Efeito das clareiras de ação petrolífera sobre a composição de Drosophilidae (Diptera) na Bacia do Rio Urucu, Coari-Amazonas

Os drosofilídeos são indicadores das condições do ecossistema em relação aos efeitos do desmatamento das florestas tropicais úmidas, atuando indiretamente como ferramentas para a criação de estratégias de conservação dos grandes biomas. Foi conduzido um estudo na área petrolífera do Urucu - Am, com o intuito de comparar a riqueza e diversidade de espécies de drosofilídeos entre os habitats de clareiras artificiais (jazidas), naturais e floresta contínua. No período de 2003 a 2005 foram realizadas três excursões, nas quais foram utilizadas armadilhas contendo isca de banana fermentada. Para tal, foram utilizados 33 sítios: 11 clareiras naturais, 16 clareiras artificiais e seis transectos em floresta contínua. Além disto, foi testada experimentalmente no campo a capacidade de nove espécies desenvolverem-se nos dos habitats estudados. Foram capturados 7.652 insetos, dentre os quais 4.354 pertencentes à ordem Diptera (56,90%), distribuídos em 24 espécies de Drosophilidae, pertencentes a dois subgêneros: Sophophora e Drosophila. O padrão de abundância das espécies foi diferente entre os habitats. O subgrupo willistoni representou 60,54% do total de drosofilídeos, mais concentrado nas áreas de mata (79,09%). O segundo subgrupo mais abundante foi ananassae, representando 10,40% do total de drosofilídeos, concentrado nas jazidas (35,36%). As curvas de acumulação de espécies, com 227 amostras não tenderam a assíntota, com estimativas que variaram de 24 a 34 espécies. A análise de similaridade no coeficiente de Jaccard mostra 55% de semelhança entre os habitats de clareira natura e jazida, enquanto para Morisita ficou em torno de 98, 1 % entre a mata e clareira natural. Em relação ao experimento, D. malerkotliana foi a única espécie do subgrupo ananassae que emergiu em todos os habitats, apresentando diferenças significativas de emergência entre estes (ANOVA, p<0,001). As espécies do subgrupo willistoni apresentaram menores taxas de emergência, porém estas ocorreram apenas nas áreas de floresta independentemente do local de origem das moscas parentais. Estes resultados mostram a eficiência do método utilizado, precisando aumentar o esforço amostral para estimar a riqueza real de drosofilídeos de frutos.

Dinâmica da vegetação da região de Humaitá - AM durante o Pleistoceno tardio e o Holoceno

A dinâmica da vegetação oeste da Amazônia durante os últimos 42000 anos AP foi estudada por pólen, fácies sedimentares, datação por ¹⁴C, δ¹³C e C/N. Dois testemunhos foram coletados, o primeiro próximo da cidade de Humaitá no sul do Estado do Amazonas e o segundo nas proximidades de Porto velho, norte de Rondônia. Os pontos de amostragem estão localizados em uma região coberta por campos naturais e vegetação de floresta tropical, respectivamente. Os sedimentos depositados são predominantemente compostos por areia compacta, lama e areia com estratificação heterolítica, lama laminada e compacta representando sedimentos acumulados em um canal ativo, planície aluvial e lago em ferradura representando os ambientes sedimentares. Nessa configuração, as condições subaquáticas são desenvolvidas em um ambiente de baixa energia, favorecendo localmente a preservação da comunidade de grãos de pólen de vegetação herbácea e de floresta glacial representado principalmente por Alnus, Drymis, Hedyosmum, Podocarpus e Weinmannia com ocorrência entre > 42.033 – 43.168 cal anos AP e 34.804 – 35.584 cal anos AP. A vegetação arbórea e herbácea formam um ecótono que persiste do Holoceno Inferior ao Médio, enquanto a assembleia de vegetação adaptada ao frio se extingue. Os resultados desse trabalho sugerem a presença de uma significativa população de plantas de origem glacial nas planícies baixas do leste da Amazônia antes do Máximo Glacial Pleistocênico, as quais, na atualidade estão restritas aos Andes (2000-3000 m), sugerindo que nesse intervalo de tempo podem ter ocorrido temperaturas com valores inferiores aos que foram propostos para essa região.

