HUME Lab: výzkumná infrastruktura pro podporu experimentálního výzkumu v sociálních a humanitních vědách

HUME Lab is a research infrastructure at the Faculty of Arts of Masaryk University University (FF MU). As a support facility, it helps with the implementation of experiment methodology within research in the humanities and social sciences. The laboratory services are available primarily to researchers from FF MU, but they are also open for any interested researchers across the university and beyond. Various projects using the HUME Lab equipment and services have been carried out in the past involving, for example, CEITEC, BUT, or various international research teams usually with the participation of FF MU researchers.

Beobachtung von Windprofilen mittels Wolkenradar und Dopplerlidar

<p>Die Messung des 3D-Windprofils erfordert – abgesehen von in-situ Messungen – ein aktives Fernerkundungsverfahren (meist Radar oder Lidar), welches mit geneigten Strahlen unter verschiedenen, mindestens drei Azimutwinkeln Pulse ausstrahlt („Doppler beam swinging“). Aus den gemessenen Doppler-Radialgeschwindigkeiten entlang der Strahlen kann dann das dreidimensionale Windfeld abgeleitet werden. Dies ist nur möglich, sofern Partikel vorhanden sind, die bei der gegebenen Wellenlänge ein Rückstreusignal erzeugen.</p> <p>Bereits seit mehreren Jahrzehnten sind Radar-Windprofiler im Einsatz, die bei Wellenlängen zwischen 50 und 1000 MHz arbeiten und mittels Bragg-Streuung an Fluktuationen des Brechungsindex ein Rückstreusignal erhalten. Durch die lange Wellenlänge sind große Antennen erforderlich, was dazu führt, dass die Geräte nicht flexibel einsetzbar sind.</p> <p>Innerhalb des Netzwerks der europäischen Forschungsinfrastruktur ACTRIS (Aerosol, Cloud and Trace Gas Research Infrastructure) sind mehrere Standorte für Wolkenbeobachtungen mit einem scannenden Wolkenradar und einem Doppler-Windlidar ausgestattet, die auch zur Beobachtung von Windprofilen in der Troposphäre herangezogen werden können. Diese Messgeräte ergänzen sich, da das Lidar besonders in der Grenzschicht bzw. unterhalb von Wolken messen kann. Das Wolkenradar hingegen liefert Signale hauptsächlich aus Wolkenschichten, von welchen das Lidar aufgrund der starken Extinktion der Strahlung in Wolken keine Information erhält. Zusätzlich können beim Wolkenradar in der warmen Jahreszeit auch Insekten als Tracer verwendet werden, die häufig bis in Höhen von 3-4 km beobachtet werden können. </p> <p>Diese Präsentation zeigt anhand von Beobachtungen über mehr als zwei Jahre an der Messplattform JOYCE (Jülich Observatory for Cloud Evolution) eine neue Methode zur Kombination der Windprofile aus Wolkenradar und Lidar. Neben einer Betrachtung der Genauigkeit, sowie möglicher Fehlerquellen, werden auch die generellen Bedingungen für die Anwendung der Methode diskutiert. Es werden Anwendungsbeispiele gezeigt, wie diese kombinierten Windprofile zur Validierung von Satellitenbeobachtungen (z.B. Aeolus) oder zur Evaluation von atmosphärischen Modellen genutzt werden können. </p> <p> </p>

IAGOS Research Infrastructure for Global-Scale Atmosphere Monitoring by Instrumented Passenger Aircraft

