Massenspektrometrische Wasserdampfmessung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung des flugzeuggetragenen Atmosphärischen Ionisations-Massenspektrometers AIMS-H2O zur Messung von Wasserdampf in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) und erste Flugzeugmessungen mit dem Instrument. Wasserdampf beeinflusst das Klima in der UTLS aufgrund seiner Strahlungseigenschaften und agiert als wichtiger Parameter bei der Bildung von Zirruswolken und Kondensstreifen. Deshalb sind genaue Wasserdampfmessungen für das Verständnis vieler atmosphärischer Prozesse unerlässlich. Instrumentenvergleiche wie sie im SPARC Report No. 2 und dem Bericht der AUQAVIT Kampagne zusammengefasst sind, haben gezeigt, dass große Abweichungen zwischen einzelnen Methoden und Instrumenten bestehen. Diese Unsicherheiten limitieren das Verständnis des Einflusses von Wasserdampf auf die Dynamik und die Strahlungseigenschaften in der UTLS. Die in dieser Arbeit vorgestellte Entwicklung einer neuen Messmethode für Wasserdampf mit dem Massenspektrometer AIMS-H2O ist deshalb auf die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen in der UTLS fokussiert. Mit AIMS H2O wird Umgebungsluft in einer neu entwickelten Gasentladungsquelle ionisiert. Durch eine Reihe von Ionen-Molekül-Reaktionen entstehen H3O+(H2O) und H3O+(H2O)2 Ionen. Diese Ionen werden genutzt, um die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre zu bestimmen. Um die erforderliche hohe Genauigkeit zu erzielen, wird AIMS H2O im Flug kalibriert. In dem zu diesem Zweck aufgebauten Kalibrationsmodul wird die katalytische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff auf einer Platinoberfläche genutzt, um definierte Wasserdampfkonzentrationen für die Kalibration im Flug zu erzeugen. Bei ersten Messungen auf der Falcon während der Kampagne CONCERT 2011 konnte dabei eine Genauigkeit von 8 bis 15% für die Messung der Wasserdampfkonzentration in einem Messbereich von 0,5 bis 250 ppmv erreicht werden. Die Messfrequenz betrug 4 Hz, was einer räumlichen Auflösung von etwa 50 m entspricht. Der Vergleich der Messung des Massenspektrometers mit dem Laserhygrometer Waran zeigt eine sehr gute Übereinstimmung im Rahmen der Unsicherheiten. Anhand zweier Fallstudien werden die Messungen von AIMS H2O während CONCERT 2011 detailliert analysiert. In der ersten Studie werden zwei Flüge in eine stratosphärische Intrusion über Nordeuropa untersucht. In dieser Situation wurde stratosphärische Luft bis hinunter auf 6 km Höhe transportiert und war dadurch mit der Falcon erreichbar. Es konnte gezeigt werden, dass AIMS-H2O sehr gut für die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen, in diesem Fall bis etwa 3,5 ppmv, geeignet ist. Der Vergleich der Messung mit Analysen des ECMWF Integrated Forecast Systems zeigt eine gute Übereinstimmung der gemessenen Wasserdampfstrukturen mit der dynamischen Tropopause. Unterschiede tauchen dagegen beim Vergleich der Wasserdampfkonzentrationen in der unteren Stratosphäre auf. Hier prognostiziert das Modell deutlich höhere Feuchten. Die zweite Fallstudie beschäftigt sich mit der Verteilung der relativen Feuchte in jungen Kondensstreifen im Vergleich zu ihrer direkten Umgebung. Dabei wurde für drei Messsequenzen im Abgasstrahl von Flugzeugen beobachtet, dass die relative Feuchte innerhalb des Kondensstreifens im Vergleich zur Umgebung sowohl bei unter- als auch übersättigten Umgebungsbedingungen in Richtung Sättigung verschoben ist. Die hohe Anzahl an Eispartikeln und die damit verbundene große Eisoberfläche in jungen Kondensstreifen führt also zu einer schnellen Relaxation von Gasphase und Eis in Richtung Gleichgewicht. In der Zukunft soll AIMS-H2O auch auf HALO für die genaue Messung von Wasserdampf bei ML-CIRRUS und weiteren Kampagnen eingesetzt werden.

