S

 ZCH

 ICG

 ZEL

Verantwortlich: Prof. A. Wahner, ICG, a.wahner@fz-juelich.de

Aufgaben und Ziele

Ziel des FE-Vorhabens "Chemie und Dynamik der Geo-Biosphäre" ist es, Grundlagen für das quantitative Verständnis von Zustandsänderungen in den Umweltkompartimenten Sedimente, Boden/ Grundwasser, Vegetation und Atmosphäre auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen zu schaffen. Es wird die Verteilung, die Umwandlung und die Wirkung ausgewählter Substanzen in Atmosphäre, Biosphäre, Boden und Sedimenten untersucht. Dabei werden vor allem Prozesse des Stoffaustausches und der Stoffumwandlung an den Grenzflächen der Umweltkompartimente Boden-Biosphäre-Atmosphäre berücksichtigt. Diese Prozesse sind besonders wichtig für Gebiete mit hoher industrieller Tätigkeit, starkem Verkehrsaufkommen und gleichzeitiger intensiver landwirtschaftlicher Nutzung, wie sie in Deutschland und Europa vorliegen. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen der Umweltvorsorge und liefern Beiträge zur Umsetzung einer ressourcenschonenden Nutzung von Böden, Luft und Wasser. Die Forschungsaufgaben tragen zu den Programmen "Geosystem: Die sich verändernde Erde", "Atmosphäre und Klima" und "Biogeosysteme: Dynamik, Adaption und Anpassung" im Forschungsbereich "Erde und Umwelt" der Helmholtz-Gesellschaft bei.

Für den kompartimentübergreifenden Forschungsansatz, der von den sedimentären Systemen bis hin zur Stratosphäre reicht, stehen dem FE-Vorhaben spezielle wissenschaftlich-technische Infrastruktureinrichtungen, wie Atmosphären-Simulationskammer (SAPHIR), Pflanzenkammer und Positronenmessvorrichtungen (PlanTIS), Lysimeteranlagen mit Umgangsgenehmigungen für radioaktive Substanzen und Feldstandorte mit unterschiedlichen hydrogeologischen Bedingungen zur Verfügung. Im Rahmen des Kompetenzzentrums NIM sollen nicht-invasive Methoden und Verfahren entwickelt werden, mit dem Ziel die Stoffströme in Biogeosystemen auf unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen zu untersuchen. Weiterhin werden Großballone und verschiedene Flugzeuge als Messplattform eingesetzt verbunden mit einer Mitgliedschaft bei einer European Economic Interest Group (EEIG) des Höhenforschungsflugzeugs Geophysica. Die FE-Arbeiten sind national (HGF, BMBF, DFG, Industrie) und europäisch eingebunden, sie sind zentraler Bestandteil der entsprechenden Programme. Des weiteren gibt es Beiträge durch den Bereich (S) bezüglich der Ausbreitung von Spurengasen in der Atmosphäre und die Zentrale Abteilung für chemische Analytik (ZCH) im Bereich chemische Analytik.

Wichtige Ergebnisse im Jahr 2003

• Geosystem: Die sich verändernde Erde

Klimavariabilität und menschlicher Lebensraum
Auf einer Waldlysimeteranlage wurden mikroklimatische und baumphysiologische Studien durchgeführt, um den saisonalen Verlauf von C- und O- Isotopen aus Jahrringen zu erfassen. Mit einem neu entwickelten Verfahren zur O-Isotopenanalyse an Opal wurde der weltweit erste Jahresgang der O-Isotope an lakustrinen Diatomeen ermittelt.
An Seesedimenten aus Patagonien wurde die Umweltgeschichte der letzten 1000 Jahre dieses Übergangsbereichs zweier Klimazonen rekonstruiert. Die Auswirkung abrupter Klimaänderungen auf Ökosysteme wurde durch hochauflösende Isotopenstudien an Sedimenten des Meerfelder Maars nachgewiesen. Für das Karakorumgebirge konnten mit stabilen O- und C-Isotopen erstmals Sommertemperaturen und Winterniederschläge der letzten 1200 Jahre rekonstruiert werden. Eine Warmphase zwischen 800 und 1200 AD hat ein den heutigen Temperaturen vergleichbares Niveau. Die Bedeutung von Änderungen des solaren Energieflusses und der Erdbahnelemente wurde anhand unterschiedlicher Archive nachgewiesen.
Die Ergebnisse tragen zum Verständnis wichtiger Prozesse im Klimasystem und deren Auswirkungen auf Geobiosysteme bei.

