequente In-situ-Messungen zusammen mit langfristiger Ökosystemforschung und stabilen Isotopen zu verwenden, um die Lichtabhängigkeiten natürlicher Phytoplankton-Gemeinschaften in 3 verschiedenen Seen über einen Zeitraum von einem Jahr zu untersuchen. Unter Berücksichtigung der Leistungsfähigkeit dieser verschiedenen Methoden erwarten wir, (a) die Treiber der In-situ-Tagesatmung zu bestimmen, (b) die zeitliche Variabilität von R zu bestimmen, (c) die Stabilität der Fraktionierung der Gemeinschaftsatmung zu bewerten, (d) die Variabilität in photosynthetischen Quotienten abzuschätzen und (e) nichtproduktive Licht-abhängige Prozesse unter naturnahen Bedingungen zu quantifizieren. Die Beantwortung der oben genannten Ziele und Hypothesen liefert Informationen über die Beziehung zwischen dem Seestoffwechsel und der Zusammensetzung der Gemeinschaft, einschließlich unvoreingenommener Schätzungen zur Tagesatmung. Es werden dabei auch Kenntnisse über die lichtinduzierte Variabilität der Photosynthese-quotienten und die möglichen Auswirkungen hohen Licht-intensitäten auf die Brutto- und Nettoökosystemproduktion gewonnen. Im Allgemeinen werden diese Untersuchungen unser Verständnis des Stoffwechsels von oligotrophen und klaren See-Ökosystemen fördern und eine solide Grundlage für die Erforschung grundlegender Fragen der Seeökologie, einschließlich des „browning“, bieten.

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