Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

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Praktikum Umweltphysik

Leitung: Dr. Udo Frieß

Kontakt: IUP Raum 310, Tel.: 54-5478, udo.friess@iup.uni-heidelberg.de



Hintergrund und Idee des umweltphysikalischen Praktikums:

Die Arbeitsgruppen am Institut für Umweltphysik erforschen das System Erde mit modernsten physikalischen und chemischen Methoden. Nahezu alle Forschungsprojekte sind in nationale und internationale Kollaborationen eingebunden. Eine der Stärken der Umweltphysik in Heidelberg begründet sich dadurch, dass alle Kompartimente unserer Umwelt (Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre und Lithosphäre), sowie deren Wechselwirkungen untereinander erforscht werden. Eines haben die verschiedenen Forschungsprojekte am Institut oft gemeinsam: aufwendige Messkampagnen im Feld unter von der Natur vorgegebenen Bedingungen.

Durch das umweltphysikalische Praktikum können die Studenten/innen von dem vorhanden Wissen und den Fähigkeiten der verschiedenen Arbeitsgruppen profitieren und so ihre experimentellen Fähigkeiten entwickeln. Die verschiedenen Experimente des Praktikums beruhen auf generellen physikalischen Prinzipien und Methoden der modernen Messtechnik (z.B. Kavitätsverstärkte Spektroskopie, differentielle optische Absorptionsspektroskopie, Paulfalle, Bodenradar, Zeitbereichsreflektometrie, γ-Spektroskopie, sowie hochaufgelöste UV Spektroskopie). Die Themen decken viele in der Umwelt relevante Aspekte (Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Ozean, Stoffkreisläufe und Energieflüsse, Physik und Chemie der Atmosphäre, Aquatische Systeme und Bodenphysik) ab und sind sehr eng mit den aktuellen Forschungsprojekten am Institut verknüpft.

Aktuelles:

August 2013: Ab sofort steht der Versuch zur Kavitätsverstärkten Messung atmosphärischer Spurengase zur Verfügung und kann über die Webseite des Fortgeschrittenenpraktikums gebucht werden (siehe unten).

Gegenwärtig sind fünf von sieben Versuchen implementiert. Die Arbeitsbelastung für die Studenten/innen beträgt 30 Stunden pro Versuch (ein credit point) und entspricht in etwa dem eines Experiments aus dem Fortgeschrittenen Praktikum (PFP1/PFP2). Dieses Praktikums ermöglichst es, sich mit den verschiedenen Forschungsschwerpunkten der Umweltphysik eingehend vertraut zu machen. Daher wird die Durchführung mehrerer Versuche dringend empfohlen.

Anmeldung:

Die Anmeldung für die Versuche erfolgt über das Fortgeschrittenenpraktikum:

im Rahmen des PFP2 (Bachelor)

im Rahmen vom MVENV5 (Master)




Die Themen:

  • Kavitätsverstärkte differentielle optische Absorptionsspektroskopie atmosphärischer Spurengase
    CE-DOAS stellt eine sehr sensitive Methode zur in-situ Messung atmosphärischer Spurengase dar. Die zu untersuchenden Absorber werden hierbei mittels eines gefalteten Lichtwegs mit einer effektiven Länge von mehreren Kilometern detektiert. Solch lange Lichtwege werden innerhalb einer optischen Kavität mit einer geometrischen länge von weniger als einem Meter erreicht. Im Rahmen dieses Praktikumsversuchs wird NO2, ein wichtiger Schadstoff in der urbanen Atmosphäre, gemessen, und seine Photochemie wird untersucht.
    Ziele dieses Versuchs:
    1. Charakterisierung der optischen Kavität
    2. Charakterisierung des Spektrometer/Detektor-Systems
    3. Bestimmung der optischen Pfadlänge innerhalb der Kavität
    4. Messung und Interpretation des Tagesverlaufs von NO2

    Anleitung: CE-DOAS (F58)
    Institut für Umweltphysik, INF 229, Raum 230 (Johannes Zielcke, Martin Horbanski)

  • Analyse der Schichtung von Seen und Wechselwirkung zwischen Seen und Grundwasser
    Messungen von vertikalen CTD (Leitfähigkeit, Temperatur, Dichte) Profilen in einem See bei Ludwigshafen (Willersinnweiher), sowie Entnahme von Wasserproben für spätere 222Rn Messungen im Labor. Analyse der CTD-Daten, Berechnung der Dichte und Stabilität und Interpretation der CTD Ergebnisse in Verbindung mit den Radon-Messungen.

