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Footprint synthesis for the FLUXNET site Waldstein/Weidenbrunnen (DE-Bay) during the EGER experiment
(2008)
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Lukas Siebicke
- no abstract
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ExchanGE processes in mountainous Regions (EGER) Documentation of the Intensive Observation Period (IOP2) June, 1st to July, 15th 2008
(2008)
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Andrei Serafimovich
Lukas Siebicke
Katharina Staudt
Johannes Lüers
Martina Hunner
Tobias Gerken
Stephanie Schier
Tobias Biermann
Friederike Rütz
Jannis von Buttlar
- no abstract
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ExchanGE processes in mountainous Regions (EGER)- Documentation of the Intensive Observation Period (IOP1) September, 6th to October, 7th 2007
(2008)
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Andrei Serafimovich
Lukas Siebicke
Katharina Staudt
Johannes Lüers
Tobias Biermann
Stephanie Schier
Thomas Foken
- no abstract
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Die Finanzierung von Eigentumswohnungen in Addis Abeba. Eine diskursanalytische Annäherung an Wohneigentum
(2008)
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Nadine Wenzel
- Die Stadtregierung Addis Abebas begann im Jahr 2004 der zunehmend sichtbaren städtischen Wohnungskrise mit einem "Integrated Housing Development Program" (IHDP) entgegen zu wirken. Innerhalb dieses Großprojekts war bis zum Jahr 2011 der Bau von 225.000 Wohnungen vorgesehen, die ursprünglich zur Hälfte der unteren Einkommensschicht1 in Addis Abeba zur Verfügung gestellt werden sollten (Addis Ababa City Government 2007). Die Einheiten dieser so genannten Condominium-Appartment-Häuser, die in jüngster Zeit meist bis zu 7 Etagen erreichen, waren von Beginn an nur für den Eigentumskauf gedacht. Per Losverfahren erhalten registrierte Bewerber eine Zuteilung. Bereits im Jahr 2005 konnten die ersten Begünstigten des IHDP ihre Eigentumswohnung beziehen. Die als Last empfundene Finanzierung dieser einmaligen Chance auf die eigenen vier Wände trübt im Alltag vieler Familien der unteren Einkommensschicht jedoch die Freude über ihr Losglück. Aussagen aus den im Rahmen dieser Arbeit geführten Tiefeninterviews mit Haushaltsmitgliedern über ihr Wohnungseigentum und dessen Finanzierung geben darüber hinaus eindeutige Hinweise darauf, dass Einwohnern von Addis Abeba letztendlich keine Wahlmöglichkeiten hinsichtlich ihres Wohnraumes gegeben sind. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht nicht eine Evaluierung des IDHP, sondern eine kritische Auseinandersetzung (Diskursanalyse) des öffentlichen Diskurses über die Schaffung von Wohneigentum in Addis Abeba. Die empirische Untersuchung konzentriert sich auf drei Forschungsfragen: 1. Welche Diskurse prägen die Wohnungspolitik in Addis Abeba? 2. Ist Eigentum an Wohnraum im äthiopischen Kontext gesellschaftlich relevant? 3. Gibt es eine Beziehung zwischen den Diskursen und dem Rückzahlungs-Verhalten der Begünstigten? Ein Ziel der Forschung war der Versuch, das Feld des ‚Denkbaren’ und ‚Sagbaren’ im Kontext des IHDP auf der Basis von Medienberichten, Dokumenten und Aussagen von Experten zu identifizieren. Gibt es Anzeichen eines hegemonialen Diskurses, der durch seine Wirkmächtigkeit andere Optionen, insbesondere Alternativen zu Wohneigentum, wie bspw. Miete, nicht mehr denkbar erscheinen lässt? Auf Grundlage einer poststrukturalistischen Perspektive, die die Bedeutung von sprachlichen Strukturen und deren Offenheit für die Wirkung von Vorstellungen und Normen in der Praxis anerkennt, wurde FOUCAULTs Empfehlung gefolgt, den Existenzbedingungen eines Diskurses nachzugehen. Wohneigentum scheint für alle Einkommensgruppen eine gesellschaftliche Norm zu sein. Die Konsequenzen für das monatliche Budget und die alltäglichen Handlungsoptionen von Eigentümerhaushalten sind ein wichtiger Teil der empirischen Ergebnisse. In Äthiopien werden die Option eines öffentlichen und privaten Mietwohnungsbaus sowie die Notwendigkeit eines Mieterschutzgesetzes innerhalb der Wohnungspolitik anscheinend nicht gesehen.