Licófitas e monilófitas das Unidades de Conservação da Usina Hidroelétrica - UHE de Tucuruí, Pará, Brasil

O presente estudo refere-se às espécies de licófitas e monilófitas ocorrentes nas Zonas de Preservação da Vida Silvestre da Usina Hidroelétrica de Tucuruí, Estado do Pará, Brasil. A área de estudo localiza-se na região sudeste do Pará, com cerca de 29.700 hectares, composta, predominantemente, por floresta ombrófila aberta. Os dados obtidos demonstraram a ocorrência de 18 famílias, 37 gêneros e 82 espécies. A família com maior riqueza de espécies é Pteridaceae (21 spp.) e o gênero mais representativo é Adiantum com 14 espécies. Três espécies são novas referências para o Pará: Didymoglossum ovale, Danaea nodosa e Pecluma hygrometrica. Além disso, duas espécies novas foram identificados, uma delas já descrita, Thyelypteris amazonica. A outra espécie pertence a Adiantum e será publicada em breve. A riqueza florística da área, associada com as novidades taxonômicas, atesta a sua importância biológica e aponta para a necessidade de aumentar os esforços em pesquisa e conservação da área estudada.

Seasonal variation in the fate of seeds under contrasting logging regimes

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Dinâmica temporal e composição florística da comunidade arbórea de floresta ombrófila densa montana, Parque Estadual da Serra do Mar, SP, Brasil

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Tree species community spatial structure in a terra firme Amazon forest, Brazil

All trees with diameter at breast height dbh >= 10.0 cm were stem-mapped in a "terra firme" tropical rainforest in the Brazilian Amazon, at the EMBRAPA Experimental Site, Manaus, Brazil. Specifically, the relationships of tree species with soil properties were determined by using canonical correspondence analyses based on nine soil variables and 68 tree species. From the canonical correspondence analyses, the species were grouped into two groups: one where species occur mainly in sandy sites, presenting low organic matter content; and another one where species occur mainly in dry and clayey sites. Hence, we used Ripley's K function to analyze the distribution of species in 32 plots ranging from 2,500 m(2) to 20,000 m(2) to determine whether each group presents some spatial aggregation as a soil variations result. Significant spatial aggregation for the two groups was found only at over 10,000 m(2) sampling units, particularly for those species found in clayey soils and drier environments, where the sampling units investigated seemed to meet the species requirements. Soil variables, mediated by topographic positions had influenced species spatial aggregation, mainly in an intermediate to large distances varied range (>= 20 m). Based on our findings, we conclude that environmental heterogeneity and 10,000 m(2) minimum sample unit sizes should be considered in forest dynamic studies in order to understand the spatial processes structuring the "terra firme" tropical rainforest in Brazilian Amazon.

Systematics and distribution of freshwater Audouinella (Arochaetiaceae, Rhodophyta) in Brazil

Forty-five Brazilian populations of freshwater Audouinella were analysed using multivariate morphometrics. These populations were statistically related to seven type specimens. Five species are recognised on the basis of qualitative (plant colour and size, basal system type and branch angle) and quantitative (length and diameter of vegetative cells and monosporangia) characters. A. hermannii (syn. A. violacea) is characterised by a reddish colour, an irregular prostrate basal system, open branch angles (greater than or equal to 25 degrees) and small monosporangia (less than or equal to 15 mu m in diameter). A. macrospora (syn. A. chalybea var. brasiliensis) is distinguished from the other Brazilian species by having a bluish colour, a basal system composed of well-developed rhizoids, narrow branch angles (< 25 degrees) and large monosporangia (greater than or equal to 15 mu m in diameter). A. meiospora is microscopic and has a reddish colour, a basal system composed of creeping filaments, narrow branch angles and small monosporangia. A. pysmaea (syn. A. leibleinii) is characterised by being bluish, having an irregular prostrate basal system, narrow branch angles and small monosporangia. A, tenella is distinct from the other species by having a reddish colour, an irregular prostrate basal system, open branch angles, small monosporangia and small vegetative cells (less than or equal to 6 mu m in diameter). An identification key and revised descriptions and synonyms are presented for the five species. A. meiospora and A. tenella are reported for the first time for Brazil. A. macrospora and A. pygmaea were the most widespread species and occurred in tropical and subtropical regions. A. meiospora was found at two sites in a tropical rainforest region, whereas A. hermannii and A. tenella were found at only one site. Selected physical and chemical environmental data (temperature, specific conductance, current velocity, turbidity, pH and dissolved oxygen) are presented for most species.