Entwicklung von chiralen- sowie RP-HPLC-Methoden in Verbindung mit hochauflösender MS und deren Anwendung zur Analyse sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Edelga¬sen. Obwohl Partikel weniger als 0,1% ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle in der Chemie und Physik der Atmosphäre, da sie das Klima der Erde sowohl direkt als auch indirekt beeinflussen. Je nach Art der Bildung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Partikeln, wobei primäre Partikel direkt in die Atmosphäre eingetragen werden. Sekundäre Partikel hingegen entstehen durch Kondensation von schwerflüchtigen Verbindungen aus der Gasphase, welche durch Reaktionen von gasförmigen Vorläufersubstanzen (volatile organic compounds, VOCs) mit atmosphärischen Oxidantien wie Ozon oder OH-Radikalen gebildet werden. Da die meisten Vorläufersubstanzen organischer Natur sind, wird das daraus gebil¬dete Aerosol als sekundäres organisches Aerosol (SOA) bezeichnet. Anders als die meisten primären Partikel stammen die VOCs überwiegend aus biogenen Quellen. Es handelt sich da¬bei um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die bei intensiver Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen von Pflanzen emittiert werden. Viele der leichtflüchtigen Vorläufersubstanzen sind chiral, sowohl die Vorläufer als auch die daraus gebildeten Partikel werden aber in den meisten Studien als eine Verbindung betrachtet und gemeinsam analysiert. Die mit Modellen berechneten SOA-Konzentrationen, welche auf dieser traditionellen Vorstellung der SOA-Bil¬dung beruhen, liegen deutlich unterhalb der in der Atmosphäre gefundenen, so dass neben diesem Bildungsweg auch noch andere SOA-Bildungsarten existieren müssen. Aus diesem Grund wird der Fokus der heutigen Forschung vermehrt auf die heterogene Chemie in der Partikelphase gerichtet. Glyoxal als Modellsubstanz kommt hierbei eine wichtige Rolle zu. Es handelt sich bei dieser Verbindung um ein Molekül mit einem hohen Dampfdruck, das auf Grund dieser Eigenschaft nur in der Gasphase zu finden sein sollte. Da es aber über zwei Alde¬hydgruppen verfügt, ist es sehr gut wasserlöslich und kann dadurch in die Partikelphase über¬gehen, wo es heterogenen chemischen Prozessen unterliegt. Unter anderem werden in An¬wesenheit von Ammoniumionen Imidazole gebildet, welche wegen der beiden Stickstoff-He¬teroatome lichtabsorbierende Eigenschaften besitzen. Die Verteilung von Glyoxal zwischen der Gas- und der Partikelphase wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, wobei die Gleichgewichtskonstante die sogenannte Henry-Konstante ist. Diese ist abhängig von der un¬tersuchten organischen Verbindung und den im Partikel vorhandenen anorganischen Salzen. Für die Untersuchung chiraler Verbindungen im SOA wurde zunächst eine Filterextraktions¬methode entwickelt und die erhaltenen Proben anschließend mittels chiraler Hochleistungs-Flüssigchromatographie, welche an ein Elektrospray-Massenspektrometer gekoppelt war, analysiert. Der Fokus lag hierbei auf dem am häufigsten emittierten Monoterpen α-Pinen und seinem Hauptprodukt, der Pinsäure. Da bei der Ozonolyse des α-Pinens das cyclische Grund¬gerüst erhalten bleibt, können trotz der beiden im Molekül vorhanden chiralen Zentren nur zwei Pinsäure Enantiomere gebildet werden. Als Extraktionsmittel wurde eine Mischung aus Methanol/Wasser 9/1 gewählt, mit welcher Extraktionseffizienzen von 65% für Pinsäure Enan¬tiomer 1 und 68% für Pinsäure Enantiomer 2 erreicht werden konnten. Des Weiteren wurden Experimente in einer Atmosphärensimulationskammer durchgeführt, um die Produkte der α-Pinen Ozonolyse eindeutig zu charakterisieren. Enantiomer 1 wurde demnach aus (+)-α-Pinen gebildet und Enantiomer 2 entstand aus (-)-α-Pinen. Auf Filterproben aus dem brasilianischen Regenwald konnte ausschließlich Pinsäure Enantiomer 2 gefunden