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CO2 in Silikatschmelzen
(2008)
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Alexander Konschak
- Die Struktur CO2-haltiger Albit-Diopsidgläser sowie von einem CO2-haltigen Alkalisilikatglas mit NBO/T = 0,98 wurde unter Normalbedingungen mit Infrarot- (IR) und Raman-Spektroskopie untersucht. Im Alkalisilikatglas zeigen die Raman-Spektren klar eine polymerisierende Wirkung des CO2. In den Albit-Diopsidgläsern ist der Einfluss des CO2 auf die Silikatstruktur generell gering; nur in sehr albitreichen Gläsern zeigt das Raman-Spektrum geringe Veränderungen, die auf eine depolymerisierende Wirkung von CO2 unter Bildung stark verzerrter Karbonatgruppen hindeuten könnten. Der Einfluss des Druckes auf die Speziation von CO2 wurde in zwei Versuchsserien untersucht. Alkalisilikatgläser wurden in der Multi-Anvil-Apparatur durch Abschrecken einer Schmelze bei Drücken bis 120 kbar und Temperaturen bis 2100°C hergestellt. Die IR-Spektren zeigten, dass unabhängig vom Druck alles CO2 stets nur als Karbonat gelöst ist. In einer weiteren Serie von Experimenten wurden CO2-haltige Gläser in der DAC bei Raumtemperatur bis über 100 kbar komprimiert. Hierbei verschieben sich die Banden von molekularem CO2 und von Karbonat generell zu höheren Frequenzen. Darüber hinaus wird molekulares CO2 irreversibel in Karbonat umgewandelt. Bei Drücken um 100 kbar ist kein molekulares CO2 in den Gläsern mehr vorhanden. Aus dem ursprünglich vorhandenen molekularen CO2 bildet sich eine stark verzerrte Karbonatgruppe, die auch bei Dekompression erhalten bleibt. Erst durch eine Erwärmung über die Glastransformationstemperatur wird molekulares CO2 zurückgebildet. Die Speziation von CO2 in mehreren Silikatschmelzen wurde in-situ in einer extern beheizbaren DAC (Typ II a-Diamanten) mit Hilfe der Synchroton-IR-Spektroskopie (ANKA Karlsruhe) bis über 1000 °C und 100 kbar untersucht. Der integrale IR-Extinktionskoeffizient bei 20 °C für Karbonat und molekulares CO2 in Phonolit beträgt 58600 ± 2000 l mol-1 cm-2 beziehungsweise 19400 ± 1000 l mol-1 cm-2. Die integralen Extinktionskoeffizienten für Karbonat in Alkalisilikatglas und basaltischem Andesitglas sind 115000 ± 10000 l mol-1 cm-2 bzw. 53000 ± 3000 l mol-1 cm-2. Die Extinktionskoeffizienten von Karbonat und molekularem CO2 nehmen mit steigender Temperatur ab. Ursache hierfür ist eine verminderte Besetzungsdichte des jeweiligen Schwingungsgrundzustandes. Die Abnahme der Extinktionskoeffizienten kann durch die Modellierung der Besetzungsdichte im Grundzustand über eine Boltzmann-Verteilung quantitativ vorhergesagt werden. Mit Hilfe dieser temperaturabhängigen Extinktionskoeffizienten ist eine quantitative Auswertung der IR-Spektren möglich. Schmelzen von Alkalisilikat (NBO/T = 0,98) und von basaltischem Andesit (NBO/T von 0,42) zeigen unabhängig von der Temperatur, dass alles CO2 nur als Karbonat gelöst vorliegt. Bei Dazit (NBO/T = 0,09) und Phonolitschmelze (NBO/T = 0,14) verschiebt sich dagegen oberhalb der Glastransformationstemperatur das Gleichgewicht von Karbonat zu molekularem CO2 hin. Aus der Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten konnte die Enthalpie der Reaktion von molekularem CO2 zu Karbonat bestimmt werden. Für Dazit ergibt sich dH = - 42 ± 12 kJ mol-1, für Phonolit dH = - 65 ± 20 kJ mol-1. Die entsprechenden Reaktionsentropien sind dS = - 38 ± 14 J mol-1 K-1 für Dazit und dS = - 51 ± 20 J mol-1 K-1 für Phonolit. Zusammen mit publizierten Daten aus Temperexperimenten ergibt sich eine lineare Variation von dH und dS mit NBO/T. Dies wurde genutzt für die Konstruktion eines generellen Löslichkeitsmodells von CO2 in Silikatschmelzen. Die CO2-Löslichkeit in Silikatschmelzen wird beschrieben durch die folgenden Gleichgewichte (mit c in mol/l und der Fugazität f in bar): CO2(Gas)=CO2(Schmelze) K1=cCO2(Schmelze)/fCO2(p,T) CO2(Schmelze)+O2-(Schmelze)=CO32-(Schmelze) K2=cCO32-(Schmelze)/cCO2(Schmelze) Beide Gleichgewichtskonstanten können beschrieben werden mit: lnK1=a1*(1000K/T)+b1 lnK2=a2*(1000K/T)+b2 wobei sich die Konstanten wie folgt berechnen: a1 = 21,03*NBO/T + 0,84 b1 = - 11,09*NBO/T – 13,96 a2 = 38,81*NBO/T + 1,48 b2 = - 21,38*NBO/T – 2,69 Dieses Modell kann sowohl CO2-Löslichkeiten als auch die Speziation von CO2 über einen weiten Druck-, Temperatur-, und Zusammensetzungsbereich korrekt vorhersagen. Das Modell zeigt auch, dass bei Temperaturen um etwa 1500 °C auch in depolymerisierten Schmelzen wie Basalten ein erheblicher Teil des gelösten CO2 in molekularer Form vorliegt und sich daher die Diffusionskoeffizienten von CO2 über einen weiten Zusammensetzungsbereich nur wenig ändern. Das Modell sagt aber auch voraus, dass bei Temperaturen nahe 1000 °C die CO2-Speziation stark von der Zusammensetzung der Schmelze abhängt, was mit den in-situ Messungen übereinstimmt. Bei diesen Temperaturen ist daher auch mit einem stärkeren Einfluss der Zusammensetzung auf den Diffusionskoeffizienten von CO2 zu rechnen.