    Hinweis: Feldversuch mit Schlauchboot, Teilnehmer/innen müssen schwimmen können!
    Anleitung: Limnologie (F50/51)
    Institut für Umweltphysik, INF 229, Labor 202 (Tillmann Kaudse, Tim Schneider, Michael Jung, Michael Deininger)

  • Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in Böden: TDR und GPR
    Time Domain Reflectometry (TDR) und Ground Penetrating Radar (GPR) sind zwei verschiedene Methoden um den Wassergehalt im Boden zu bestimmen. Beim Versuch werden zuerst TDR-Messungen im Labor durchgeführt um die Methodik kennen zu lernen, anschließend werden mit beiden Verfahren Feldmessungen durchgeführt. Die beiden dielektrische Methoden beruhen auf der Bestimmung der Permittivität durch Laufzeitmessungen von hochfrequenten elektromagnetischen Impulsen. Bei der TDR wird eine Sonde im Boden installiert, entlang welcher sich die elektromagnetischen Signale ausbreiten. Durch Auswerten des Reflexionssignales lässt sich die Permittivität des Bodens bestimmen. Beim GPR dagegen werden elektromagnetische Impulse von einer Sendeantenne in den Untergrund abgestrahlt und das Reflexionssignal von einer Empfangsantenne aufgenommen. Auch hier lässt sich über die Laufzeit der elektromagnetischen Welle die Permittivität bestimmen. Aus der Permittivität lässt sich dann der Wassergehalt des Bodens bestimmen.

    Hinweis: Feldversuch (Hirschacker).
    Anleitung (englisch): Electromagnetic Methods in Applied Geophysics (F52)
    Institut für Umweltphysik, INF 229, Labor 204 (Patrick Klenk)

  • Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre: Gasaustausch
    Bestimmung des Austauschkoeffizienten von Kohlenstoffdioxid zwischen Atmosphäre und Ozean durch Leitfähigkeits- und pH-Messungen an einem ringförmigen Wind-Wellen Kanal. Der pH-Wert wird mittels optischer Absorptions-Spektroskopie und pH-Indikatoren bestimmt.
    Lernziele:
    1. Verständnis der Karbonatchemie im Ozean
    2. Erlernen von modernen optischen Messtechniken in der Umweltphysik
    3. Beeinflusst die Reaktivität von Kohlenstoffdioxid die Gasaustauschrate?
    4. Wie hängt die Gasaustauschrate von der Windgeschwindigkeit und Windwellen ab?

    Anleitung: Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre (F54)
    Institut für Umweltphysik, INF 229, "AEOLOTRON" Labor 165 (Wolfgang Mischler, Julian Stapf, Daniel Kiefhaber)

  • Natürliche Radioisotope als Tracer in der Umwelt
    Dieser Praktikumsversuch soll ein Verständnis von natürlicher Radioaktivität in der Umwelt und einen Einblick in die Verwendung radioaktiver Tracer in der Umweltforschung vermitteln.
    Hierzu werden Umwelt-Proben - ein Bodenprofil und eine Luft-Aerosolprobe - eigenständig entnommen und mittels Low-Level-Gammaspektroskopie auf natürliche und künstliche Radionuklide untersucht.
    Unter anderem sollen folgende Aufgabenstellungen bearbeitet werden:
    1. Messung geringer Radionuklid-Aktivitätskonzentrationen vor dem Hintergrund natürlicher Radioaktivität
    2. Abschätzung des Fallouts im Odenwald in Folge des Reaktorunfalls von Tschernobyl
    3. Natürliche Radionuklide als Luftmassen- und Aerosol-Tracer

    Anleitung: Radioaktive Tracer in der Umweltforschung (F56)
    Institut für Umweltphysik, INF 229, Raum U50 (Christoph Elsässer, Helene Hoffmann, Sophie Winterhalder, Johanna Kerch)


    In Vorbereitung:

  • Bestimmung der atmosphärischen Pfadlänge von Photonen mittels DOAS
    Messung der atmosphärischen Absorption von O2 und O4 mittles DOAS (Differentielle Optische Absorptions-Spektroskopie). Analyse der optischen Spektren. RT Berechnung des AMF's. Analyse von Wetterkarten für bodennahe und hohe Wolken. Zuordnung von O2 und O4 Absorption bezüglich der Photonen Pfad Länge.

  • Atmosphärenphysik: Paul Trap
    Lösung der Mathieu-DEQ. Stabilität der Kavität. Verdampfung von Flüssigkeiten. Mie-Streuung, Streuung am Regenbogen, Partikelgrößen und Phasenübergänge (flüssig-fest).

 

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