Aquatische Biogeochemie at Universität Innsbruck

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Grundlegende Definitionen

1) Pools:

2) Transformationsprozesse:

3) Transportprozesse

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C-Konzentrationen Messungen 2 - Messungsgeräte

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Wie werden Konzentrationsänderungen = Raten oder Volumenraten gemessen?

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Beispiel: Konzentrationsänderung (Advektion/Dispersion)

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Stellen Sie sich einen Fluss vor, der in Boxes unterteilt ist. Diese Box:

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Wie löse ich dieses Monster? Ähnlich wie wir mit der Zeit, diskretisieren, d.h. einen kontinuierlichen Raum in einen äquivalenten diskreten Raum umzuwandeln, Sie jetzt Raum und Zeit!

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Definiere Evapotranspiration

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Globaler Wasserzyklus - FACTS:

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Was behindert den natürlichen Wassertransport?

(globale Flux)

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Durchführung von Messungsgeräten

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Modelle zur Vorhersage des Niederschlagsschicksals

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Beachten Sie noch einmal die regionalen Unterschiede:

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Aquatische Biogeochemie

Grundlegende Definitionen

1) Pools:

2) Transformationsprozesse:

3) Transportprozesse

  1. Pools: haben eine Konzentration oder Größe
  2. Transformationsprozesse: haben eine Rate dC / dt, 3 grundlegende Parametrisierungen
  3. Transportprozesse: Material über den Raum verschieben, daher dC / dx, 2 Grundmodi
    des Transports


  • Es werden Grundeinheiten von MASSE, ZEIT und LÄNGE verwendet. 
  • Biogeochemiker verwenden empirische Methoden
    • d. H. Sie führen Messungen durch und sammeln Daten im Feld. 
    • Experimente im Labor können helfen, wichtige Mechanismen zu identifizieren. 
    • Um aus Daten einen Sinn zu machen, werden Prozesse bestenfalls mathematisch ausgedrückt unter Verwendung physikalisch bedeutsamer ("mechanistischer") Gleichungen.
    • Ein solches Modell hat Parameter und kann mit Daten kalibriert werden.

Aquatische Biogeochemie

C-Konzentrationen Messungen 2 - Messungsgeräte

  • Automatische Titrationsgeräte werden für die Alkalität verwendet, pH-Meter können gebraucht werden. 
  • Vor Ort ermöglichen tragbare Gasanalysatoren die Messung von pCO2 in der Gasphase
  • Chromatographie misst CO2 und mehrere andere Spurengase, 
  • DIC (oder TIC) können mit einem TOC-Analyzer gemessen werden.
  • DOC wird vor Allem dabei durch Filtration und einen TOC-Analyser ermittelt.

  • Nach der Filtration können DOC und DIC mit einem TC-Analysator - der Maschine - gemessen werden, dabei verbrennt eine Wasserprobe und erzeugt CO2-Gas, das über Infrarot quantifiziert absorbiert wird . 
  • IC kann durch Ansäuern auf pH = 2 und Einblasen (Sprudeln mit CO2-freies Gas) vor der Verbrennung entfernt werden
  • Partikel-PC kann einfach gewogen werden und der C-Gehalt mit einem Element bestimmt werden Analysator (auch hier: Verbrennung). 
  • DOC ist ein Massenparameter, der seine chemische Vielfalt vernachlässigt. 
  • DOC-Qualität kann unter Verwendung von
    Fluoreszenzeigenschaften gemessen werden. 
  • Einzelne Moleküle können identifiziert werden mit hochauflösende Massenspektrometrie. Das farbenfrohe Punktdiagramm zeigt viele hundert Moleküle, die mit Hilfe der Massenspektrometrie in DOC gefunden wurden - das ermöglicht die Zuordnung einer molekularen Summenformel. Die einzelne Moleküle werden in einem Raum getrennt, der durch Sauerstoff zu Kohlenstoff und Wasserstoff definiert, sind Kohlenstoffverhältnisse, deren Farbe über
    den Heteroatomgehalt informiert (N, S oder P neben CHO).

