945 resultados para Max Planck institute for human development


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A statistical–dynamical downscaling (SDD) approach for the regionalization of wind energy output (Eout) over Europe with special focus on Germany is proposed. SDD uses an extended circulation weather type (CWT) analysis on global daily mean sea level pressure fields with the central point being located over Germany. Seventy-seven weather classes based on the associated CWT and the intensity of the geostrophic flow are identified. Representatives of these classes are dynamically downscaled with the regional climate model COSMO-CLM. By using weather class frequencies of different data sets, the simulated representatives are recombined to probability density functions (PDFs) of near-surface wind speed and finally to Eout of a sample wind turbine for present and future climate. This is performed for reanalysis, decadal hindcasts and long-term future projections. For evaluation purposes, results of SDD are compared to wind observations and to simulated Eout of purely dynamical downscaling (DD) methods. For the present climate, SDD is able to simulate realistic PDFs of 10-m wind speed for most stations in Germany. The resulting spatial Eout patterns are similar to DD-simulated Eout. In terms of decadal hindcasts, results of SDD are similar to DD-simulated Eout over Germany, Poland, Czech Republic, and Benelux, for which high correlations between annual Eout time series of SDD and DD are detected for selected hindcasts. Lower correlation is found for other European countries. It is demonstrated that SDD can be used to downscale the full ensemble of the Earth System Model of the Max Planck Institute (MPI-ESM) decadal prediction system. Long-term climate change projections in Special Report on Emission Scenarios of ECHAM5/MPI-OM as obtained by SDD agree well to the results of other studies using DD methods, with increasing Eout over northern Europe and a negative trend over southern Europe. Despite some biases, it is concluded that SDD is an adequate tool to assess regional wind energy changes in large model ensembles.

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The new Max-Planck-Institute Earth System Model (MPI-ESM) is used in the Coupled Model Intercomparison Project phase 5 (CMIP5) in a series of climate change experiments for either idealized CO2-only forcing or forcings based on observations and the Representative Concentration Pathway (RCP) scenarios. The paper gives an overview of the model configurations, experiments related forcings, and initialization procedures and presents results for the simulated changes in climate and carbon cycle. It is found that the climate feedback depends on the global warming and possibly the forcing history. The global warming from climatological 1850 conditions to 2080–2100 ranges from 1.5°C under the RCP2.6 scenario to 4.4°C under the RCP8.5 scenario. Over this range, the patterns of temperature and precipitation change are nearly independent of the global warming. The model shows a tendency to reduce the ocean heat uptake efficiency toward a warmer climate, and hence acceleration in warming in the later years. The precipitation sensitivity can be as high as 2.5% K−1 if the CO2 concentration is constant, or as small as 1.6% K−1, if the CO2 concentration is increasing. The oceanic uptake of anthropogenic carbon increases over time in all scenarios, being smallest in the experiment forced by RCP2.6 and largest in that for RCP8.5. The land also serves as a net carbon sink in all scenarios, predominantly in boreal regions. The strong tropical carbon sources found in the RCP2.6 and RCP8.5 experiments are almost absent in the RCP4.5 experiment, which can be explained by reforestation in the RCP4.5 scenario.

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The sea ice export from the Arctic is of global importance due to its fresh water which influences the oceanic stratification and, thus, the global thermohaline circulation. This study deals with the effect of cyclones on sea ice and sea ice transport in particular on the basis of observations from two field experiments FRAMZY 1999 and FRAMZY 2002 in April 1999 and March 2002 as well as on the basis of simulations with a numerical sea ice model. The simulations realised by a dynamic-thermodynamic sea ice model are forced with 6-hourly atmospheric ECMWF- analyses (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) and 6-hourly oceanic data of a MPI-OM-simulation (Max-Planck-Institute Ocean Model). Comparing the observed and simulated variability of the sea ice drift and of the position of the ice edge shows that the chosen configuration of the model is appropriate for the performed studies. The seven observed cyclones change the position of the ice edge up to 100 km and cause an extensive decrease of sea ice coverage by 2 % up to more than 10 %. The decrease is only simulated by the model if the ocean current is strongly divergent in the centre of the cyclone. The impact is remarkable of the ocean current on divergence and shear deformation of the ice drift. As shown by sensitivity studies the ocean current at a depth of 6 m – the sea ice model is forced with – is mainly responsible for the ascertained differences between simulation and observation. The simulated sea ice transport shows a strong variability on a time scale from hours to days. Local minima occur in the time series of the ice transport during periods with Fram Strait cyclones. These minima are not caused by the local effect of the cyclone’s wind field, but mainly by the large-scale pattern of surface pressure. A displacement of the areas of strongest cyclone activity in the Nordic Seas would considerably influence the ice transport.