werden. Enantiomer 1 lag dauerhaft unterhalb der Nachweisgrenze von 18,27 ng/mL. Im borealen Nadelwald war das Verhältnis umgekehrt und Pinsäure Enantiomer 1 überwog vor Pinsäure Enantiomer 2. Das Verhältnis betrug 56% Enantiomer 1 zu 44% Enantiomer 2. Saisonale Verläufe im tropischen Regenwald zeigten, dass die Konzentrationen zur Trockenzeit im August höher waren als wäh¬rend der Regenzeit im Februar. Auch im borealen Nadelwald wurden im Sommer höhere Kon¬zentrationen gemessen als im Winter. Die Verhältnisse der Enantiomere änderten sich nicht im jahreszeitlichen Verlauf. Die Bestimmung der Henry-Konstanten von Glyoxal bei verschiedenen Saataerosolen, nämlich Ammoniumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumsulfat, Natriumchlorid und Ammoniumnitrat sowie die irreversible Produktbildung aus Glyoxal in Anwesenheit von Ammoniak waren Forschungs¬gegenstand einer Atmosphärensimulationskammer-Kampagne am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Hierzu wurde zunächst das zu untersuchende Saataerosol in der Kammer vorgelegt und dann aus photochemisch erzeugten OH-Radikalen und Acetylen Glyoxal er¬zeugt. Für die Bestimmung der Glyoxalkonzentration im Kammeraerosol wurde zunächst eine beste¬hende Filterextraktionsmethode modifiziert und die Analyse mittels hochauflösender Mas¬senspektrometrie realisiert. Als Extraktionsmittel kam 100% Acetonitril, ACN zum Einsatz wo¬bei die Extraktionseffizienz bei 85% lag. Für die anschließende Derivatisierung wurde 2,4-Di¬nitrophenylhydrazin, DNPH verwendet. Dieses musste zuvor drei Mal mittels Festphasenex¬traktion gereinigt werden um störende Blindwerte ausreichend zu minimieren. Die gefunde¬nen Henry-Konstanten für Ammoniumsulfat als Saataerosol stimmten gut mit in der Literatur gefundenen Werten überein. Die Werte für Natriumnitrat und Natriumchlorid als Saataerosol waren kleiner als die von Ammoniumsulfat aber größer als der Wert von reinem Wasser. Für Ammoniumnitrat und Kaliumsulfat konnten keine Konstanten berechnet werden. Alle drei Saataerosole führten zu einem „Salting-in“. Das bedeutet, dass bei Erhöhung der Salzmolalität auch die Glyoxalkonzentration im Partikel stieg. Diese Beobachtungen sind auch in der Litera¬tur beschrieben, wobei die Ergebnisse dort nicht auf der Durchführung von Kammerexperi¬menten beruhen, sondern mittels bulk-Experimenten generiert wurden. Für die Trennung der Imidazole wurde eine neue Filterextraktionsmethode entwickelt, wobei sich ein Gemisch aus mit HCl angesäuertem ACN/H2O im Verhältnis 9/1 als optimales Extrak¬tionsmittel herausstellte. Drei verschiedenen Imidazole konnten mit dieser Methode quanti¬fiziert werden, nämlich 1-H-Imidazol-4-carbaldehyd (IC), Imidazol (IM) und 2,2‘-Biimidazol (BI). Die Effizienzen lagen für BI bei 95%, für IC bei 58% und für IM bei 75%. Kammerexperimente unter Zugabe von Ammoniak zeigten höhere Imidazolkonzentrationen als solche ohne. Wurden die Experimente ohne Ammoniak in Anwesenheit von Ammoni¬umsulfat durchgeführt, wurden höhere Imidazol-Konzentrationen gefunden als ohne Ammo¬niumionen. Auch die relative Luftfeuchtigkeit spielte eine wichtige Rolle, da sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit zu einer verminderten Imidazolbildung führte. Durch mit 13C-markiertem Kohlenstoff durchgeführte Experimente konnte eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei den gebildeten Imidazolen und Glyoxalprodukte handelte. Außerdem konnte der in der Literatur beschriebene Bildungsmechanismus erfolgreich weiter¬entwickelt werden. Während der CYPHEX Kampagne in Zypern konnten erstmalig Imidazole in Feldproben nach¬gewiesen werden. Das Hauptprodukt IC zeigte einen tageszeitlichen Verlauf mit höheren Kon¬zentrationen während der Nacht und korrelierte signifikant aber schwach mit der Acidität und Ammoniumionenkonzentration des gefundenen Aerosols.