Species richness and abundance of low-trunk herb epiphytes in relation to host tree size and bark type, Eastern Amazonia

A composição e estrutura da comunidade epifítica herbácea de fuste baixo, assim como sua distribuição vertical, foram estudadas. O DAP de hospedeiros arbóreos e o tipo de casca influenciam a riqueza e abundância dessas espécies em um trecho de floresta de terra firme na Amazônia Oriental (1º57’36"S 51º36’55"W). Foram identificadas, no total, 37 espécies herbáceas epifíticas, sendo 60% delas Araceae. A riqueza de espécies e a abundância de herbáceas epifíticas mostraram tendência de correlação positiva com o tamanho de hospedeiros arbóreos e nenhuma relação com o tipo de casca. Correlação positiva baixa pode ser um subproduto da predominância de árvores de menor diâmetro na amostragem em vez de refletir relação neutra. A ausência de relações com o tipo de casca deve ser parcialmente explicada pelo grande número de hemiepífitas secundárias, generalistas, e também refletir a ausência de substratos adequados em árvores de menor diâmetro.

Responses of transplanted native tree species to invasive alien grass removals in an abandoned cattle pasture in the Lacandon region, Mexico

We tested the early performance of 16 native early-, mid-, and late-successional tree species in response to four intensities of grass removal in an abandoned cattle pasture dominated by the introduced, invasive African grass, Cynodon plectostachyus, within the Lacandon rainforest region, southeast Mexico. The increase in grass removals significantly improved the performance of many species, especially of early-and mid-successional species, while performance of late-successional species was relatively poor and did not differ significantly among treatments. Good site preparation and at least one additional grass removal four months after seedling transplant were found to be essential; additional grass removals led to improved significantly performance of saplings in most cases. In order to evaluate the potential of transplanting tree seedlings successfully in abandoned tropical pastures, we developed a "planting risk index", combining field performance measurements and plantation cost estimations. Our results showed a great potential for establishing restoration plantings with many early-and mid-successional species. Although planting risk of late-successional species was considered high, certain species showed some possibilities of acclimation after 18 months and should be considered in future plantation arrangements in view of their long-term contributions to biodiversity maintenance and also to human welfare through delivery of ecosystem services. Conducting a planting risk analysis can help avoid failure of restoration strategies involving simultaneous planting of early-, mid-, and late-successional tree species. This in turn will improve cost-effectiveness of initial interventions in large-scale, long-term restoration programs.

Biogenic emission of halocarbons

Within this doctoral thesis, biogenic emissions of several globally relevant halocarbons (methyl chloride, methyl bromide, methyl iodide, dibromomethane, chloroform and bromoform) have been investigated in different environments. An airborne study was focused on the tropical rainforest ecosystem, while shipborne measurements investigated naturally occurring oceanic plankton blooms. Laboratory experiments using dried plant material were made to elucidate abiotic production mechanisms occurring in organic matter. Airborne measurements over the tropical rainforest of Suriname and French Guyana (3 - 6 °N, 51 - 59 °W) revealed net fluxes of 9.5 (± 3.8 2σ) µg m-2 h-1 methyl chloride and 0.35 (± 0.15 2σ) µg m-2 h-1 chloroform emitted in the long dry season (October) 2005. An extrapolation of these numbers to all tropical forests helped to narrow down the range of the recently discovered and poorly quantified methyl chloride source from tropical ecosystems. The value for methyl chloride obtained (1.5 (± 0.6 2σ) Tg yr-1) affirms that the contribution of the tropical forest ecosystem is the major source in the global budget of methyl chloride. The extrapolated global net chloroform flux from tropical forests (56 (± 23 2σ) Gg yr-1) is of minor importance (5 - 10 %) compared to the global sources. A source of methyl bromide from this region could not be verified. The abiotic formation of methyl chloride and methyl bromide from dead plant material was tested in a laboratory study. The release from plant tissue representative of grassland, deciduous forest, agricultural areas and coastal salt marshes (hay, ash, tomato and saltwort) has been monitored. Incubations at different temperatures (25 - 50 °C) revealed significant emissions even at ambient temperature, and that the emissions increased exponentially with temperature. The strength of the emission was found to be additionally dependent on the availability of halide and the methoxyl group within the plant tissue. However, high water content in the plant material was found to inhibit methyl halide emissions. The abiotic nature of the reaction yielding methyl halides was confirmed by its high activation energy calculated via Arrhenius plots. Shipborne measurements of the atmospheric mixing ratios of methyl chloride, methyl bromide, methyl iodide, dibromomethane and bromoform have been conducted along a South Atlantic transect from the 27.01. - 05.02.2007 to characterize halocarbon emissions from a large-scale natural algae bloom encountered off the coast of Argentina. Mixing ratios of methyl chloride and methyl bromide were not significantly affected by the occurrence of the phytoplankton bloom. Emissions of methyl iodide, dibromomethane and bromoform showed pronounced mixing ratio variations, triggered by phytoplankton abundance. Methyl iodide was strongly correlated with dimethyl sulfide throughout the sampled region. A new technique combining satellite derived biomass marker (chlorophyll a) data with back trajectory analysis was successfully used to attribute variations in mixing ratios to air masses, which recently passed over areas of enhanced biological production.

