Max-Planck-Forscherin Doktur Buhalchem Mamtimin

-Auf den Spuren eines Spurengases

Dr.Buxelchem Memtimin

Buhelchem ​​Mamtimin  ( Came from a Uyghurishen Familie)born in a small town near by Urumqi, capital of Uyghureli (Xinjiang). After school, she studied in Shanghai Geosciences and then taught climatology and meteorology at the Uyghureli (Xinjiang) pedagogy University in Urumqi in the geosciences department.

In 2000 she came to Mainz to the Department of Climatology, Institute of Geography Johannes Gutenberg University. She did her doctorate with a scholarship from the Catholic Academic Exchange Service (KAAD) on the climatic conditions in arid and semi-arid areas and possibilities for sustainable agricultural use.

Since her doctoral dissertation the mother of two children as a scientist first at the University of Mainz and then worked in the Biogeochemistry Department at the Max Planck Institute for Chemistry was. Currently she is researching there in the group satellite remote sensing.

The 45-year-old Buhelchem ​​Mamtimin speaks their native language Uighur fluent German, English, Chinese, Uzbek, Kazakh and Turkish.

Geboren und aufgewachsen ist die Max-Planck-Forscherin dr.Buhalchem Mamtimin (entstammte einer Uygurischen  familie) in einer kleinen Stadt in der Ghulja ganze Nähe von Urumqi, der Hauptstadt der  Uyghureli (Xinjiang). Nach ihrer Schulzeit studierte sie in Shanghai Geowissenschaften und lehrte anschließend Klimatologie und Meteorologie an der Uyghureli (Xinjiang) pädagogischen University in Urumqi in der geowissenschaftlichen Abteilung.

Im Jahr 2000 kam sie nach Mainz an den Lehrstuhl für Klimatologie am Geographischen Institut der Johannes Gutenberg-Universität. Dort promovierte sie mit einem Stipendium des Katholischen Akademischen Ausländer-Dienstes (KAAD) über die Klimaverhältnisse in ariden und semiariden Gebieten und Möglichkeiten einer nachhaltigen landwirtschaftlichen Nutzung.

Seit ihrer Doktorarbeit war die Mutter von zwei Kindern als Wissenschaftlerin zunächst an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und anschließend in der Abteilung Biogeochemie am Max-Planck-Institut für Chemie tätig. Aktuell forscht sie dort in der Gruppe Satellitenfernerkundung.

Die 45-jährige Buhelchem Mamtimin spricht neben ihrer Muttersprache uigurisch fließend deutsch, englisch, chinesisch, usbekisch, kasachisch und türkisch.

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Max-Planck Forscherin Buhalchem Mamtimin bestimmt, wie viel Stickoxid von landwirtschaftlich genutzten Oasen an die Atmosphäre abgegeben wird20. April 2015

Foto: Buhalqem Mamtimin, MPI für Chemie.
Foto: Buhalchem Mamtimin, MPI für Chemie.

Um Aussagen über aktuelle und zukünftige Luftverschmutzungen zu treffen, verwenden Wissenschaftler Modelle, die die Erdatmosphäre simulieren. In diese Modelle fließen viele  Informationen wie meteorologische Daten über Temperatur, Feuchte oder Luftströmung ein. Hinzu kommen auch möglichst präzise Werte über Emissionen von Spurengasen wie Ozon oder Stickoxiden, die die Luftqualität beeinflussen. Vereinfacht kann man sagen, dass die Aussagen des Modells desto zuverlässiger werden, je genauer die zugrunde liegenden Daten sind.

Stickstoffdioxid (NO2) ist ein für die Luftqualität relevantes Gas, das beispielsweise den Ozongehalt der Troposphäre beeinflusst. Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Erdatmosphäre.

Das Gas entsteht in erster Linie bei der Verbrennung fossiler Energieträger wie Öl, Kohle und Gas, wird aber indirekt auch über mikrobielle Prozesse im Boden gebildet, da Mikroorganismen Stickstoffmonoxid (NO) bilden. In der Luft reagiert das NO in wenigen Minuten mit Ozon zu NO2. Da die Aktivität der Mikroorganismen aber stark von Faktoren wie Bewässerung, Düngung und Temperatur beeinflusst wird, können sich die NO-Mengen, die aus einem Boden strömen, innerhalb von Tagen ändern.