The effect of temperature on pressure tolerance of the shallow-water shrimp Palaemon serratus

Tolerance to low temperature and high pressure may allow shallow-water species to extend bathymetric range in response to changing climate, but adaptation to contrasting shallow-water environments may affect tolerance to these factors. The brackish shallow-water shrimp Palaemon varians demonstrates remarkable tolerance to elevated hydrostatic pressure and low temperature, but inhabits a highly variable environment: environmental adaptation may therefore make P. varians tolerances unrepresentative of other shallow-water species. Critical thermal maximum (CTmax), critical hydrostatic pressure maximum (CPmax), and acute respiratory response to hydrostatic pressure were assessed in the shallow-water shrimp Palaemon serratus, which inhabits a more stable intertidal habitat. P. serratus’ CTmax was 22.3°C when acclimated at 10°C, and CPmax was 5.9, 10.1, and 14.1 MPa when acclimated at 5, 10, and 15°C respectively: these critical tolerances were consistently lower than P. varians. Respiratory responses to acute hyperbaric exposures similarly indicated lower tolerance to hydrostatic pressure in P. serratus than in P. varians. Contrasting tolerances likely reflect physiological adaptation to differing environments and reveal that the capacity for depth-range extension may vary among species from different habitats.

Effects of acute temperature increase on performance and survival of Caribbean echinoids

Climate change is occurring at a faster rate than in the past, with an expected increase of mean sea surface temperatures up to 4.8°C by the end of this century. The actual capabilities of marine invertebrates to adapt to these rapid changes has still to be understood. Adult echinoids play a crucial role in the tropical ecosystems where they live. Despite their role, few studies about the effect of temperature increase on their viability have been reported in literature. This thesis work reports a first systematic study on several Caribbean echinoids about their tolerance to temperature rise in the context of global warming. The research - carried out at the Bocas del Toro Station of the Smithsonian Tropical Research Institute, in Panama - focalized on the 6 sea urchins Lytechinus variegatus, L. williamsi, Echinometra lucunter, E. viridis, Tripneustes ventricosus and Eucidaris tribuloides, and the 2 sand dollars Clypeaster rosaceus and C. subdepressus. Mortality and neuromuscular well-being indicators - such as righting response, covering behaviour, adhesion to the substrate, spine and tube feet movements - have been analysed in the temperature range 28-38°C. The righting time RT (i.e., the time necessary for the animal to right itself completely after inversion) measured in the 6 sea urchin species, demonstrated a clearly dependence on the water temperature. The experiments allowed to determine the “thermal safety margin” (TSM) of each species. Echinometra lucunter and E. viridis resulted the most tolerant species to high temperatures with a TSM of 5.5°C, while T. ventricosus was the most vulnerable with a TSM of only 3°C. The study assessed that all the species already live at temperatures close to their upper thermal limit. Their TSMs are comparable to the predicted temperature increase by 2100. In absence of acclimatization to such temperature change, these species could experience severe die-offs, with important consequences for tropical marine ecosystems.

Magnetization exchange with water and T(1) relaxation of the downfield resonances in human brain spectra at 3.0 T

The use of water suppression for in vivo proton MR spectroscopy diminishes the signal intensities from resonances that undergo magnetization exchange with water, particularly those downfield of water. To investigate these exchangeable resonances, an inversion transfer experiment was performed using the metabolite cycling technique for non-water-suppressed MR spectroscopy from a large brain voxel in 11 healthy volunteers at 3.0 T. The exchange rates of the most prominent peaks downfield of water were found to range from 0.5 to 8.9 s(-1), while the T(1) relaxation times in absence of exchange were found to range from 175 to 525 ms. These findings may help toward the assignments of the downfield resonances and a better understanding of the sources of contrast in chemical exchange saturation transfer imaging.

