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FILGAS - Filme und Gasaustausch

 FILGAS

Arbeitsplan

Titel: Funktion der Filmbildung an Grenzfläche Meer/Atmosphäre für den Transport und die Produktion von Spurengasen

Ziele des Netzwerks: Die Eigenschaften von Phasengrenzflächen im marinen Milieu bestimmen den Stofftransport zwischen den betreffenden Kompartimenten. Gleichzeitig bieten Grenzflächen physiko-chemische Bedingungen unter denen bevorzugt photochemische und mikrobiologische Stoffumwandlungen erfolgen. Die Grenzfläche Meer/Atmosphäre stellt das Nadelöhr für den Spurengastransport dar, da die äußersten etwa 10 - 100 µm der Wasseroberfläche durch die sehr langsame molekulare Diffusion überwunden werden müssen. Dieser Vorgang kann zudem dadurch gehemmt werden, dass oberflächenaktive organische Verbindungen die Wasseroberfläche mit einem Film überziehen. Die Anreicherung von organischen Verbindungen wirkt aber nicht nur auf den Gasaustausch sondern führt auch zu verstärkten mikrobiologischen Aktivitäten, durch die klima-relevante Spurengase (halogenierte Kohlenwasserstoffe, Methan, Dimethylsulfid) freigesetzt, modifiziert oder auch abgebaut  werden können. Diese Prozesse können durch photochemische Reaktionen im Oberflächenfilm überlagert werden, deren Bedeutung für die Produktion von Spurengasen ebenfalls belegt ist.
Die geschilderten Auswirkungen von organischen Filmbildnern auf die Hemmung des Gasaustauschs und auf die Produktion von Spurengasen sind zwar qualitativ in der Literatur beschrieben, es lassen sich aus den Studien jedoch keine quantitativen Zusammenhänge zwischen der Filmdichte und den genannten Effekten ableiten. Um diesbezüglich Fortschritte zu erreichen, wird ein Verbundprojekt vorgeschlagen, in welchem Meeres- und Physikochemiker, Atmosphären-Chemiker und Physiker sowie Mikrobiologen ihre Expertise einbringen, um gemeinsam folgende Ziele zu erreichen:
Vorhaben: Hierzu werden in einem Netzwerk das
folgende vier Teilvorhaben gemeinsam bearbeiten:

1. Kinetik der Filmbildung und Auswirkungen auf die Diffusion von Spurengasen  (Prof. R. Ludwig, 1 Doktorand, Institut für Chemie/Abteilung Physikalische Chemie/Theoretische Chemie der Universität Rostock; Dr. B. Schneider, Institut für Ostseeforschung): Laborexperimente (IOW) zur Kinetik der Filmbildung und zum Gastransfer an filmbelegten Oberflächen werden durch theoretische Betrachtungen und Modellrechnungen (Uni Rostock) zur Diffusion von Gasen and der Wasser/Luft-Grenzfläche ergänzt. In der ersten Phase der experimentellen Studien werden Messungen der dynamischen Oberflächenspannung von Meerwasserproben vorgenommen. Hierbei wird durch ein Blasendruck-Tensiometer die zeitliche Änderung der Oberflächenspannung an einer frisch gebildeten Oberfäche bestimmt. Diese stellt ein Maß für die Geschwindigkeit der Filmbildung dar, aus der sich Diffusionskoeffizienten für Filmbildner abschätzen lassen. An diese Messungen schließen sich in einer zweiten Phase Untersuchungen zur Hemmung des Gasaustauschs durch Oberflächenfilme an. Es sind Tankexperimente vorgesehen, bei denen die Transfergeschwindigkeit für den Gasaustausch-Austausch (O2, CO2) an Oberflächen mit unterschiedlichen Filmbelegungen bestimmt werden. Um abschätzen zu können, ob Oberflächenfilme eine Änderung des O2-Diffusionskoeffizienten bewirken, sollen Molekulardynamische Simulationen durchgeführt werden. Diese Methode soll zum ersten Mal systematisch zur Untersuchung der Grenzflächen Wasser/Luft eingesetzt und weiter entwickelt werden. Effiziente Simulationstechniken und das ungebrochen ansteigende Leistungsvermögen moderner Rechner gestatten inzwischen das Studium von Flüssigkeit/Gas-Grenzflächen und die Ableitung makroskopischer Größen durch die Aufklärung mikroskopischer Strukturen und Prozesse. Trotz der geringen Löslichkeit von Gasen in Wasser und der aufgrund geringer Teilchendichten auftretenden statistischen Probleme, können heute auch Transporteigenschaften wie Diffusionskoeffizienten an Grenzflächen zuverlässig bestimmt werden. Es ist vorgesehen, Löslichkeiten und Transportgrößen der Gase N2, O2 und Methan an den Grenzflächen Wasser/Luft und Meer/Luft durch die Molekulardynamische Simulation zu bestimmen sowie den Einfluss von löslichen und unlöslichen organischen Verbindungen auf die Grenzflächeneigenschaften und damit auf den Gasaustausch abzuschätzen.