Bisher gibt es weltweit kaum präzise Angaben darüber, wie viel NO aus bestimmten Böden emittiert wird und welchen Einfluss dabei deren Nutzung spielt.

Gemeinsam mit ihrem Kollegen Thomas Behrendt untersuchte Buhalqem Mamtimin Wüstenboden in der Taklamakan-Wüste. Foto: Zhaopeng Wu.
Gemeinsam mit ihrem Kollegen Thomas Behrendt untersuchte Buhalchem Mamtimin Wüstenboden in der Taklamakan-Wüste. Foto: Zhaopeng Wu.

Das will Buhalqem Mamtimin vom Max-Planck-Institut für Chemie ändern. Gemeinsam mit Kollegen geht die Forscherin seit 2008 der Frage nach, welche Mengen an NO beispielsweise von landwirtschaftlich intensiv bewirtschafteten Böden freigesetzt werden und wie groß der daraus entstehende Anteil an NO2 ist, das in der Troposphäre vorliegt.

Was in der Theorie recht einfach klingt, entpuppt sich in der Praxis als sehr aufwendig. Denn es gibt weltweit nur wenige Orte, an denen zwar Landwirtschaft betrieben wird, die gleichzeitig aber von anderen NO-Quellen wie Städten mit Industrie, Kraftwerken und Verkehr sehr weit entfernt sind. Nur an einem solchen Ort lässt sich genau feststellen, wie groß der landwirtschaftliche Anteil der NO-Emissionen ist.

Satelliten-Aufnahme (Landsat) der Taklamakan-Wüste. Die große braune Fläche zeigt die Wüste, die grüne Flächen zeigen die Vegetation der umliegenden Oasen und die blauen Flächen in dem Gebirgen zeigen Schnee. Foto: U.S. Geological Survey, modifiziert von B. Mamtimin.
Satelliten-Aufnahme (Landsat) der Taklamakan-Wüste. Die große braune Fläche zeigt die Wüste, die grüne Flächen zeigen die Vegetation der umliegenden Oasen und die blauen Flächen in dem Gebirgen zeigen Schnee. Foto: U.S. Geological Survey, modifiziert von Buxelchem Mamtimin.

Fündig wurden die Forscher in der Taklamakan-Wüste im Nordwesten Chinas. Die Wüste liegt im uigurischen Gebiet Uyghureli (Xinjiang) mit der Hauptstadt Urumqi, der Heimat von Buhalchem Mamtimin. Die Taklamakan-Wüste wird im Süden und Norden durch die ehemalige Seidenstraße begrenzt, an der seit den 1950er Jahren riesige landwirtschaftliche Oasen betrieben werden.

Die Forscher entschieden sich für die extrem abgelegene Milan-Oase, in der auf etwa 100 Quadratkilometern Baumwolle und Jujube angebaut werden, eine Steinfrucht, die auch chinesische Dattel genannt wird. Beide Pflanzenarten lieben hohe Temperaturen und gedeihen gut auf dem ariden Wüstenboden, wenn sie gut gedüngt und gewässert werden.

Die Gefahr, gleichzeitig auch NO aus anthropogenen Quellen zu messen, konnten die Forscher vernachlässigen, da „Milan“ von Wüste und Gebirge umgeben ist und die nächsten Oasen viele Kilometer weit entfernt sind. Zudem wird elektrische Energie rein aus Wasserkraft gewonnen, und es kommen hauptsächlich Elektrofahrzeuge zum Einsatz.

Um möglichst präzise Aussagen zu den NO-Emissionen zu erhalten, reisten die Forscher insgesamt dreimal in die Milan-Oase und wendeten verschiedene, voneinander unabhängige Verfahren an. Einerseits nahmen sie Bodenproben von unterschiedlichen Stellen der Oase. Diese brachten sie mit in das Mainzer Labor und untersuchten, wie viel NO von einer genau definierten Bodenmenge an die Luft abgegeben wird.