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CO2 and Isotope Flux Measurements above a Spruce Forest
(2008)
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Johannes Ruppert
- The measurement of the turbulent carbon dioxide (CO2) exchange by the eddy covariance (EC) method has become a fundamental tool for the quantitative determination of the atmospheric CO2 net ecosystem exchange (NEE) and the investigation of the carbon mass balances of ecosystems. Such measurements require a high degree of quality control in order to prevent systematic errors. The determination of the annual sum of NEE and filling of data gaps is complicated by characteristic diurnal and seasonal variation in the governing gross flux components of assimilation, i.e. photosynthetic uptake of CO2, and respiration. In this dissertation, a set of criteria is suggested for the identification of high quality NEE data. They are applied to data obtained above a spruce forest in the Fichtelgebirge Mountains in Germany. The application of the quality criteria resulted in less systematic distribution of data gaps compared to a commonly applied criterion based on the friction velocity u-star measured above the canopy. The suggested method is therefore able to reduce the risk of double accounting of nighttime respiration fluxes and systematic error in the annual sum of NEE. The isotopic flux partitioning method can be applied to quantify the assimilation and respiration flux components. Especially above forest ecosystems, it requires isotope flux measurements with high analytical precision in order to resolve small gradients in the isotopic signature of the turbulent exchange. A conditional sampling instrument was developed and tested in laboratory and field experiments. By combining the hyperbolic relaxed eddy accumulation method (HREA), whole-air sampling and high precision isotope ratio mass spectrometry (IRMS), 13CO2 and CO18O isotopic flux densities (isofluxes) could be measured with an estimated uncertainty of 10-20% during a three day intensive measuring campaign of the field experiment WALDATEM-2003 (Wavelet Detection and Atmospheric Turbulent Exchange Measurements 2003). Thorough quality control was applied at all stages of the experiment, including the data evaluation. The sampling process and the assumption of similarity in the turbulent exchange characteristics of different scalars (scalar similarity) were assessed by simulation of HREA sampling based on high temporal resolution data of the turbulent energy and gas exchange. Above three different vegetation types, distinct diurnal changes of scalar similarity were observed and attributed to events on time scales longer than 60 s, which most likely represent changes in the source/sink strength or convective or advective processes. Poor scalar-scalar correlations indicate the risk of systematic underestimation of fluxes measured by HREA. There is some evidence for good scalar similarity and a generally linear relation between bulk CO2 mixing ratios and its isotopic signatures in the turbulent exchange. However, the slope of that relation was observed to change temporarily so that especially for the EC/flask method temporal and spatial scales represented in flask samples must carefully be considered. HREA isoflux measurements have a footprint similar to the footprint of EC measurements and are therefore able to integrate small-scale heterogeneity in ecosystems. CO2 mixing ratios and delta-13C and delta-18O isotopic signatures measured in updraft and downdraft whole-air samples allowed determining ecosystem integrated and truly flux weighted isotopic signatures of the atmospheric ecosystem gas exchange and ecosystem isotope discrimination Delta-e and Delta-E on half-hourly timescales. The observed diurnal variability demonstrates the need for their repeated high precision measurement at ecosystem scale for the evaluation of isotopic mass balances. For the isotopic flux partitioning method, additional data on the integrated canopy isotope discrimination Delta´-canopy from independent measurements or validated models is indispensable. An observed fast equilibration of isotopic disequilibria D13C and D18O between the assimilation and respiration fluxes may indicate that the successful application of the isotopic flux partitioning method is limited to short periods after significant environmental changes on the scale of few days.
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Dynamics of soil processes under extreme meteorological boundary conditions - response of below-ground carbon, sulfur, and iron cycling in fen soils
(2008)
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Klaus-Holger Knorr