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Decadal predictions on timescales from one year to one decade are gaining importance since this time frame falls within the planning horizon of politics, economy and society. The present study examines the decadal predictability of regional wind speed and wind energy potentials in three generations of the MiKlip (‘Mittelfristige Klimaprognosen’) decadal prediction system. The system is based on the global Max-Planck-Institute Earth System Model (MPI-ESM), and the three generations differ primarily in the ocean initialisation. Ensembles of uninitialised historical and yearly initialised hindcast experiments are used to assess the forecast skill for 10 m wind speeds and wind energy output (Eout) over Central Europe with lead times from one year to one decade. With this aim, a statistical-dynamical downscaling (SDD) approach is used for the regionalisation. Its added value is evaluated by comparison of skill scores for MPI-ESM large-scale wind speeds and SDD-simulated regional wind speeds. All three MPI-ESM ensemble generations show some forecast skill for annual mean wind speed and Eout over Central Europe on yearly and multi-yearly time scales. This forecast skill is mostly limited to the first years after initialisation. Differences between the three ensemble generations are generally small. The regionalisation preserves and sometimes increases the forecast skills of the global runs but results depend on lead time and ensemble generation. Moreover, regionalisation often improves the ensemble spread. Seasonal Eout skills are generally lower than for annual means. Skill scores are lowest during summer and persist longest in autumn. A large-scale westerly weather type with strong pressure gradients over Central Europe is identified as potential source of the skill for wind energy potentials, showing a similar forecast skill and a high correlation with Eout anomalies. These results are promising towards the establishment of a decadal prediction system for wind energy applications over Central Europe.

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We study the validity of the Born-Oppenheimer approximation in chaotic dynamics. Using numerical solutions of autonomous Fermi accelerators. we show that the general adiabatic conditions can be interpreted as the narrowness of the chaotic region in phase space. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

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We study the charge dynamic structure factor of the one-dimensional Hubbard model with finite on-site repulsion U at half-filling. Numerical results from the time-dependent density matrix renormalization group are analyzed by comparison with the exact spectrum of the model. The evolution of the line shape as a function of U is explained in terms of a relative transfer of spectral weight between the two-holon continuum that dominates in the limit U -> infinity and a subset of the two-holon-two-spinon continuum that reconstructs the electron-hole continuum in the limit U -> 0. Power-law singularities along boundary lines of the spectrum are described by effective impurity models that are explicitly invariant under spin and eta-spin SU(2) rotations. The Mott-Hubbard metal-insulator transition is reflected in a discontinuous change of the exponents of edge singularities at U = 0. The sharp feature observed in the spectrum for momenta near the zone boundary is attributed to a van Hove singularity that persists as a consequence of integrability.

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We analyse the dependence of the luminosity function (LF) of galaxies in groups on group dynamical state. We use the Gaussianity of the velocity distribution of galaxy members as a measurement of the dynamical equilibrium of groups identified in the Sloan Digital Sky Survey Data Release 7 by Zandivarez & Martinez. We apply the Anderson-Darling goodness-of-fit test to distinguish between groups according to whether they have Gaussian or non-Gaussian velocity distributions, i.e. whether they are relaxed or not. For these two subsamples, we compute the (0.1)r-band LF as a function of group virial mass and group total luminosity. For massive groups, , we find statistically significant differences between the LF of the two subsamples: the LFs of groups that have Gaussian velocity distributions have a brighter characteristic absolute magnitude (similar to 0.3 mag) and a steeper faint-end slope (similar to 0.25). We detect a similar effect when comparing the LF of bright [M-0.1r(group) - 5log(h) < -23.5] Gaussian and non-Gaussian groups. Our results indicate that, for massive/luminous groups, the dynamical state of the system is directly related to the luminosity of its galaxy members.