<p>IAGOS (www.iagos.org) is a European Research Infrastructure using commercial aircraft (Airbus A340, A330, and soon A350) for automatic and routine measurements of atmospheric composition including reactive gases (ozone, carbon monoxide, nitrogen oxides, volatile organic compounds), greenhouse gases (water vapour, carbon dioxide, methane), aerosols and cloud particles along with essential thermodynamic parameters. The main objective of IAGOS is to provide the most complete set of high-quality essential climate variables (ECV) covering several decades for the long-term monitoring of climate and air quality. The observations are stored in the IAGOS data centre along with added-value products to facilitate the scientific interpretation of the data. IAGOS began as two European projects, MOZAIC and CARIBIC, in the early 1990s. These projects demonstrated that commercial aircraft are ideal platforms for routine atmospheric measurements. IAGOS then evolved as a European Research Infrastructure offering a mature and sustainable organization for the benefits of the scientific community and for the operational services in charge of air quality and climate change issues such as the Copernicus Atmosphere Monitoring Services (CAMS) and the Copernicus Climate Change Service (C3S). IAGOS is also a contributing network of the World Meteorological Organization (WMO).</p> <p>IAGOS provides measurements of numerous chemical compounds which are recorded simultaneously in the critical region of the upper troposphere – lower stratosphere (UTLS) and geographical regions such as Africa and the mid-Pacific which are poorly sampled by other means. The data are used by hundreds of groups worldwide performing data analysis for climatology and trend studies, model evaluation, satellite validation and the study of detailed chemical and physical processes around the tropopause. IAGOS data also play an important role in the re-assessment of the climate impact of aviation.</p> <p>Most important in the context of weather-related research, IAGOS and its predecessor programmes provide long-term observations of water vapour and relative humidity with respect to ice in the UTLS as well as throughout the tropospheric column during climb-out and descending phases around airports, now for more than 25 years. The high quality and very good resolution of IAGOS observations of relative humidity over ice are used to better understand the role of water vapour and of ice-supersaturated air masses in the tropopause region and to improve their representation in numerical weather and climate forecasting models. Furthermore, CAMS is using the water vapour vertical profiles in near real time for the continuous validation of the CAMS atmospheric models. </p>

Evaluation des EarthCare Cloud Profiling Radars durch bodengebundene Radare

<p>Radarmessungen liefern für die Erforschung von Niederschlag, Wolken und der involvierten Prozesse einen signifikanten Beitrag. Dazu tragen auch Netzwerke wie ACTRIS (Aerosol, Cloud and Trace Gases Research Infrastructure) bei, in welchen nicht nur die Zahl bodengebundener Wolkenradarsysteme stetig wächst, sondern auch deren Datennutzung, z. B. durch Anwendung im synergistischen Verbund mit anderen Messsystemen bei der Wolkenklassifizierung. Europa verfügt somit über ein dichtes bodengebundenes Netzwerk, um Wolken zu untersuchen, für die globale Betrachtung sind allerdings Satelliten notwendig. Mittels satellitengestützter Wolkenradarsysteme, wie z. B. CloudSat, ist es möglich, ein globales Bild zu erhalten. Satellitengestützte Cloud Profiling Radare (CPR) können allerdings hinsichtlich ihrer meist geringeren Sensitivität und aufgrund des sehr starken Bodenechos gegenüber bodengebundenen Systemen im Nachteil sein. Somit sind beispielsweise die Beobachtung bodennaher Wolken, z.B. Grenzschichtbewölkung, oder das Quantifizieren von bodennahem Niederschlag für CPR problematisch.</p> <p>In den kommenden Jahren wird die ESA/JAXA Mission EarthCare ein neues CPR mit verbesserter Performance in Umlauf bringen. Um bereits vor dem Start des Satelliten die Performance des CPR zu evaluieren, werden in dieser Arbeit bodengebundene Messdaten mit simulierten CPR-Daten verglichen. Hierzu werden Datensätze von bodengebundenen Radaren mittels Vorwärtsoperator in einen komplementären Radarsatellitendatensatz umgewandelt. Im Anschluss werden die Datensätze verglichen und ausgewertet.</p> <p>Die Datengrundlage für diese Arbeit liefern die W-Band-Radare des ACTRIS Netzwerks. Die zeitlich langen ACTRIS-Datensätze liefern eine optimale Datengrundlage für eine statistische Analyse der CPR-Performance. Diese Analyse macht es möglich, das neue CPR im Bezug auf die Beobachtung bodennaher Wolken und des bodennahen Niederschlags zu evaluieren.</p>