2. Chemische Charakterisierung und Reaktionen in Oberflächenfilmen (Prof. Schulz-Bull, , 1 Doktorand, Institut für Ostseeforschung; Prof. H. Herrmann, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung, 1 Doktorand): Organische Substanzen finden sich in marinen Oberflächenfilmen in teilweise 100 fach höheren Konzentrationen als im darunter liegenden Oberflächenwasser. Die Kenntnisse zur chemische Zusammensetzung von Oberflächenfilmen wurden in den letzten Jahren durch moderne analytische Techniken wesentlich erweitert. Es wurden viele oberflächenaktive organische Substanzen biologischen, terrigen und anthropogenen Ursprungs identifiziert, wie z.B. Kohlenhydrate, Pigmente, Lipide, Carbonyl-verbindungen, Huminstoffe, sowie organische Schadstoffe (PCB, PAH). Einerseits beeinflusst die Zusammensetzung und Konzentration dieser Substanzen sowie die zeitliche Variabilität die Stoffflüsse von Gasen zwischen Meerwasser und Atmosphäre. Andererseits finden chemische Reaktionen in dem Komponentenpool selbst statt, wie die Bildung von leichtflüchtigen Substanzen, die zu einem erhöhten Stoffaustausch führen. Die Expertise der beiden beteiligten Institute zur organischen Spurenanalytik ergänzen sich methodisch und sollen zur Bearbeitung der folgenden Themengebiete beitragen: 3. Mikrobiologische Produktion von Spurengasen (Prof. Jürgens,1Doktorand, Institut für Ostseeforschung; Prof. LaRoche,1 Doktorand, Leibniz-Institut für Meereskunde Kiel): Der Oberflächenfilm des Meeres ist, aufgrund der Anreicherung mit gelösten und partikulären Substanzen und der Strahlungsexposition, ein spezielles Habitat für eine Lebensgemeinschaft von autotrophen und heterotrophen Mikroorganismen (Neuston). Insbesondere die Konzentration und Stoffwechselaktivität von Bakterien ist hier wesentlich höher als in der darunter liegenden Wasserschicht. Neue Probenahmetechniken und der Einsatz molekularbiologischer Analysen zeigten, dass im Bakterioneuston eine eigenständige, angepasste Artengemeinschaft vorkommt. Die Mikroorganismen im Oberflächenfilm  regulieren über ihr Produktions- und Abbauverhalten die Konzentration und den Transport wichtiger, auch  klimarelevanter Gase und sind daher bei der Bestimmung und Modellierung des Gasaustausches zu berücksichtigen. Der Austausch von DMS, N2O, CH4 und anderer Spurengase durch eine mit aktiver Biomasse mit hohem Oxidationspotential beladener Oberflächenmembran kann somit nicht nur durch physiko-chemische Koeffizienten beschrieben werden, sondern muss das Gleichgewicht biologischer Aufnahme- und Abgabe-prozesse beinhalten. Am Beispiel der halogenierten Kohlenwasserstoffe wird deutlich, dass Mikroorganismen gleichzeitig Quellen (verschiedene Mikroalgen) und Senken (Abbau durch methylotrophe Bakterien) darstellen. Um die Bedeutung von Mikroorganismen für den Gasaustausch in Oberflächenfilmen besser zu verstehen, ist geplant, bei Freilanduntersuchungen zum Gasaustausch die Diversität und Aktivität des Bakterioneustons im Oberflächenfilm mit einzubeziehen und über die Expression funktionaler Gene (z.B. Methyltransferasen) die Aktivität spezifischer, für den Abbau von Spurengasen relevanter Bakteriengruppen zu erfassen.

4. Mikrophysikalisches Modell für Austauschprozesse an filmbelegten Oberflächen ( Dr. Ch. Zuelicke, Institut für Ostseeforschung; alle Beteiligten): Die durch die experimentellen und theoretischen Prozessstudien erarbeiteten und für den Gasaustausch relevanten Größen werden in einem mikrophysikalischen Modell zusammengeführt. Dazu werden die charakteristischen Zeitskalen für die Austauschgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den durch organische Oberflächenfilme modifizierten Oberflächeneigenschaften in Form von effektiven Diffusionskoeffizienten erfasst. Dem liegt die Abhängigkeit der aerodynamischen Rauhigkeit und der Oberflächenerneuerung von der Oberflächenspannung und der Zähigkeit zugrunde. Es werden vereinfachte Formeln für die Abschätzung des Gasaustauschs abgeleitet, die einerseits in gekoppelten Ozean/Atmosphären-Modellen Anwendung finden können und andererseits geeignet sind, auf der Grundlage von gemessenen Partialdruckdifferenzen zwischen Meer und Atmosphäre Flussraten zu bestimmen. Der Produktion und dem Abbau von Spurengasen im Oberflächenfilm wird durch entsprechende Quell-/Senkenterme Rechnung getragen.

Maßnahmen zur Vernetzung:
Die fünf Teilvorhaben sind zwar inhaltlich eng miteinander verknüpft, sie erfordern aber höchst unterschiedliche Forschungskompetenzen: Meereschemie, Atmosphären Chemie/Physik, Theoretische Chemie und Mikrobiologie. Um die genannten Forschungsziele zu erreichen, ist es daher erforderlich ein Netzwerk zwischen verschiedenen Instituten zu bilden. Zudem ist vorgesehen, weitgehend Doktoranden für die Forschungsarbeiten einzusetzen, um der Nachwuchswissenschaftler mit der Fähigkeit zu breitem interdisziplinären Denken und Arbeiten heranzubilden. Lediglich für die Organisation und die Kommunikation innerhalb des Netzwerks soll ein Wissenschaftler eingesetzt werden, der bereits Erfahrungen bei der Koordinierung eines EU-Projektes erworben hat. Um ein funktionierendes Netzwerk sicherzustellen, sind vom Koordinator folgende Maßnahmen zu organisieren:

22. März 2006 <filgas-master@io-warnemuende.de>