- Northern peatlands store approximately 30 % of the global soil carbon stocks. On the other hand, peatlands contribute about 3-10 % to the global methane burden into the atmosphere. Climate predictions foresee not only an increase in the global mean temperature, but also a change in precipitation patterns. As peatlands critically depend on hydrological conditions, a change in precipitation distribution is likely to affect the carbon sink and source function of peatlands. Thus, these ecosystems have become the focus of an increasing number of studies over the past decades. Low water table levels, high temperatures, and a higher nutrient availability were mostly found to increase respiratory activity, but to reduce methane production and –emission. Existing studies, however, investigated changes in average environmental conditions in the long term, while the impact of extreme weather on peatland elemental cycles is still uncertain. Moreover, most studies do not provide a mechanistic understanding of the redox processes underlying the response of peatlands to fluctuations of the water table level. Based on laboratory studies, a thermodynamically constrained competition of the different terminal electron accepting processes for common electron donors was postulated. A detailed validation of this concept under natural or near-natural conditions is, however, still lacking to date. Furthermore, the processes that renew alternative electron accepting capacity during drought are still not yet understood. Fens were also identified to be notable sources or sinks for arsenic. The close association of arsenic with the iron- and sulphur-dynamics – and thus redox dynamics during fluctuations of the water table level in general – is already known. Nevertheless, there exist hardly any study investigating arsenic dynamics and solid phase associations for fens. The main objective of this work was therefore to study the effects of more pronounced drying and rewetting events on redox processes of carbon, iron, and sulphur – and concomitantly arsenic – in an electron acceptor rich fen-ecosystem. In contrast to some existing studies, we could not find a notable effect of the drying/wetting treatment on the overall carbon budgets of the peat. There was an obvious effect of drying/wetting on respiration within the soil, increasing drastically during drought, but the net carbon budget was by far dominated by the autotrophic activity of the vegetation (55-65 %) which was hardly affected by the treatment. Due to the drought event, methanogenesis was effectively suppressed in the unsaturated part of the profile and re-established after rewetting only after a notable time lag of some weeks. This suppression of methanogenic activity – in the laboratory and in the field approach – could successfully be explained by a reoxidation of reduced iron and sulphur compounds, providing alternative electron accepting capacity during and after drought. Only after depletion of alternative electron acceptors, methanogenic conditions could re-establish. Locally, however, in micro-environments especially in the uppermost, intensively rooted layers, methanogenesis re-established even before alternative electron acceptors had been depleted. Based on the obtained data, we propose the high availability of easily degradable organic material, a still high water content, and poor aeration of the peat to responsible for this observation. These factors could support a local depletion of alternative electron acceptors and methanogenesis could thus occur in locally distinct micro-environments. The analysis of the isotopic composition of the dissolved CO2 and the methane produced suggested that the methane was formed via the CO2-reduction pathway with H2 as the electron donor. This pattern was not affected by the drying/wetting treatment. Exceptionally high isotope fractionation factors suggested thermodynamic conditions to be quite unfavourable for methanogens. This coincided with the observation that most of the peat was likely structured in small micro-environments of locally distinct redox conditions and the rapid switches between methanogenic and methanotrophic conditions. The arsenic dynamics under variable redox conditions generally followed the dynamics of ferrous iron, especially in the intensively rooted uppermost soil layers. Coincidingly, a major part of the arsenic was found in the reactive iron-hydroxide fraction, readily available for microbial reduction. Although the total arsenic content in the solid phase was comparably low in the fen under study, concentrations of arsenic exceeded common drinking water standards mostly by far. Methylated arsenic species did not play a noteworthy role in this fen and the immobilization of arsenic in sulfidic phases during reducing conditions was also negligible when compared to mobilization from iron-hydroxide reduction.