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We present and describe a catalog of galaxy photometric redshifts (photo-z) for the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) Co-add Data. We use the artificial neural network (ANN) technique to calculate the photo-z and the nearest neighbor error method to estimate photo-z errors for similar to 13 million objects classified as galaxies in the co-add with r < 24.5. The photo-z and photo-z error estimators are trained and validated on a sample of similar to 83,000 galaxies that have SDSS photometry and spectroscopic redshifts measured by the SDSS Data Release 7 (DR7), the Canadian Network for Observational Cosmology Field Galaxy Survey, the Deep Extragalactic Evolutionary Probe Data Release 3, the VIsible imaging Multi-Object Spectrograph-Very Large Telescope Deep Survey, and the WiggleZ Dark Energy Survey. For the best ANN methods we have tried, we find that 68% of the galaxies in the validation set have a photo-z error smaller than sigma(68) = 0.031. After presenting our results and quality tests, we provide a short guide for users accessing the public data.

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Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen an schweren Elementen in einer Puffergaszelle Die vorgelegte Arbeit beschreibt vorbereitende Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen schwerer Elemente (Z>100) in einer mit Argon gefüllten Puffergaszelle. Dazu wurden am Element Erbium (Z=68), dem chemischen Homolog von Fermium (Z=100), zunächst in einem Fourier-Transformations-Massenspektrometer (FT/MS) Reaktionen mit Sauerstoff (O2), Methan (CH4) und Butylen (C4H8) untersucht und deren Reaktionskonstanten zu k(Er+O2)=(3,6±0,3)•10-10cm3/s, k(Er+C4H8)=(1,3±0,1)•10-10cm3/s gemessen. Für die Reaktion Er++CH4 wurde eine Obergrenze der Reaktionskonstante von k(Er+CH4)?,3•10-15cm3/s bestimmt. Dieselben Reaktionen wurden anschließend in einer mit 60 mbar Argon gefüllten Puffergaszelle am Tandembeschleuniger des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg studiert.Das in die Zelle eingeschossene Erbium wurde nach der Thermalisierung in einem zweistufigen Laserprozess resonant ionisiert. Diese Messungen führten zu gleichen Ergebnissen wie die FT/MS-Messungen (k(Er+O2)=3,3±0,4)•10-10cm3/s, k(Er+CH4)?2•10-17cm3/s). Die Reaktion von Erbium mit Butylen wurde ebenfalls beobachtet, eine Reaktionskonstante konnte jedoch nicht bestimmt werden. Die Reaktion von Erbium mit Sauerstoff wurde auch mit den direkt in die Puffergaszelle eingeschossenen Ionen ohne Laserionisation untersucht. Eine reproduzierbare Reaktionskonstante konnte nicht bestimmt werden, mögliche Ursachen werden diskutiert.Aus der Driftzeit der Ionen im Puffergas können Ionenmobilitäten bestimmt werden. Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Ionenradien und damit auch auf Bindungslängen in Molekülen. Zwischen Plutonium und Americium wurde bei einer Driftzeit von (1,88±0,01) ms ein Driftzeitunterschied von (0,07±0,02) ms gemessen und daraus eine relative Verringerung des Ionenradius von Americium gegenüber dem von Plutonium um (3,1±1,3)% bestimmt. Relativistische Rechnungen sagen für den atomaren Radius von Americium gegenüber Plutonium eine Kontraktion in gleicher Größenordnung voraus; für Ionenradien existieren zur Zeit noch keine Rechnungen. Aus den gemessenen Driftzeiten des Plutoniums von (1,85±0,01) ms und Plutoniumoxids von (2,38±0,01) ms wurde eine Zunahme des Ionenradius des Plutoniumoxids gegenüber dem Plutonium um (28±2)% bestimmt.Außerdem wurden Reaktionen von Ruthenium (Z=44) und Osmium (Z=76), beides chemische Homologe von Hassium (Z=108), mit Sauerstoff in der FT/MS-Apparatur untersucht, mit dem Ziel widersprüchliche Messungen der Reaktionskonstanten aufzuklären.