Benchmark Structures and Binding Energies of Small Water Clusters with Anharmonicity Corrections

For (H2O)n where n = 1–10, we used a scheme combining molecular dynamics sampling with high level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster. For each isomer, we extrapolated the RI-MP2 energies to their complete basis set limit, included a CCSD(T) correction using a smaller basis set and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled and unscaled harmonic vibrational frequencies. The vibrational scaling factors were determined specifically for water clusters by comparing harmonic frequencies with VPT2 fundamental frequencies. We find the CCSD(T) correction to the RI-MP2 binding energy to be small (<1%) but still important in determining accurate conformational energies. Anharmonic corrections are found to be non-negligble; they do not alter the energetic ordering of isomers, but they do lower the free energies of formation of the water clusters by as much as 4 kcal/mol at 298.15 K.

Thermodynamics of Forming Water Clusters at Various Temperatures and Pressures by Gaussian-2, Gaussian-3, Complete Basis Set-QB3, and Complete Basis Set-APNO Model Chemistries; Implications for Atmospheric Chemistry

The Gaussian-2, Gaussian-3, complete basis set- (CBS-) QB3, and CBS-APNO methods have been used to calculate ΔH° and ΔG° values for neutral clusters of water, (H2O)n, where n = 2−6. The structures are similar to those determined from experiment and from previous high-level calculations. The thermodynamic calculations by the G2, G3, and CBS-APNO methods compare well against the estimated MP2(CBS) limit. The cyclic pentamer and hexamer structures release the most heat per hydrogen bond formed of any of the clusters. While the cage and prism forms of the hexamer are the lowest energy structures at very low temperatures, as temperature is increased the cyclic structure is favored. The free energies of cluster formation at different temperatures reveal interesting insights, the most striking being that the cyclic trimer, cyclic tetramer, and cyclic pentamer, like the dimer, should be detectable in the lower troposphere. We predict water dimer concentrations of 9 × 1014 molecules/cm3, water trimer concentrations of 2.6 × 1012 molecules/cm3, tetramer concentrations of approximately 5.8 × 1011 molecules/cm3, and pentamer concentrations of approximately 3.5 × 1010 molecules/cm3 in saturated air at 298 K. These results have important implications for understanding the gas-phase chemistry of the lower troposphere.

Quantum-Mechanical Investigation of Large Water Clusters

The PM3 quantum-mechanical method has been used to study large water clusters ranging from 8 to 42 water molecules. These large clusters are built from smaller building blocks. The building blocks include cyclic tetramers, pentamers, octamers, and a pentagonal dodecahedron cage. The correlations between the strain energy resulting from bending of the hydrogen bonds formed by different cluster motifs and the number of waters involved in the cluster are discussed. The PM3 results are compared with TIP4P potential and ab initio results. The number of net hydrogen bonds per water increases with the cluster size. This places a limit on the size of clusters that would fit the Benson model of liquid water. Many of the 20-mer clusters fit the Benson model well. Calculations of the ion cluster (H20)4o(H30+)2 reveal that the m/e ratio obtainable by mass spectrometry experiments can uniquely indicate the conformation of the 20 water pentagonal dodecahedron cage present in the larger clusters.

Comparison of Model Chemistry and Density Functional Theory Thermochemical Predictions with Experiment for Formation of Ionic Clusters of the Ammonium Cation Complexed with Water and Ammonia; Atmospheric Implications

The G2, G3, CBS-QB3, and CBS-APNO model chemistry methods and the B3LYP, B3P86, mPW1PW, and PBE1PBE density functional theory (DFT) methods have been used to calculate ΔH° and ΔG° values for ionic clusters of the ammonium ion complexed with water and ammonia. Results for the clusters NH4+(NH3)n and NH4+(H2O)n, where n = 1−4, are reported in this paper and compared against experimental values. Agreement with the experimental values for ΔH° and ΔG° for formation of NH4+(NH3)n clusters is excellent. Comparison between experiment and theory for formation of the NH4+(H2O)n clusters is quite good considering the uncertainty in the experimental values. The four DFT methods yield excellent agreement with experiment and the model chemistry methods when the aug-cc-pVTZ basis set is used for energetic calculations and the 6-31G* basis set is used for geometries and frequencies. On the basis of these results, we predict that all ions in the lower troposphere will be saturated with at least one complete first hydration shell of water molecules.