OH- und HO 2-Radikale über dem tropischen Regenwald

Beständig werden Spurenstoffe in die Atmosphäre emittiert, die ihren Ursprung in biogenen oder anthropogenen Quellen haben. Daß es dennoch im allgemeinen nicht zu einer Anreicherung bis hin zu toxischen Konzentrationen kommt, liegt an dem Vermögen der Atmosphäre sich durch Oxidationsprozesse selbst zu reinigen. Eine wichtige Aufgabe kommt dabei dem Hydroxylradikal OH zu, welches tagsüber die Oxidationskapazität der Atmosphäre bestimmt. Hierbei spielen die tropischen Regionen mit einer der höchsten OH-Produktionsraten eine zentrale Rolle. Gleichzeitig sind die tropischen Regenwälder eine bedeutende globale Quelle für Kohlenwasserstoffe, die durch Reaktion mit OH-Radikalen dessen Konzentration und damit die Oxidationskapazität der Atmosphäre herabsetzen. Während der GABRIEL-Meßkampagne 2005 im äquatorialen Südamerika wurde der Einfluß der Regenwaldemissionen auf das HOx-Budget (HOx = OH+HO2) untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Radikalmeßinstrument HORUS entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Komponenten des Gerätes optimiert, der Meßaufbau ins Flugzeug integriert und Methoden zur Kalibrierung entwickelt. Bei der internationalen Vergleichskampagne HOxComp2005 zeigte HORUS seine Eignung zur Messung von troposphärischen OH- und HO2-Radikalen.rnrnDie durchgeführten HOx-Messungen während der GABRIEL-Meßkampagne sind die ersten ihrer Art, die über einem tropischen Regenwald stattgefunden haben. Im Gegensatz zu den Vorhersagen globaler Modelle wurden unerwartet hohe OH- und HO2-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht des tropischen Regenwalds beobachtet. Der Vergleich der berechneten OH-Produktions- und Verlustraten, die aus dem umfangreichen Datensatz von GABRIEL ermittelt wurden, zeigte, daß hierbei eine wichtige OH-Quelle unberücksichtigt blieb. Mit Hilfe des Boxmodells MECCA, in welchem die gemessenen Daten als Randbedingungen in die Simulationen eingingen, wurden die modellierten OH- und HO2- Konzentrationen im Gleichgewichtszustand den beobachteten Konzentrationen gegenübergestellt. Luftmassen der freien Troposphäre und der maritimen Grenzschicht zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Modell. Über dem tropischen Regenwald jedoch wurden die beobachteten HOx-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht durch das Modell, vor allem am Nachmittag, signifikant unterschätzt. Dabei lag die Diskrepanz zwischen den beobachteten und simulierten Konzentrationen bei einem mittleren Wert von OHobs/OHmod = 12.2 ± 3.5 und HO2obs/HO2mod = 4.1 ± 1.4. Die Abweichung zwischen Messung und Modell korrelieren hierbei mit der Isoprenkonzentration. Während für niedrige Isoprenmischungsverhältnisse, wie sie über dem Ozean oder in Höhen > 3 km vorherrschten, die Beobachtungen mit den Simulationen innerhalb eines Faktors 1.6±0.7 übereinstimmten, nahm die Unterschätzung durch das Modell für steigende Isoprenmischungsverhältnisse > 200 pptV über dem tropischen Regenwald zu.rnrnDer kondensierte chemische Mechanismus von MECCA wurde mit der ausführlichen Isoprenchemie des ”Master Chemical Mechanism“ überprüft, welches vergleichbare HOx-Konzentrationen lieferte. OH-Simulationen, durchgeführt mit der gemessenen HO2-Konzentration als zusätzliche Randbedingung, zeigten, daß die Konversion zwischen HO2 und OH innerhalb des Modells nicht ausreichend ist. Durch Vernachlässigung der gesamten Isoprenchemie konnte dagegen eine Übereinstimmung zwischen Modell und Messung erreicht werden. Eine OH-Quelle in der gleichen Größenordnung wie die OH-Senke durch Isopren, ist somit zur Beschreibung der beobachteten OH-Konzentration notwendig. Reaktionsmechanismen, die innerhalb der Isoprenchemie die gleiche Anzahl an OH-Radikalen erzeugen wie sie verbrauchen, könnten eine mögliche Ursache sein. Unterschiedliche zusätzliche Reaktionen wurden in die Isoprenabbaumechanismen des Modells implementiert, die zur Erhöhung der OH-Quellstärke führen sollten. Diese bewirkten eine Zunahme der simulierten HO2-Konzentrationen um einen maximalen Faktor von 5 für OH und 2 für HO2. Es wird eine OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit r von bis zu 94% gefordert, wie sie für die GABRIEL-Messungen erreicht wurde. Die geringe OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit von 38% des Modells zeigte, daß wichtige Zyklierungsvorgänge im chemischen Mechanismus bislang nicht berücksichtigt werden. Zusätzliche Zyklierungsreaktionen innerhalb des Isoprenmechanismus, die auch unter niedrigen NO-Konzentrationen zur Rückbildung von OHRadikalen führen, könnten eine Erklärung für die über dem Regenwald beobachteten hohen OH-Konzentration liefern.rn