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Complexes of polyelectrolytes with defined charge distance and different dendrimer counterions Magdalena Chelmecka Max Planck Institute for Polymer Research; Ackermannweg 10; D-55128 Mainz ; Tel.: (+49) 06131- 379 – 226 A study of complexes in solution is of interest to investigate whether the formation of well-defined assemblies like in classical surfactant systems is possible. Aim of this thesis is to investigate the electrostatic self-assembly of linear polycations of varying charge distance with “large” counterions of varying architecture. We especially investigate the morphology of objects formed, but also their stability under salt free condition and after low molecular mass salt addition. As polycations, Poly(dialkylimino)-alkylene salts (Ionenes) I65MeBr and I25MeBr were chosen. Ionenes are synthesized via Menschutkin reaction and characterized by standard methods. Counterions are Polyamidoamine (PAMAM) dendrimers of generations G2.5, G5.5, G7.5 with -COONa surface groups and shape-persistent, Polyphenylene dendrimers of generation G1 with surface -COOH groups. A complex interplay of interactions is expected to direct the self assembly via electrostatic interaction, geometric factors, hydrophobic interaction or hydrogen bonds. Methods used for the investigation of complexes are: UV-spectroscopy, pH-metric techniques, dynamic and static light scattering, small angle neutron scattering,  potential measurements and potentiometric titration. Under certain conditions, (i.e. charge ratio of compounds, charge density of ionene and dendrimer also concentration of sample) polyelectrolyte systems composed of ionenes and dendrimers build complexes in solution. System compounds are typical polyelectrolytes, but structures which they build behave not usual for typical polyelectrolytes. In a one diffusion mode regime aggregates of about 100 nm hydrodynamic radius have been found. Such aggregates are core-shell or anisotropic core shell structures in the case of ionenes/PAMAM dendrimers complexes. These complexes are stable even at high ionic strength. In case of ionenes with poly(phenylene) dendrimers, hard sphere-like objects or spherical objects with hairy-like surface have been found in a one diffusion mode regime. Their stability at high ionic strength is lower. For the ionenes/poly(phenylene) dendrimers systems one transition point has been found from one to two diffusion processes, towards increasing ionene concentration, i.e. for the samples with fixed dendrimer concentration towards increasing ionic strength. For the diffusion profile of ionene/PAMAM dendrimers in most cases two transition regimes are observed. One at very low ionene concentration, the second one at high ionene concentrations, which again means for the samples with fixed dendrimer concentration, also at higher ionic strength. Both two mode regimes are separated by the one mode regime. As was confirmed experimentally, the one diffusion mode regime is caused by the motion of well defined assemblies. The two diffusion mode regimes are caused by the movement of different sized species in solution, large aggregates and middle-size aggregates (oligoaggregates). The location and also the number of transition points in the diffusion profiles is dependent on the ionene to dendrimer charge ratio, charge density of the compounds and concentration. No influence of the molecular mass of the ionene has been found. The aggregates are found to be charged on the surface, however this surface charge does not significantly influence the diffusion properties of the system.