Benchmark Structures and Binding Energies of Small Water Clusters with Anharmonicity Corrections

For (H2O)n where n = 1–10, we used a scheme combining molecular dynamics sampling with high level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster. For each isomer, we extrapolated the RI-MP2 energies to their complete basis set limit, included a CCSD(T) correction using a smaller basis set and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled and unscaled harmonic vibrational frequencies. The vibrational scaling factors were determined specifically for water clusters by comparing harmonic frequencies with VPT2 fundamental frequencies. We find the CCSD(T) correction to the RI-MP2 binding energy to be small (

Use and Performance of In-Stream Structures for River Restoration: a Case Study from North Carolina

In-stream structures including cross-vanes, J-hooks, rock vanes, and W-weirs are widely used in river restoration to limit bank erosion, prevent changes in channel gradient, and improve aquatic habitat. During this investigation, a rapid assessment protocol was combined with post-project monitoring data to assess factors influencing the performance of more than 558 in-stream structures and rootwads in North Carolina. Cross-sectional survey data examined for 221 cross sections from 26 sites showed that channel adjustments were highly variable from site to site, but approximately 60 % of the sites underwent at least a 20 % net change in channel capacity. Evaluation of in-stream structures ranging from 1 to 8 years in age showed that about half of the structures were impaired at 10 of the 26 sites. Major structural damage was often associated with floods of low to moderate frequency and magnitude. Failure mechanisms varied between sites and structure types, but included: (1) erosion of the channel bed and banks (outflanking); (2) movement of rock materials during floods; and (3) burial of the structures in the channel bed. Sites with reconstructed channels that exhibited large changes in channel capacity possessed the highest rates of structural impairment, suggesting that channel adjustments between structures led to their degradation of function. The data question whether currently used in-stream structures are capable of stabilizing reconfigured channels for even short periods when applied to dynamic rivers.

Microbial community analysis of Lake Chillisquaque, a small water system in Central Pennsylvania

Cyanobacteria are photosynthetic organisms that require the absorption of light for the completion of photosynthesis. Cyanobacteria can use a variety of wavelengths of light within thevisible light spectrum in order to harvest energy for this process. Many species of cyanobacteria have light-harvesting proteins that specialize in the absorption of a small range of wavelengths oflight along the visual light spectrum; others can undergo complementary chromatic adaptation and alter these light-harvesting proteins in order to absorb the wavelengths of light that are mostavailable in a given environment. This variation in light-harvesting phenotype across cyanobacteria leads to the utilization of environmental niches based on light wavelength availability. Furthermore, light attenuation along the water column in an aquatic system also leads to the formation of environmental niches throughout the vertical water column. In order to better understand these niches based on light wavelength availability, we studied the compositionof cyanobacterial genera at the surface and depth of Lake Chillisquaque at three time points throughout the year: September 2009, May 2010, and July 2010. We found that cyanobacterialgenera composition changes throughout the year as well as with physical location in the water column. Additionally, given the light attenuation noted throughout the Lake Chillisquaque, we are able to conclude that light is a major selective factor in the community composition of Lake Chillisquaque.

Geochemical Modeling and Analysis of the Frac Water Used in the Hydraulic Fracturing of the Marcellus Formation, Pennsylvania

The hydraulic fracturing of the Marcellus Formation creates a byproduct known as frac water. Five frac water samples were collected in Bradford County, PA. Inorganic chemical analysis, field parameters analysis, alkalinity titrations, total dissolved solids(TDS), total suspended solids (TSS), biological oxygen demand (BOD), and chemical oxygen demand (COD) were conducted on each sample to characterize frac water. A database of frac water chemistry results from across the state of Pennsylvania from multiple sources was compiled in order to provide the public and research communitywith an accurate characterization of frac water. Four geochemical models were created to model the reactions between frac water and the Marcellus Formation, Purcell Limestone, and the oil field brines presumed present in the formations. The average concentrations of chloride and TDS in the five frac water samples were 1.1 �± 0.5 x 105 mg/L (5.5X average seawater) and 140,000 mg/L (4X average seawater). BOD values for frac water immediately upon flow back were over 10X greater than the BOD of typical wastewater, but decreased into the range of typical wastewater after a short period of time. The COD of frac water decreases dramatically with an increase in elapsed time from flow back, but remain considerably higher than typicalwastewater. Different alkalinity calculation methods produced a range of alkalinity values for frac water: this result is most likely due to high concentrations of aliphatic acid anions present in the samples. Laboratory analyses indicate that the frac watercomposition is quite variable depending on the companies from which the water was collected, the geology of the local area, and number of fracturing jobs in which the frac water was used, but will require more treatment than typical wastewater regardless of theprecise composition of each sample. The geochemical models created suggest that the presence of organic complexes in an oil field brine and Marcellus Formation aid in the dissolution of ions such as bariumand strontium into the solution. Although equilibration reactions between the Marcellus Formation and the slickwater account for some of the final frac water composition, the predominant control of frac water composition appears to be the ratio of the mixture between the oil field brine and slickwater. The high concentration of barium in the frac water is likely due to the abundance of barite nodules in the Purcell Limestone, and the lack of sulfate in the frac water samples is due to the reducing, anoxic conditions in the earth's subsurface that allow for the degassing of H2S(g).