Aquatische Biogeochemie

Wie werden Konzentrationsänderungen = Raten oder Volumenraten gemessen?

  • Konzentrationen kann man also durch ph-Meter, Gaschromatographie oder Filtration messen.
    --> Doch wie messe ich Raten bzw. Veränderungen??

  • Das einfache System zur Messung von Raten ist homogen und geschlossen, wiederholte Beobachtungen und leitet eine Änderungsrate dC / dt ab.
  • Einige klassische C-Transformationsprozesse sind Produktion und Atmung, bakterielle Aufnahme und Transformation, Photoabbau.
  • Klassische Methoden umfassen Inkubationen mit hellen / dunklen Flaschen mit Budgetierung von O2 oder DIC, sowie Quantifizierung des Einbaus eines Radiotracer-Labels (14C-DIC wird angeboten, dessen Aussehen in Biomasse wird nach einiger Zeit gemessen).

  • Solarsimulatoren ermöglichen Photodegradationstests.

Aquatische Biogeochemie

Beispiel: Konzentrationsänderung (Advektion/Dispersion)

Als Beispiel: 

Sie interessieren sich für eine Konzentrationsänderung einen sogenannten FLUX:


Sie wissen 3 mathematische Formulierungsarten, um den flux zu beschreiben. Dennoch fehlt es noch an den 2 Arten wie ein flux zu Stande kommt, nämlich durch Transport.


Advektion:
Ein fließendes Medium transportiert das zu untersuchende Objekt (Wasser, C, DOC etc.). Dies ist die Situation in einem See mit Zu- und Abfluss. Auch Chemostaten haben nur einen vorbeugenden Fluss.

Dispersion:
Ein Konzentrationsgradient treibt den Transport an. Die Entfernung, über die dieser vorhandene Konzentrationsgradient wirkt, ist nicht relevant (das System ist gemischt und der Gradient ist in Richtung einer „Außenwelt“).

Aquatische Biogeochemie

Stellen Sie sich einen Fluss vor, der in Boxes unterteilt ist. Diese Box:

  • hat ein bestimmtes Volumen und erfährt Konzentrationsänderungen. Diese entstehen durch ein- und ausgehende Masse.
  • Die fließende Masse ist Fluss * A.
  • Das Volumen ist durchschnittlich A mal dx

Aquatische Biogeochemie

Wie löse ich dieses Monster? Ähnlich wie wir mit der Zeit, diskretisieren, d.h. einen kontinuierlichen Raum in einen äquivalenten diskreten Raum umzuwandeln, Sie jetzt Raum und Zeit!

  • In Boxes aufteilen, von denen jede als klein, homogen und gemischt angenommen wird 
  • Entfernungen kennen, d.h. Boxesgrößen kennen
  • Konzentrationen bewerten (angenommen für Box-Zentren)
  • Flüsse bewerten (passiert über Box-Schnittstellen)

Aquatische Biogeochemie

Definiere Evapotranspiration

Evapotranspiration bezeichnet in der Meteorologie die Summe aus Transpiration und Evaporationalso der Verdunstung von Wasser aus Tier- und Pflanzenwelt sowie von Boden- und Wasseroberflächen.