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Comparative Life Cycle Assessment of CFC-replacement Compounds in Different Technical Applications
(2008)
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Monika Weckert
- Aim of the present project is to compare the results of the widely used concept of life cycle assessments (LCA) with those obtained by Discrete Mathematics. Mobile air conditioning (A/C) systems in passenger cars are chosen as an example for technical application of refrigerants. The environmental impacts due to life cycles of different possible substitute refrigerants are compared with the presently used 1,1,1,2-tetrafluoroethane (R134a). Additional refrigerants included in this study comprise dichloromethane (R30), propane (R290), isobutane (R600a), carbon dioxide (R744), pentafluorodimethyl ether (E125), 1,1,1’,1’-tetrafluorodimethyl ether (E134), hepta-fluoropropyl methyl ether (E7000), methyl nonafluorobutyl ether (E7100), ethyl nonafluorobutyl ether (E7200), and 1,1-difluoroethane (R152a). The data interpretation is carried out by means of independent methods such as the Dutch Handbook method (CML02), Eco-indicator 99 (EI99) and Total Equivalent Warming Impact (TEWI). According to the CML02 assessment method, R290, R600a, and R744 have a lower environmental impact compared with R134a in the impact categories “Stratospheric ozone depletion” (SOD), “Climate change” (CC), “Fresh water aquatic toxicity” (FAETP), and “Terrestrial ecotoxicity” (TETP). E125, E7000, E7100, and E7200 are the refrigerants with the lowest impacts in the categories “Acidification” (AP), “Eutrophication” (EP), “Photo-oxidant formation” (POCP), and “Human toxicity” (HTP). In the impact category “Depletion of abiotic resources” (ADP), R152a has a lower impact than R134a. The operation phase is the dominant phase within the life cycle. It accounts to > 79 % for impact category ADP, 71 – 99 % for CC, and > 50 % for FAETP. By means of EI 99 and TEWI, R152a, R290, R600a, R744, and E7200 have a smaller environmental impact than R134a under average operation scenario. According to EI99, the operation phase is with 43 – 63 % the dominating life cycle phase. Comparing the assessment of refrigerants by the three methods shows that each method ranked E134 higher than R134a. E7200, E7100, E7000, R152a, R600a, R290, and R744 are ranked lower than R134a. The fate of some persistent degradation products of the studied refrigerants is modelled. The concentrations of perfluorinated carboxylic acids in surface freshwater systems in Germany due to the annual direct refrigerant emissions of E7000, E7100, and E7200 from the A/C system of a passenger car are about the factor 107 to 109 smaller than the precautionary limit of 0.1 µg/L of the Federal Environment Agency for partly or non-assessable substances in drinking water (UBA 2003). Assuming that all 46 million German passenger cars (Destatis 2006a) are equipped with A/C systems using E7000, E7100, or E7200, the concentration of the degradation products in German surface waters will amount to 0.1 – 1 µg/L. That means even under the best-case scenario the above mentioned precautionary limit will be reached and under worst-case scenario exceeded. The ranking of refrigerants due to the aggregation of six substance-intrinsic properties by means of the mathematical model METEOR (METhod of Evaluation by ORder theory) was performed for 15 refrigerants i.e. chlorodifluoromethane (R22), difluoromethane (R32), pentafluoroethane (R125), 1,1,1-trifluoroethane (R143a), propene (R1270), ammonia (R717), R134a, R152a, R290, R30, R600a, R744, E7200, and the blends R407C and R410A. A high rank is accompanied with a high environmental impact. Considering a selection of possible aggregations, R22 is ranked to 87 % within the five highest ranks, followed by R143a with 85 %, and R32 with 71 %. Refrigerants which are ranked predominantly in the five lowest ranks include R717 (88 %), E7200 (81 %), and R290 (74 %). R744 has in ca. 40 % of the selected aggregations the highest rank and in 24 % the lowest rank. Two third of the refrigerants show a modification in their rank distribution pattern when putting an extreme low or high weight on the thermodynamic properties critical temperature and heat capacity. Additional to the results derived by the LCA conducted in this study, literature LCA results comprising different refrigeration processes and refrigerants were included in the comparison with results from METEOR. In general, METEOR does not agree with the results from LCA. In summary, ranking of refrigerants based on substance-intrinsic properties using METEOR can only give a rough estimation about general environmental impact of a certain refrigerant compared to others. Considering A/C systems in passenger cars, R152a, R290, R600a, and R744 appear as the most recommendable replacements of R134a in this application taking into account the results of the present LCA study derived by the three assessment methods and the fate modelling of some refrigerant degradation products.