Photochemie der Troposphäre in niedrigen und mittleren Breiten: Die Rolle von Konvektion

Ozon (O3) ist in der Atmosphäre ein wichtiges Oxidanz und Treibhausgas. Während die höchsten Konzentrationen in der Stratosphäre beobachtet werden und die vor der gefährlichen UV-Strahlung schützende Ozonschicht bilden, können sich signifikante Änderungen der Ozon-Konzentration in der Region der Tropopause auf das Klima der Erde auswirken. Des Weiteren ist Ozon eine der Hauptquellen für das Hydroxylradikal (OH) und nimmt damit entscheidend Einfluss auf die Oxidationskraft der Atmosphäre. Der konvektive Transport von Ozon und seinen Vorläufergasen aus Regionen nahe der Erdoberfläche in die freie Troposphäre beeinflusst das Budget dieser Spezies in der Tropopausenregion.rnDie Datengrundlage der Studie in der vorliegenden Arbeit basiert auf den flugzeuggetragenen Messkampagnen GABRIEL 2005 (Suriname, Südamerika) sowie HOOVER I 2006 und HOOVER II 2007 (beide in Europa). Mit dem zur Verfügung stehenden Datensatz wird das Ozonbudget in der freien, unbelasteten Hintergrundatmosphäre und in der durch hochreichende Konvektion gestörten, oberen Troposphäre untersucht. Anhand der auf in-situ Messungen von O3, NO, OH, HO2 und dem aktinischen Strahlungsfluss basierten Berechnung der Netto-Ozonproduktionsrate (NOPR) werden für das Messgebiet Ozontendenzen in der unbelasteten Troposphäre abgeleitet und mit Simulationen des globalen Chemie-Transport-Modells MATCH-MPIC verglichen. Mit Hilfe zweier Fallstudien in den Tropen in Südamerika und den mittleren Breiten in Europa werden die Auswirkungen von hochreichender Konvektion auf die obere Troposphäre quantifiziert.rnDie Ergebnisse zeigen für die Grenzschicht in niedrigen und mittleren Breiten eine eindeutige Tendenz zur Produktion von Ozon, was für den tropischen Regenwald in der Messregion nicht der allgemeinen Erwartung entsprach, nach der diese Region durch die Zerstörung von Ozon charakterisiert sein sollte. In der oberen Troposphäre ab etwa 7 km wird für die beiden Regionen eine leichte Tendenz zur Ozonproduktion beobachtet. Signifikante Unterschiede zeigen die Ergebnisse für die mittlere Troposphäre. Während die Tropen in dieser Region durch eine eindeutige Tendenz zur Zerstörung von Ozon charakterisiert sind, lässt sich über den mittleren Breiten zwar eine hohe photochemische Aktivität aber keine derart klare Tendenz feststellen. Die hohen Breiten zeichnen sich durch eine neutrale Troposphäre in Bezug auf die Ozontendenz aus und weisen kaum photochemische Aktivität auf. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit dem MATCH-MPIC Modell zeigt in weiten Teilen der Messregionen eine grundlegende Übereinstimmung in der Tendenz zur Produktion oder Zerstörung von Ozon. Die absoluten Werte werden vom Modell aber generell unterschätzt. Signifikante Unterschiede zwischen in-situ Daten und Modellsimulationen werden in der Grenzschicht über dem tropischen Regenwald identifiziert.rnDer Einfluss der Konvektion ist durch eine signifikant erhöhte NOPR gekennzeichnet. In dieser Arbeit wird in den Tropen