Aquatische Biogeochemie

Globaler Wasserzyklus - FACTS:

  • Viele Flüsse die es auf der Erde gibt sind inzwischen unter anthropogenen Einfluss, z.B. durch Begradigungen oder durch den Bau von Staudämmen
  • Auch der Klimawandel hat einen Einfluss auf den globalen Wasser Zyklus, z.B. der Anstieg des Meeresspiegels, der durch den Verlust von
    arktischen Eis 
    vorangetrieben wird. 
  • Dennoch wird die Verfügbarkeit von Wasser in Zukunft vor Allem von dem Wassermanagement der Menschen abhängen und nicht am Klimawandel.
  • Es gibt starke regionale Differenzen hinter den globale fluxes! Der Ozean ist ein Haupttreiber für Niederschläge auch auf dem Land.
  • Ohne regionale Differenzen und seitliche Fluxes durch die Atmosphäre gäbe es weder Regen noch
    Abfluss auf Kontinenten.
  • Die Ozeane tragen zu den Salzgehaltsgradienten bei. Beachten Sie den höheren Salzgehalt des Atlantischen Ozeans. 
  • Verdunstung in den Ozeanen führt auch zum Transport von Wärme!
  • Der Pazifik erhält mehr Süßwasser vom Land als er erzeugt, der Atlantik tut das Gegenteil (trotz des
    großen Abflusses des Amazonas).

Aquatische Biogeochemie

Was behindert den natürlichen Wassertransport?

(globale Flux)

  • Der globale Flux von Nährstoffen, Kohlenstoff und Sedimenten kann anhand von Daten aus großen Flüssen gemessen werden. 
  • Deshalb ist auch der anthropogene Einfluss auf den Wasserhaushalt der Erde durch Staudämme enorm, da dieser den Nährstoff-, Sediment und natürlich den Wassertransport behindert.
  • Dank Staudämmen wird 20% des globalen runoffs auf dem Land zurückgehalten, das sind mehr als 8000 km3 bei 40000km3 runoff.

Aquatische Biogeochemie

Durchführung von Messungsgeräten
  • Nach der Filtration können DOC und DIC mit einem TC-Analysator - der Maschine - gemessen werden, dabei verbrennt eine Wasserprobe und erzeugt CO2-Gas, das über Infrarot quantifiziert absorbiert wird . 
  • IC kann durch Ansäuern auf pH = 2 und Einblasen (Sprudeln mit CO2-freies Gas) vor der Verbrennung entfernt werden
  • Partikel-PC kann einfach gewogen werden und der C-Gehalt mit einem Element bestimmt werden Analysator (auch hier: Verbrennung). 
  • DOC ist ein Massenparameter, der seine chemische Vielfalt vernachlässigt. 
  • DOC-Qualität kann unter Verwendung von
    Fluoreszenzeigenschaften gemessen werden. 
  • Einzelne Moleküle können identifiziert werden mit hochauflösende Massenspektrometrie. Das farbenfrohe Punktdiagramm zeigt viele hundert Moleküle, die mit Hilfe der Massenspektrometrie in DOC gefunden wurden - das ermöglicht die Zuordnung einer molekularen Summenformel. Die einzelne Moleküle werden in einem Raum getrennt, der durch Sauerstoff zu Kohlenstoff und Wasserstoff definiert, sind Kohlenstoffverhältnisse, deren Farbe über
    den Heteroatomgehalt informiert (N, S oder P neben CHO).

Aquatische Biogeochemie

Modelle zur Vorhersage des Niederschlagsschicksals

  • lokal, regional (Wassereinzugsgebietsskala) oder auf kontinentaler / globaler Ebene
  • Landoberfläche und Boden werden bei jeder Massenerhaltung (Input = Output) als eine Ansammlung kleiner boxes betrachtet, meistens "auf lange Sicht" (z. B. auf einer jährlichen Zeitskala für ein globales Modell). 
  • Prozesse werden dann vertikal und seitlich in und über Boxen hinweg modelliert:

Aquatische Biogeochemie

Beachten Sie noch einmal die regionalen Unterschiede:

  • Trockenere Bedingungen in den meisten Teilen Nordamerikas und Europas. 
  • Außerdem erwärmen sich die Ozeane langsamer als das Land, wodurch sich die Wassererzeugung im Vergleich zum Verlust an Land verzögern, während des Übergangs in ein neues Gleichgewicht.

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