• Atmosphäre und Klima

Spurensubstanzen in der Troposphäre
Die im AFO2000 Projekt ECHO in einem Waldbestand erstmals gemessenen Höhenprofile der Radikalkonzentrationen folgen der solaren aktinischen UV-Strahlung und erreichen ihre höchsten Werte oberhalb der Baumkronen. Die Photolysefrequenzen sanken 4-5 m unterhalb der Baumobergrenzen auf etwa 10% des Außenwertes, gefolgt von einem Abfall auf etwa 2% am Waldboden. Die im Bestand beobachteten Radikalkonzentrationen weisen auf eine bedeutende Quelle gasförmiger HONO hin, deren Photolyse wesentlich zur primären OH-Bildung beiträgt.
Die Hydrolyse des Salpetersäureanhydrids an Aerosoloberflächen stellt einen wichtigen Verlustpfad im atmosphärischen Stickoxidzyklus dar. Im Rahmen des CASOMIO Projektes wurde gezeigt, dass die Kondensation von oxidierten biogenen Kohlenwasserstoffen auf wässrigen Aerosoloberflächen die Hydrolysereaktion um einen Faktor 2 - 10 verlangsamt. Dies ist der erste direkte experimentelle Nachweis einer signifikanten Beeinflussung eines wichtigen atmosphärischen Prozesses durch organische Oberflächenfilme.

Veränderungen im Tropopausenbereich - Die Stratosphäre im globalen Wandel
(1) Während der vom ICG-I koordinierten arktischen EUPLEX Kampagne wurden Aktivierung und Partitionierung in der Verzweigung der Chlorfamilie untersucht, die eine große Rolle bei der photochemischen Ozonzerstörung spielt. Präzise Messungen mit dem neu entwickelten HALOX Instrument vom russischen Höhenforschungsflugzeug Geophysica deuten darauf hin, dass eine für die Ozonzerstörung wichtige Reaktionsrate aktualisiert werden muss. (2) Es wurde eine lagrangesche Methode entwickelt, um die statistische Aussagekraft lokal und zeitlich begrenzter flugzeug- und ballongetragener Messungen zur Validierung globaler Satellitenmessungen (z.B. ENVISAT) zu erhöhen. (3) Bei Flugzeugkampagnen wurde die Struktur des Tropopausenbereichs bei mittleren Breiten untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Untersuchung von Transport- und Mischungsprozessen lag. Die Ergebnisse unterstreichen die Wichtigkeit mesoskaliger Strukturen beim Austausch stratosphärischer und troposphärischer Luftmassen. (4) Langzeitbeobachtungen von Wasserdampf, Ozon und Stickoxiden wurden von kommerziellen Flugzeugen im Rahmen des europäischen Projekts MOZAIC fortgeführt und haben die erste Klimatologie für reaktive Stickstoffverbindungen (NOy) in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre geliefert (> 1000 Flüge). Die Daten zeigen einen ausgeprägten Jahresgang mit einer ähnlichen Phase wie Ozon.

• Biogeosysteme: Dynamik, Adaption und Anpassung

Funktionsanalyse von Böden, Sedimenten und Grundwasser
Mit finanzieller Unterstützung durch die Industrie, EU, DFG und das BMBF wurde das Verhalten von Umweltchemikalien in Agrarökosystemen durch Labor- und Feldexperimente untersucht. Die Charakterisierung und Modellierung der Filter- und Pufferfunktion von Böden für Fremdstoffe sowie deren Transport in Böden und Grundwasserleitern waren der Schwerpunkt der Aktivitäten. Die Weiterentwicklung nichtinvasiver Messverfahren zur Untersuchung poröser Medien beinhaltete den Aufbau eines neuartigen magneto-elektrischen Scanners und ermöglichte die Charakterisierung des Stofftransports in einem heterogenen Grundwasserleiter im Rahmen von Tracerexperimenten. Mit dem Chongqing Institut in China wurde eine Kooperation zum Thema der Wechselwirkung von Fremdstoffen im System Wasser/Schwebstoff/Sediment im Yangtze-Stausee vereinbart.

Stress und Adaption: Pflanzen in der variierenden Umwelt
Untersuchungen zur Dynamik von Reaktionen von Pflanzen auf variierende Umweltbedingungen mit nicht invasiven Methoden wurde intensiviert. Hierzu wurden insbesondere Methoden zur digitalen 3D-Bildsequenzanalyse von Wachstum ausgeweitet und tomographische Verfahren zur Untersuchung der Verteilung von Kohlenstoff und Nährstoffen weiterentwickelt. Die Verteilung von Nährstoffkonzentrationen in der Rhizosphäre und die Kapazität von Wurzeln zur Wasseraufnahme wurden bezüglich ihrer Dynamik mittels Mikrosaugkerzen und stabilen Isotopen von Nährelementen charakterisiert. Die Kartierung der Wachstumsverteilung und Inhaltsstoffverteilung in wachsenden Wurzeln zeigten unterschiedliche Verhältnisse zwischen der direkten Nährstoffaufnahme und dem Eintransport über das Phloem für verschiedene Nährstoffe. Für den Phloemtransport wurde festgestellt, dass schon leicht verringerte O2-Konzentrationen zu stark reduzierten Transportraten von Kohlenstoff führen. Emissionen von oxygenierten organischen Verbindungen ließen sich auf Grund des Musters emittierter Substanzen und der Dynamik der Abgabe nach biotischem und abiotischem Stress auf der Aktivität der Lipoxygenase in Pflanzen zurückführen.