ACTRIS-D – Der deutsche Beitrag zur europäischen Forschungsinfrastruktur für Aerosol, Wolken und Spurengase

<p>ACTRIS-D ist der deutsche Beitrag zur paneuropäischen Forschungsinfrastruktur ACTRIS (Aerosol, Clouds und Trace Gases Research Infrastructure) und seit 2019 Teil der Nationalen Roadmap für Forschungsinfrastrukturen. Ziel von ACTRIS ist es, über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten Daten und Dienstleistungen zu kurzlebigen atmosphärischen Bestandteilen bereitzustellen, die entsprechende Forschung zu unterstützen und somit unser Wissen über atmosphärische Prozesse, Klimaveränderungen und Luftqualität zu verbessern. Dabei baut die Forschungsinfrastruktur auf die Erfahrung von mehr als 20 Jahren koordinierter Forschungs- und Entwicklungsarbeit in Europa auf. ACTRIS integriert die europäischen Messnetze zur In-situ- und Fernmessung von Aerosol, Wolken und reaktiven Spurengasen sowie den Verbund atmosphärischer Simulationskammern. Die Rechtsform eines Europäischen Forschungsinfrastruktur-Konsortiums (ERIC), die ACTRIS im Jahr 2022 annehmen wird, stellt die langfristige Unterstützung durch die mehr als 15 Mitgliedsstaaten sicher.</p> <p>Am Aufbau von ACTRIS-D beteiligen sich elf deutsche Forschungseinrichtungen. Sie übernehmen die Verantwortung für den Betrieb von dreizehn Beobachtungsstationen zur Erhebung von Langzeitdaten, fünf atmosphärischen Simulationskammern zur Untersuchung chemischer und physikalischer Prozesse unter kontrollierten Bedingungen und vier mobilen Plattformen zur Beobachtung atmosphärischer Prozesse an ausgewählten Standorten. Darüber hinaus tragen sie zum Aufbau und Betrieb der sechs thematischen Zentren von ACTRIS bei, welche auf europäischer Ebene unter anderem für einheitliche Kalibrier- und Messstandards und die Schulung des technischen und wissenschaftlichen Personals verantwortlich sind und somit die hohe ACTRIS-Datenqualität gewährleisten. Drei dieser zentralen europäischen Einrichtungen werden von deutschen Instituten geleitet.</p> <p>In diesem Beitrag stellen wir die laufenden Implementierungsarbeiten von ACTRIS-D vor, diskutieren die langfristige Strategie und zeigen anhand von Beispielen das Potenzial der Forschungsinfrastruktur für die integrierte und koordinierte Atmosphärenforschung in Deutschland und Europa.</p>

Operationelle in-situ Messungen von Luftschadstoffen und Klimagasen im nationalen und internationalen Kontext

<p>Im Unterschied zu Forschungsinfrastrukturen in anderen Disziplinen, zeichnen sich Forschungsinfrastrukturen für Umweltbeobachtungen in der Regel durch langfristige Messungen zahlreicher Parameter mit verschiedenen Instrumenten an unterschiedlichen Orten aus. Bodengestützte, atmosphärische Beobachtungen von Luftschadstoffen und Klimagasen können unterschiedliche Ziele verfolgen, wie zum Beispiel die Überwachung regulatorischer Massnahmen und die Einhaltung von Grenzwerten, die wissenschaftliche Untersuchung von Variabilitäten und Trends, die Validierung von Modellrechnungen und Satellitenbeobachtungen oder die Früherkennung von neu auftretenden Substanzen. Die Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung müssen nicht nur dem dezentralen Charakter der Beobachtungen Rechnung tragen, sondern auch sicherstellen, dass die der Fragestellung angepassten Datenqualitätsziele erreicht werden. Zusätzlich müssen Beobachtungen, die Teil von mehreren Messnetzen und Infrastrukturen sind, verschiedene Kriterien erfüllen, z.B. im Hinblick auf das Normal der Rückführbarkeit, die Präzision, aber auch bezüglich Dokumentation und Bereitstellung der Resultate in Datenbanken.</p> <p>Die Präsentation gibt einen Überblick über die langfristigen Luftqualitätsmessungen in der Schweiz im Rahmen des Nationalen Beobachtungsnetzes für Luftfremdstoffe (NABEL), ihre Einbettung in das European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP), die Kooperation mit den europäischen Forschungsinfrastrukturen ICOS (Integrated Carbon Observation System) und ACTRIS (Aerosols, Clouds, and Trace gases Research Infrastructure Network), und die Zusammenarbeit in globalen Aktivitäten wie dem Advanced Global Atmospheric Gases Experiment (AGAGE) zur kontinuierlichen Messung von klimawirksamen und ozonabbauenden Substanzen und dem von der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) koordinierten Global Atmosphere Watch (GAW) Programm.</p>