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Aluminium stabilizes dissolved organic matter by precipitation
(2008)
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Thorsten Scheel
- It is well known that carbon mineralization in acidic forest soils can be reduced by large Al concentrations. Precipitation of dissolved organic matter (DOM) by dissolved Al could contribute substantially to C retention in acidic forest soils. However, no information is available on the properties of precipitated organic matter (OM) and its stability against microbial decay although that might be an important mechanism for long-term carbon storage in soils. Therefore, I investigated the influence of (i) the DOM composition, (ii) the pH of precipitation, and (iii) the Al/C ratio in solution on the amount of OM precipitated, the associated changes in its composition, and the resulting stability of precipitated OM against microbial decay. Between 13 and 84% of the C in solution was precipitated, depending on pH, Al/C ratio, and the composition of DOM. I observed preferential precipitation of aromatic compounds and enrichment of carboxylic C in precipitated OM, being associated by depletion in N and enrichment in P. The type of bonds between OM functional groups and the Al cations was independent of pH, Al/C ratios and solution composition. FTIR spectra indicated ligand exchange as possible binding mechanism. Furthermore, exoenzymes were present in a functional state in precipitated OM. Carbon mineralization of DOM was up to 28 times larger than that of the respective precipitated OM. Only 0.5-7.7% of precipitated C was mineralized during 7 weeks of incubation. When precipitated OM remained in solution the reduction in C degradation by precipitation amounted up to 65%. This increase in stability by precipitation was significantly correlated with the amount of C precipitated. Thus, the bonds between Al and carboxylic groups of aromatic compounds with low N contents resulted in a reduced bioavailability of C. I found no indication for toxic effects of Al. The enzyme activity found in precipitates significantly increased the percentage of C mineralized of precipitated OM. However, after eight weeks of incubation the correlations between enzyme activity and C mineralization disappeared, despite substantial enzyme activity and C being still present. Thus, degradation of precipitated OM seems to be governed by enzyme activity during the first degradation phase, but the long term stability of precipitated OM is probably related to its chemical properties and structure, e.g. floc size. The Al cations linked a large number of molecules of OM up to floc sizes of 110 µm in diameter, with smaller sizes on average at pH 3.8 (16.6 µm) than at pH 4.5 (27.6 µm). For a floc of 10 µm about 80 million molecules needed to be spatially aggregated. Thus, the spatial accessibility of OM was considerably reduced in these flocs leading to additional stabilization, besides the intrinsic stability of the organic compounds and the complexation by Al. The observation that only a certain fraction of precipitated OM is prone to degradation by enzymes supports this. I conclude that precipitation of DOM is an important mechanism for the long-term carbon stabilization in mineral horizons of acidic forest soils. Changing environmental conditions can affect both the amount of OM precipitated and the degradability of the precipitate. Thus, more focus should be laid on the influence of OM precipitation on C retention and sequestration in acidic forest soils.
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Freisetzung von photolabilen und reaktiven Halogenverbindungen aus salzhaltigen Aerosolen unter simulierten troposphärischen Reinluftbedingungen in einer Aerosol-Smogkammer.