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Im Rahmen der Arbeit wurde ein neuartiges Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) aufgebaut und umfassend charakterisiert. Mit dem AIMS kann die chemische Zusammensetzung der verdampfbaren Komponente (bei etwa 600 °C) von Aerosolpartikeln quantitativ und on-line bestimmt werden. Die Durchmesser der Teilchen, die analysiert werden können, liegen zwischen etwa 30 und 500 nm. Der experimentelle Aufbau greift auf ein bereits gut charakterisiertes Einlasssystem des Aerodyne Aerosol-Massenspektrometers (AMS) zurück, das einen Partikeleinlass, bestehend aus einer kritischen Düse und einer aerodynamischen Linse, einen Verdampfer für die Aerosolteilchen und eine Elektronenstoß-Ionenquelle enthält. Das kommerzielle AMS verwendet entweder ein lineares Quadrupol-Massenfilter (Q-AMS) oder ein Flugzeit-Massenspektrometer (ToF-AMS). Im AIMS hingegen wird eine dreidimensionale Ionenfalle als Massenanalysator eingesetzt. Dadurch eröffnen sich unter anderem Möglichkeiten zur Durchführung von MSn-Studien und Ionen/Molekül-Reaktionsstudien. Das Massenspektrometer und wichtige Teile der Steuerungselektronik wurden am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entworfen und hergestellt. Das AIMS wird von einem PC und einer Software, die in der Programmiersprache LabVIEW verfasst ist, gesteuert. Aufgrund seiner Kompaktheit ist das Instrument auch für den Feldeinsatz geeignet. Mit der Software Simion 7.0 wurden umfangreiche Simulationsstudien durchgeführt. Diese Studien beinhalten Simulationen zur Ermittlung der optimalen Spannungseinstellungen für den Ionentransfer von der Ionenquelle in die Ionenfalle und eine Abschätzung der Sammeleffizienz der Ionenfalle, die gut mit einem gemessenen Wert übereinstimmt. Charakterisierungsstudien zeigen einige instrumentelle Merkmale des AIMS auf. Es wurde beispielsweise ein Massenauflösungsvermögen von 807 für m/z 121 gefunden, wenn eine Analyserate von 1780 amu/s verwendet wird. Wird die Analyserate verringert, dann lässt sich das Massenauflösungsvermögen noch erheblich steigern. Bei m/z 43 kann dann ein Wert von > 1500 erzielt werden, wodurch sich Ionenfragmente wie C2H3O+ (m/z 43.0184) und C3H7+ (m/z 43.0548) voneinander trennen lassen. Der Massenbereich des AIMS lässt sich durch resonante Anregung erweitern; dies wurde bis zu einer Masse von 1000 amu getestet. Kalibrationsmessungen mit laborgenerierten Partikeln zeigen eine hervorragende Linearität zwischen gemessenen Signalstärken und erzeugten Aerosol-Massenkonzentrationen. Diese Studien belegen im Zusammenhang mit den gefundenen Nachweisgrenzen von Nitrat (0.16 μg/m³) und Sulfat (0.65 μg/m³) aus Aerosolpartikeln, dass das AIMS für quantitative Messungen von atmosphärischem Aerosol geeignet ist. Ein Vergleich zwischen dem AIMS und dem Q-AMS für Nitrat in städtischem Aerosol zeigt eine gute Übereinstimmung der gefundenen Messwerte. Für laborgenerierte Polystyren-Latexpartikel wurde eine MS/MS-Studie unter der Anwendung von collision induced dissociation (CID) durchgeführt. Das Verhältnis von Fragmentionen zu Analytionen wurde zu einem Wert von > 60% bestimmt. In der Zukunft können ähnliche MS/MS-Studien auch für atmosphärische Aerosolpartikel angewandt werden, wodurch sich neue Perspektiven für die Speziation von Aerosolbestandteilen eröffnen. Dann sollen vor allem Kondensationsprozesse, das heißt die Bildung von sekundärem Aerosol, detailliert untersucht werden.