ARISE - Atmospheric Dynamics Research InfraStructure in Europe

<p>The Atmospheric dynamics Research InfraStructure in Europe (ARISE) project has integrated different meteorological and geophysical station networks and technologies providing observations from the ground to the lower thermosphere. A particular emphasis is on improving observations in the middle atmosphere, as this is a crucial region affecting tropospheric weather and climate. Besides supporting innovative prototypes of mobile lidars and microwave radiometers, ARISE utilized the global infrasound network developed for the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT) verification, the lidar Network for the Detection of Atmospheric Composition Change (NDACC), meteor radars, wind radiometers, ionospheric sounders and satellites.</p> <p>This presentation highlights the objectives and results as well as perspectives of the first two project phases – one within the European Union’s 7th Framework Programme and the second within the Horizon 2020 programme. ARISE has facilitated multi-instrument stations and collocated measurement campaigns at different latitudes in Europe, including the observatories ALOMAR in northern Norway, OHP in southern France and Maïdo on Reunion Island (France), as well as the infrasound station in southern Germany. One ARISE study, for instance, analyzed different ground-based and space-borne observation technologies, revealing systematic biases for temperature and wind in both analysis and reanalysis models. Such biases are critical to the CTBT verification when validating infrasound signal detections by propagation modelling. Also, the potential of infrasound to be assimilated in weather or climate models was proposed, as infrasound can be used to probe winds and cross-wind effects in the middle atmosphere. Meanwhile, offline assimilation tests relying on infrasound data from ground-truth explosion events and wind data of ECMWF’s ERA5 model have been conducted. Overall, the interest of ARISE is to provide atmospheric data products and services for both scientific and civilian-security applications, including the monitoring of extreme events that have an atmospheric signature, such as meteors, thunderstorms or volcanic eruptions. For early warnings on volcanic eruptions, the Volcano Information System (VIS) was proposed as an ARISE product in cooperation with the CTBT organization and the Toulouse Volcanic Ash Advisory Center (VAAC).</p>