Non-water-suppressed proton MR spectroscopy improves spectral quality in the human spinal cord

Magnetic resonance spectroscopy enables insight into the chemical composition of spinal cord tissue. However, spinal cord magnetic resonance spectroscopy has rarely been applied in clinical work due to technical challenges, including strong susceptibility changes in the region and the small cord diameter, which distort the lineshape and limit the attainable signal to noise ratio. Hence, extensive signal averaging is required, which increases the likelihood of static magnetic field changes caused by subject motion (respiration, swallowing), cord motion, and scanner-induced frequency drift. To avoid incoherent signal averaging, it would be ideal to perform frequency alignment of individual free induction decays before averaging. Unfortunately, this is not possible due to the low signal to noise ratio of the metabolite peaks. In this article, frequency alignment of individual free induction decays is demonstrated to improve spectral quality by using the high signal to noise ratio water peak from non-water-suppressed proton magnetic resonance spectroscopy via the metabolite cycling technique. Electrocardiography (ECG)-triggered point resolved spectroscopy (PRESS) localization was used for data acquisition with metabolite cycling or water suppression for comparison. A significant improvement in the signal to noise ratio and decrease of the Cramér Rao lower bounds of all metabolites is attained by using metabolite cycling together with frequency alignment, as compared to water-suppressed spectra, in 13 healthy volunteers.

Sensitivity of pelagic calcification to ocean acidification

Ocean acidification might reduce the ability of calcifying plankton to produce and maintain their shells of calcite, or of aragonite, the more soluble form of CaCO3. In addition to possibly large biological impacts, reduced CaCO3 production corresponds to a negative feedback on atmospheric CO2. In order to explore the sensitivity of the ocean carbon cycle to increasing concentrations of atmospheric CO2, we use the new biogeochemical Bern3D/PISCES model. The model reproduces the large scale distributions of biogeochemical tracers. With a range of sensitivity studies, we explore the effect of (i) using different parameterizations of CaCO3 production fitted to available laboratory and field experiments, of (ii) letting calcite and aragonite be produced by auto- and heterotrophic plankton groups, and of (iii) using carbon emissions from the range of the most recent IPCC Representative Concentration Pathways (RCP). Under a high-emission scenario, the CaCO3 production of all the model versions decreases from ~1 Pg C yr−1 to between 0.36 and 0.82 Pg C yr−1 by the year 2100. The changes in CaCO3 production and dissolution resulting from ocean acidification provide only a small feedback on atmospheric CO2 of −1 to −11 ppm by the year 2100, despite the wide range of parameterizations, model versions and scenarios included in our study. A potential upper limit of the CO2-calcification/dissolution feedback of −30 ppm by the year 2100 is computed by setting calcification to zero after 2000 in a high 21st century emission scenario. The similarity of feedback estimates yielded by the model version with calcite produced by nanophytoplankton and the one with calcite, respectively aragonite produced by mesozooplankton suggests that expending biogeochemical models to calcifying zooplankton might not be needed to simulate biogeochemical impacts on the marine carbonate cycle. The changes in saturation state confirm previous studies indicating that future anthropogenic CO2 emissions may lead to irreversible changes in ΩA for several centuries. Furthermore, due to the long-term changes in the deep ocean, the ratio of open water CaCO3 dissolution to production stabilizes by the year 2500 at a value that is 30–50% higher than at pre-industrial times when carbon emissions are set to zero after 2100.