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Das Hydroxyl Radikal ist, auf globalem Maßstab, das bedeutendste Oxidant in der Atmosphäre. Es initiiert den Abbauprozess vieler, teilweise schädlicher, Spurengase und insbesondere den von flüchtigen Kohlenwasserstoffen (VOC). Die OH Konzentration ist somit ein gutes Maß für die augenblickliche Selbstreinigungskapazität der Atmosphäre. Messungen zu nächtlicher Zeit mit LIF-FAGE-Instrumenten (engl.: laser-induced fluorescence - fluorescence assay by gas expansion) haben Konzentrationen des Hydroxylradikals (OH) ergeben, die signifikant höher waren, als sich mit der bekannten Chemie erklären ließ. Um herauszufinden, ob ein solches Signal wirklich atmosphärisches OH ist oder von einer störenden Spezies stammt, die im Messinstrument OH produziert, wurde das LIF-FAGE-Instrument des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) im Rahmen dieser Doktorarbeit modifiziert und getestet. Dazu wurde ein so genannter Inlet Pre-Injector (IPI) entwickelt, mit dem in regelmäßigen Abständen ein OH-Fänger in die Umgebungsluft abgegeben werden kann, bevor das OH vom Instrument erfasst wird. Mit dieser Technik ist es möglich, ein Hintergrund-OH (OHbg), d. h. ein im Instrument erzeugtes OH-Signal, vom gemessenen OH-Gesamtsignal (OHtot) zu trennen. Die Differenz zwischen OHtot und OHbg ist die atmosphärische OH-Konzentration (OHatm). Vergleichsmessungen mit der hier entwickelten Technik, dem IPI, in zwei verschiedenen Umgebungen mit Instrumenten basierend auf Massenspektrometrie mit chemischer Ionisation (CIMS, engl.: chemical ionization mass spectrometry) als alternativer Methode des OH-Nachweises, zeigten eine weitgehende Übereinstimmung. Eine umfassende Beschreibung des Systems zur Ermittlung der Ursache des OHbg hat ergeben, dass es weder von einem Artefakt des Instruments noch von hinlänglich bekannten und beschriebenen LIF-FAGE-Interferenzen stammt. Zur Bestimmung der Spezies, die das OHbg-Signal verursacht, wurden verschiedene Laborstudien durchgeführt. Die Arbeit im Rahmen dieser Doktorarbeit hat ergeben, dass das LIF-FAGE-Instrument leicht auf OH reagiert, das beim monomolekularen Zerfall stabilisierter Criegee-Intermediate (SCI) im Niederdruckbereich des Instruments gebildet wird. Criegee-Intermediate oder Carbonyloxide entstehen bei der Ozonolyse ungesättigter flüchtiger Kohlenwasserstoffverbindungen (VOC, engl.: volatile organic compounds) und können daher in der Umgebungsluft vorkommen. Anhand von Tests mit verschiedenen Verweilzeiten der SCI im Niederdruckbereich des Instruments in Verbindung mit einem detaillierten Modell mit der neuesten SCI-Chemie wurde die monomolekulare Zerfallsgeschwindigkeit von 20  10 s-1 für den syn-Acetaldehyd-Oxykonformer bestimmt. Der in Feldkampagnen gemessene OHbg-Wert wurde dahingehend untersucht, ob SCI die Quelle des beobachteten Hintergrund-OH im Feld sein könnten. Das Budget für die SCI-Konzentration, das für die Kampagnen HUMPPA-COPEC 2010 und HOPE 2012 berechnet wurde, ergab eine SCI-Konzentration zwischen ca. 103 und 106 Molekülen pro cm3. In der Kampagne HUMPPA-COPEC 2010 ergab die Schwefelsäurekonzentration, dass die OH-Oxidation von SO2 allein die gemessene H2SO4-Konzentration nicht erklären konnte. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Hintergrund-OH mit dieser ungeklärten Produktionsrate von H2SO4 korreliert und somit die Oxidation von SO2 durch SCI als mögliche Erklärung in Frage kommt. Ferner korreliert das Hintergrund-OH in der Kampagne HOPE 2012 mit dem Produkt aus Ozon und VOC und konnte mit SO2 als SCI Fänger entfernt werden. Qualitativ zeigen wir somit, dass das in der Umgebungsluft gemessene Hintergrund-OH wahrscheinlich durch den monomolekularen Zerfall von SCI verursacht wird, doch sind weitere Studien notwendig, um die quantitativen Beziehung für diese Spezies und dem Hintergrund-OH in unserem Instrument zu bestimmen.