(2008)
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Frank Siekmann
- Aus Feldmessungen in arktischen Gebieten weiß man, dass es im Frühjahr Zeiträume gibt, bei denen die Ozonkonzentration in der polaren Troposphäre deutlich abnimmt. Die zum Teil drastische Ozonabnahme wird auf das Vorhandensein von reaktiven Halogenverbindungen zurückgeführt, insbesondere von bromhaltigen Komponenten. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war es, die Freisetzung von reaktiven Halogenverbindungen aus Salzaerosolen in Smogkammer-Versuchen zu simulieren und die Einflussgrößen auf die jeweiligen Radikalkonzentrationen zu ermitteln. Hierzu wurde an der Universität Bayreuth eine Teflonfolienkammer in einem neuen Kältelabor aufgebaut, worin sich Temperaturen bis -25°C einstellen lassen. In der Kammer wurden Gemische von Ozon, Kohlenwasserstoffen und künstlichem Seesalz-Aerosol mit einem Sonnensimulator aus UV- und Solarienleuchtstoffröhren bestrahlt. Aus der Konzentrationsabnahme der Kohlenwasserstoffe konnten die OH- und Cl-Radikale und aus dem Abbau von Ozon die Br-Atome in ihrem zeitlichen Verlauf bestimmt werden. Ein erster Schritt bei den Smogkammerversuchen bestand in der Erzeugung des so genannten „Sea-Spray“ aus Salzlösungen mit einem Ultraschallvernebler. Die dabei erzeugten Aerosoltröpfchen hatten Durchmesser < 1 µm und lagen hinsichtlich ihrer Massendichte von 0,1 bis 2 mg/m³ in Bereichen, die für die troposphärische Mischungsschicht der Arktis charakteristisch sind. Wegen der unvermeidlichen Abnahme der Aerosoldichte durch physikalische Abscheideprozesse konnte die Entwicklung der Reaktionen nur über einen Zeitraum von etwa 3 bis 4 Stunden beobachtet werden, der eine Abhängigkeit von der Anfangskonzentration des Aerosols aufwies. In einigen Versuchen wurde ein stärkerer Sonnensimulator eingesetzt (Osram, HMI), bei dem die UV-Intensität gegenüber der natürlichen Sonneneinstrahlung deutlich angehoben ist. Die intensivere Einstrahlung im UV-Bereich beschleunigt die Ozonphotolyse und bewirkt somit auch ein höheres OH-Niveau (maximal 108 Moleküle cm-3). OH-Radikale können durch die Aufnahme in Aerosolpartikel und Folgereaktionen und die direkte Reaktion mit gasförmigem HX reaktive Cl- und Br-Verbindungen freisetzen und so eine schnellere Einleitung der Halogenkreisläufe bewirken. Der stärkere Sonnensimulator erleichterte und verbesserte die Auswertung der Halogenfreisetzung in den 3 bis 4 Stunden nutzbarer Versuchsdauer und kompensierte teilweise den Nachteil des kurzen Beobachtungszeitraums. Die Zusammensetzung der Salzlösungen (insbesondere der Bromidgehalt) zur Erzeugung der Aerosole hatte einen maßgeblichen Einfluss auf die Halogenaktivierung und damit auch auf den Ozonabbau. Daher wurde die Zusammensetzung der Salzlösung durch Erhöhung des Br-Anteils variiert (vom natürlichen Gehalt im Meerwasser, 0,3%, auf ca. 1%). Unter natürlichen Bedingungen kann ein erhöhter Halogenanteil durch die Bildung von z.B. Meereisblumen hervorgerufen werden. Bei diesen Versuchen mit hohem Br-Gehalt wurden Konzentrationen von [Cl] = 105–106 cm-3 bzw. [Br] = 107–108 cm-3 bestimmt. Für Cl ist der Wert in der Smogkammer während der Phase der Ozonabnahme ca. 10-fach höher als unter polaren Bedingungen. Die Br-Radikale weisen dagegen unter natürlichen Bedingungen der polaren Troposphäre annähernd die gleichen Konzentrationen wie unter Smogkammer-Bedingungen auf. Es ist daher anzunehmen, dass die Aerosole mit erhöhtem Bromidanteil auch von großer Bedeutung für den Ozonabbau in den polaren Regionen sind.