Stickoxid wurde über verschiedene Methoden gemessen: In  Messkammern auf der Bodenfläche und über kleine Lufttrichter, die in unterschiedlichen Höhen über dem Boden das Gas eingesammelt haben. Foto: Buhalqem Mamtimin, MPI für Chemie.
Stickoxid wurde über verschiedene Methoden gemessen: In Messkammern auf der Bodenfläche und über kleine Lufttrichter, die in unterschiedlichen Höhen über dem Boden das Gas eingesammelt haben. Foto: Dr.Buhalqem Mamtimin, MPI für Chemie.

Während der folgenden Aufenthalte machten Dr.Buhelchem Mamtimin und ihre Kollegen außerdem zweierlei Messungen vor Ort: Hierzu verwendeten sie Spektrometer an definierten Punkten der Oase. Die Analyse beruht darauf, dass NO2 wie jedes Molekül ein individuelles Absorptionsspektrum von Licht hat, aus dem man die NO2-Konzentrationen aus den atmosphärischen Messspektren bestimmen kann.

Zudem bestimmten sie den NO-Austritt aus dem Boden auch direkt: Durch kleine Messkammern auf der Bodenfläche wurde ständig Umgebungsluft gepumpt und die Konzentrationsdifferenz zwischen Eingang- und Ausgangsluft bestimmt.

Die vor Ort und im Labor gemessenen Werte überprüften die Wissenschaftler mit Ausbreitungswerten von NO, die sie mit Hilfe von dreidimensionalen Modellen berechneten. Hierbei halfen Satellitenbilder, um festzustellen, wo in der Oase welche Nutzpflanze angebaut wurde und wie groß die entsprechenden Felder waren.

Aus allen Parametern zusammen bestimmten die Forscher beispielsweise, wie viel NOxaus Baumwollfeldern strömt. Und diese Zahlen sind erstaunlich: Pro Sekunde setzt ein Quadratmeter zwischen 10 und 30 Nanogramm NO frei. Im Vergleich zu einem typischen europäischen Weizenfeld ist das die fünf- bis zehnfache Menge.

Überrascht ist die Forscherin Dr.Buhelchem Mamtimin von diesen hohen Mengen nicht, da die Oasen mit bis zu 600 Kilogramm Stickstoff pro Jahr und Hektar intensiv gedüngt und gut bewässert werden. Die hohen Temperaturen in der Wüstenregion sorgen zudem dafür, dass die Bodenmikroorganismen besonders aktiv sind und viel NO abgeben, das dann aus dem Boden in die Luft strömt.

Weideflächen in Oasen der Taklamakan-Wüste könnten bald weiteren Äckern weichen, um Baumwolle oder Jujube anzubauen. Foto: Buhalqem Mamtimin, MPI für Chemie.
Weideflächen in Oasen der Taklamakan-Wüste könnten bald weiteren Äckern weichen, um Baumwolle oder Jujube anzubauen. Foto: Dr,Buhalchem Mamtimin, MPI für Chemie.

Da die Baumwollproduktion der Region in und um die Taklamakan-Wüste etwa 80 Prozent der chinesischen Gesamtproduktion ausmacht, schlussfolgern Dr.Buhelchem Mamtimin und ihre Kollegen, dass die landwirtschaftliche NO-Emission mit den Emissionen aus Verkehr und Industrie in der Region vergleichbar ist oder sie sogar übersteigt. Dies ist ein wichtiges Ergebnis zur Bestimmung der regionalen Luftqualität, zumal Experten davon ausgehen, dass China die landwirtschaftliche Produktion in den nächsten Jahren noch deutlich steigern wird und somit noch mehr biogenes NO in der Atmosphäre zu erwarten ist.

In zukünftigen Studien werden sich Dr.Buhelchem Mamtimin und ihre Kollegen bei ihren Stickoxid-Analysen anderen ariden Gebieten widmen, in denen es neben biogenen auch starke anthropogene Emissionsquellen gibt. So plant die Forscherin aktuell Messungen in Kasachstan und Usbekistan – beides Länder, in denen sich die Landnutzung ähnlich ändern wird wie im Bereich der Taklamakan-Wüste und in deren Metropolen die Luftverschmutzung bereits sehr hoch ist.

Die Untersuchungen von Dr.Buhelchem Mamtimin und ihrer Kollegen wurden gemeinsam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG MA 4798/1-1) und der Max-Planck-Gesellschaft finanziert.

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