mit einem Median-Wert von 0.20 ppbv h−1 eine um den Faktor 3.6 erhöhte NOPR im Vergleich zur ungestörten oberen Troposphäre abgeschätzt. In den mittleren Breiten führt die um eine Größenordnung höhere NO-Konzentration zu einem Wert von 1.89 ppbv h−1, was einer Überhöhung um einen Faktor 6.5 im Vergleich zum ungestörten Zustand entspricht. Diese Ergebnisse zeigen für beide Regionen in der oberen Troposphäre eine erhöhte Ozonproduktion als Folge konvektiver Aktivität. rnrnHochreichende Konvektion ist zudem ein sehr effektiver Mechanismus für den Vertikaltransport aus der Grenzschicht in die obere Troposphäre. Die schnelle Hebung in konvektiven Wolken führt bei Spurengasen mit Quellen an der Erdoberfläche zu einer Erhöhung ihrer Konzentration in der oberen Troposphäre. Die hochgradig löslichen Spurenstoffe Formaldehyd (HCHO) und Wasserstoffperoxid (H2O2) sind wichtige Vorläufergase der HOx-Radikale. Es wird angenommen, dass sie aufgrund ihrer Löslichkeit in Gewitterwolken effektiv ausgewaschen werden.rnIn der vorliegenden Arbeit wird eine Fallstudie von hochreichender Konvektion im Rahmen des HOOVER II Projekts im Sommer 2007 analysiert. Am 19.07.2007 entwickelten sich am Nachmittag am Südostrand eines in nordöstlicher Richtung ziehenden mesoskaligen konvektiven Systems drei zunächst isolierte konvektive Zellen. Flugzeuggetragene Messungen in der Aus- und der Einströmregion einer dieser Gewitterzellen stellen einen exzellenten Datensatz bereit, um die Auswirkungen von hochreichender Konvektion auf die Verteilung verschiedener Spurengase in der oberen Troposphäre zu untersuchen. Der Vergleich der Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid (CO) und Methan (CH4) zwischen der oberen Troposphäre und der Grenzschicht deutet auf einen nahezu unverdünnten Transport dieser langlebigen Spezies in der konvektiven Zelle hin. Die Verhältnisse betragen (0.94±0.04) für CO und (0.99±0.01) für CH4. Für die löslichen Spezies HCHO und H2O2 beträgt dieses Verhältnis in der Ausströmregion (0.55±0.09) bzw. (0.61±0.08). Dies ist ein Indiz dafür, dass diese Spezies nicht so effektiv ausgewaschen werden wie angenommen. Zum besseren Verständnis des Einflusses der Konvektion auf die Budgets dieser Spezies in der oberen Troposphäre wurden im Rahmen dieser Arbeit Boxmodell-Studien für den Beitrag der photochemischen Produktion in der Ausströmregion durchgeführt, wobei die gemessenen Spezies und Photolysefrequenzen als Randbedingungen dienten. Aus den Budgetbetrachtungen für HCHO und H2O2 wird eine Auswascheffizienz von (67±24) % für HCHO und (41±18) % für H2O2 abgeschätzt. Das für H2O2 überraschende Ergebnis lässt darauf schließen, dass dieses Molekül in einer Gewitterwolke deutlich effektiver transportiert werden kann, als aufgrund seiner hohen Löslichkeit aus der Henry-Konstanten zu erwarten wäre. Das Ausgasen von gelöstem H2O2 beim Gefrieren eines Wolkentropfens, d.h. ein Retentionskoeffizient kleiner 1, ist ein möglicher Mechanismus, der zum beobachteten Mischungsverhältnis dieser löslichen Spezies in der Ausströmregion beitragen kann.