Das ACTRIS-Kalibrierzentrum für Stickoxid-Messungen am Forschungszentrum Jülich

<p>Langzeitmessungen der atmosphärischen Zusammensetzung sind von zentraler Bedeutung, um die Atmosphärenchemie und den Klimawandel zu verstehen. ACTRIS (Aerosol, Cloud and Trace Gases Research Infrastructure) hat sich zum Ziel gesetzt, ein europaweites Netzwerk von Beobachtungsstationen aufzubauen, die qualitativ hochwertige Daten und Informationen zu kurzlebigen atmosphärischen Bestandteilen liefern und für Nutzer auf der ganzen Welt offen zugänglich machen. Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO<sub>2</sub>), die sogenannten Stickoxide (NO<sub>x</sub>), spielen eine Schlüsselrolle in der Atmosphärenchemie, da sie zur Bildung von troposphärischem Ozon, Smog und saurem Regen beitragen. Darüber hinaus ist die kurz- und langfristige Exposition mit NO<sub>2</sub> mit negativen Auswirkungen auf das menschliche Atmungssystem in Verbindung gebracht worden. Die Hauptquellen von NO<sub>x</sub> in bewohnten Gebieten sind Verbrennungsprozesse, z.B. von Fahrzeugen und bei industriellen Aktivitäten. NO<sub>x</sub>-Messungen werden derzeit meist indirekt über Chemilumineszenz-Instrumente durchgeführt, die Korrekturen für Feuchte und Ozon erfordern. Jüngste technologische Fortschritte (z. B. Cavity Attenuated Phase Shift, CAPS, oder Tunable Diode Laser Systeme) erlauben die direkte Detektion von NO<sub>x</sub>-Komponenten, was Interferenzen vermeidet, die durch die Umwandlung von NO<sub>2</sub> in NO hervorgerufen werden. Messvergleiche zeigen aber, dass auch hier neben bekannten Problemen wie Reaktionen in den Einlassleitungen auch unerwartete Artefakte beobachtet werden können. Messvergleiche aber zeigen auch hier, dass neben bekannten Problemen wie Reaktionen in den Einlassleitungen auch unerwartete auftreten können. Um genaue und präzise NO<sub>x</sub> Messungen mit einer Vielzahl von NO<sub>x</sub>-Messsystemen in verschiedenen Stationen sicherzustellen, müssen neben der Standardisierung von Messprotokollen und Kalibrierungsverfahren auch an zentraler Stelle durch Messvergleiche und Auditierungen Unterschiede der verschiedenen Messverfahren dokumentiert werden.</p> <p>ACTRIS setzt sich aus central facilities (CFs) und national facilities (NFs) zusammen. Die NFs bilden den explorativen und beobachtenden Teil der Forschungsinfrastruktur. Die CFs sind von grundlegender Bedeutung für die Bereitstellung von harmonisierten und hochpräzisen Daten und stellen eine Vielzahl von Dienstleistungen zur Verfügung. Eines der CFs ist das Reactive Trace Gases In Situ Measurements (CiGas), das für die Überwachung der Datenqualität reaktiver Spurengase verantwortlich ist. Für die Qualitätssicherung (QA) und Qualitätskontrolle (QC) der Stickoxidmessungen an den NFs innerhalb von CiGas ist das Forschungszentrum Jülich (FZJ) zuständig, das auch das World Calibration Center (WCC) für Stickoxide im Global Atmosphere Watch (GAW) Netzwerk beheimatet. Seine Aufgaben umfassen i) die Verbindung von Spurengasmessungen von ACTRIS mit denen anderer Netzwerke, ii) die Beratung und Organisation von Schulungen, iii) die Bereitstellung von Mess- und Auswerteverfahren, iv) das Labelling und die Auditierung von NFs, v) die Implementierung neuer wissenschaftlicher und technologischer Entwicklungen.</p> <p>Es ist vorgesehen, bis 2025 ein zertifiziertes und funktionsfähiges Netzwerk von ACTRIS-Stationen aufzubauen. Es soll der wissenschaftlichen Gemeinschaft qualitativ hochwertige Daten liefern, die die Grundlage für fundierte Entscheidungen der politischen Entscheidungsträger bilden können.</p>

Development of organizational formats for research infrastructure: Center for Fundamental Biotechnology and Bioengineering

The publication presents the case of the Ural Federal University in the development of organizational formats of infrastructure for research. In 2016, the Center for Fundamental Biotechnology and Bioengineering was established at the Ural Federal University with the support of the Competitiveness Enhancement Program (5–100). The goal of the project was to form a scientific center for the development of the basic research in biotechnology and bioengineering for medicine, agribusiness and environmental solutions, increasing the effectiveness of scientific activities in the field of biotechnology and reaching the image of an international scientific center for biotechnology and bioengineering. In the five-year history of the Center for Fundamental Biotechnology, two stages can be distinguished – the first three years were the formation of the structure of the center, its equipment base and the development of professional competencies of employees, in subsequent years the created conditions ensured the growth of the Center’s performance indicators, for example, publication activity increased 13.4 times, more than in 10 times decreased research costs per 1 article and increased the profitability ratio. This allowed the Center to become competitive at the federal level and recognized in the international professional community.