Microscopic and spectroscopic analysis of biogenic aerosols

Aerosol particles are important actors in the Earth’s atmosphere and climate system. They scatter and absorb sunlight, serve as nuclei for water droplets and ice crystals in clouds and precipitation, and are a subject of concern for public health. Atmospheric aerosols originate from both natural and anthropogenic sources, and emissions resulting from human activities have the potential to influence the hydrological cycle and climate. An assessment of the extent and impacts of this human force requires a sound understanding of the natural aerosol background. This dissertation addresses the composition, properties, and atmospheric cycling of biogenic aerosol particles, which represent a major fraction of the natural aerosol burden. The main focal points are: (i) Studies of the autofluo-rescence of primary biological aerosol particles (PBAP) and its application in ambient measure-ments, and (ii) X-ray microscopic and spectroscopic investigations of biogenic secondary organic aerosols (SOA) from the Amazonian rainforest.rnAutofluorescence of biological material has received increasing attention in atmospheric science because it allows real-time monitoring of PBAP in ambient air, however it is associated with high uncertainty. This work aims at reducing the uncertainty through a comprehensive characterization of the autofluorescence properties of relevant biological materials. Fluorescence spectroscopy and microscopy were applied to analyze the fluorescence signatures of pure biological fluorophores, potential non-biological interferences, and various types of reference PBAP. Characteristic features and fingerprint patterns were found and provide support for the operation, interpretation, and further development of PBAP autofluorescence measurements. Online fluorescence detection and offline fluorescence microscopy were jointly applied in a comprehensive bioaerosol field measurement campaign that provided unprecedented insights into PBAP-linked biosphere-atmosphere interactions in a North-American semi-arid forest environment. Rain showers were found to trigger massive bursts of PBAP, including high concentrations of biological ice nucleators that may promote further precipitation and can be regarded as part of a bioprecipitation feedback cycle in the climate system. rnIn the pristine tropical rainforest air of the Amazon, most cloud and fog droplets form on bio-genic SOA particles, but the composition, morphology, mixing state and origin of these particles is hardly known. X-ray microscopy and spectroscopy (STXM-NEXAFS) revealed distinctly different types of secondary organic matter (carboxyl- vs. hydroxy-rich) with internal structures that indicate a strong influence of phase segregation, cloud and fog processing on SOA formation, and aging. In addition, nanometer-sized potassium-rich particles emitted by microorganisms and vegetation were found to act as seeds for the condensation of SOA. Thus, the influence of forest biota on the atmospheric abundance of cloud condensation nuclei appears to be more direct than previously assumed. Overall, the results of this dissertation suggest that biogenic aerosols, clouds and precipitation are indeed tightly coupled through a bioprecipitation cycle, and that advanced microscopic and spectroscopic techniques can provide detailed insights into these mechanisms.rn

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.

INSTANTANEOUS PHOTOSYNTHETIC RESPONSE TO TEMPERATURE OF MATURE FOREST CANOPIES AND EXPERIMENTALLY WARMED SEEDLINGS

Tropical trees have been shown to be more susceptible to warming compared to temperate species, and have shown growth and photosynthetic declines at elevated temperatures as little as 3oC above ambient. However, regional and global vegetation models lack the data needed to accurately represent physiological response to increased temperatures in tropical forests. We compared the instantaneous photosynthetic responses to elevated temperatures of four mature tropical rainforest tree species in Puerto Rico and the temperate broadleaf species sugar maple (Acer saccharum) in Michigan. Contrary to expectations, leaves in the upper canopy of both temperate and tropical forests had temperature optima that are already exceeded by mean daily leaf temperatures. This indicates that tropical and temperate forests are already seeing photosynthesis decline at mid-day temperature. This decline may worsen as air temperatures rise with climate change if trees are unable to acclimate, increasing the likelihood that forests may shift from carbon sinks to sources. A secondary study was conducted on experimentally warmed sugar maple seedlings to determine if photosynthesis had been able to acclimate to +5oC air temperature over four years. Species abundance models had predicted a decline of sugar maple within the Upper Peninsula of Michigan over the next 100 years, due to elevated temperature and altered precipitation. Instantaneous photosynthetic temperature response curves on both control and heated seedlings showed that the differences between treatments were not statistically significant, though there was a 16% increase in temperature optima and a 3% increase in maximum rates of photosynthesis in warmed plots. Though evidence of acclimation was not significant, the seedlings did not fare poorly as the models suggest.