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Aerosolpartikel sind in der Atmosphäre insbesondere für die Strahlungsübertragung und die Wolkenbildung von wichtiger Bedeutung. Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer, der Variabilität ihrer Quellen und Senken und ihrer Einbindung in den atmosphärischen Wasserkreislauf sind Partikel in allen ihren Eigenschaften sehr veränderlich. Die Zusammenhänge dieser Variabilität mit den meteorologischen Bedingungen und ihre Auswirkungen in der meteorologischen Anwendung sind bisher nur ungenügend durch Meßdaten belegt, so daß die Ergebnisse von Modellen, in denen die meteorologischen Wirkungen von Partikeln berücksichtigt werden (z.B. Klimamodelle), mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Ziel dieser Arbeit war es, auf der Grundlage von Messungen einen Beitrag zur Charakterisierung der bodennahen troposphärischen Aerosolpartikel zu leisten. Im Hinblick auf die meteorologischen Anwendungen wurden die chemische Zusammensetzung und die Masse der Partikel in Abhängigkeit von ihrer Größe gemessen, da sie wesentliche Einflußgrößen für die Strahlungswirkung von Partikeln und die Wasserdampfkondensation in der Atmosphäre sind. Auf der Basis eines Datensatzes der physikalisch-chemischen Partikeleigenschaften und meteorologischer Meßgrößen wurde zunächst die Abhängigkeit der Partikeleigenschaften und ihrer Variabilität von den meteorologischen Umgebungsbedingungen analysiert sowie die Bedeutung der Variabilität der Partikeleigenschaften in der meteorologischen Anwendung untersucht. Dazu wurden Absorptionskoeffizienten der Partikel und Erwärmungsraten durch Absorption solarer Strahlung durch Partikel sowie das Wachstum der Partikel mit der relativen Feuchte in Abhängigkeit von ihrer chemischen Zusammensetzung berechnet. Die Messungen fanden während fünf drei- bis achtwöchiger Meßkampagnen 1991, 1993 und 1994 in Melpitz bei Torgau (Sachsen) und 1993 und 1994 auf dem Hohen Peißenberg (Oberbayern) statt. Mit einem Berner-Impaktor wurden die Partikel gesammelt. Es wurden die Konzentrationen der Gesamtmasse der Partikel sowie der Ionen in Abhängigkeit von ihrer Größe bestimmt. Die Rußkonzentrationen wurden mit einem Aethalometer gemessen. Parallel zu den Partikelmessungen fanden Messungen von Temperatur, relativer Feuchte, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Globalstrahlung und diffuser Himmelsstrahlung statt. Die Messungen liefern folgende Ergebnisse: Bei allen Messungen waren Nitrat, Sulfat und Ammonium die Hauptkomponenten der kleinen Partikel, und die Massenkonzentrationen der kleinen Partikel (0,04 µm < aed < 1,72 µm) waren wesentlich größer als die der großen Partikel (1,72 µm < aed < 21µm). Die Partikel sind also überwiegend anthropogener Herkunft. Die großen Partikel enthielten zusätzlich Natrium und Kalzium, lediglich bei einzelnen Messungen in Melpitz wurde auch Chlorid als Hinweis auf Seesalzpartikel gefunden. Die Massenkonzentrationen aller Partikelbestandteile waren in Melpitz in der Regel etwas größer als auf dem Hohen Peißenberg, da die Partikelkonzentrationen mit zunehmender Höhe abnehmen und da Melpitz näher an Ballungsräumen liegt als der Hohe Peißenberg. Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Meßkampagnen an einem Ort sind jedoch größer als die zwischen den beiden Orten. Die Variabilität sowohl der Massenkonzentrationen der Partikelbestandteile als auch der Gesamtmasse liegt im Bereich von zwei Größenordnungen und ist damit wesentlich größer als die Unterschiede zwischen den Meßkampagnen. Der mittlere Anteil der löslichen Masse an der Gesamtmasse beträgt für die kleinen Partikel 57 %, für die großen 30 %. Dieser Anteil variiert sehr stark (10-100 % bzw. 5-80 %). Ruß hat einen mittleren Anteil von 5 % an der Gesamtmasse (1-18 %). Wesentliche Parameter, die zu Veränderungen der Partikeleigenschaften führen, sind: - Luftmassen unterschiedlicher Herkunft und Geschichte - Veränderungen der Mächtigkeit und Struktur der atmosphärischen Grenzschicht - Emissionen lokaler Quellen - lokale meteorologische Parameter (Temperatur, Windrichtung, -geschwindigkeit) Die unterschiedliche Häufigkeit und Ausprägung dieser Einflußfaktoren führt zu Unterschieden zwischen den Ergebnissen der einzelnen Meßkampagnen. Die einzelnen Faktoren sind nicht voneinander unabhängig, da durch die großräumige Wettersituation und die Luftmassen die Ausprägung der lokalen Parameter bestimmt wird. Um eine Zusammenfassung von Messungen unter vergleichbaren meteorologischen Bedingungen zu erreichen, wurde eine Klassifikation der Daten auf der Basis von Rückwärtstrajektorien vorgenommen. Es wurden fünf Klassen unterschieden: vier Klassen umfassen Richtungssektoren mit jeweils 90 ° um die Haupthimmelsrichtungen (Nord, Ost, Süd, West), einer fünften (X) werden kurze Trajektorien zugeordnet. Dieser Ansatz wurde gewählt, weil ähnliche Luftmassen und damit meteorologische Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Feuchte, Stabilität und Luftbeimengungen meistens durch ähnliche Trajektorien gekennzeichnet sind, die eine Aussage über die Herkunft und den Weg der Luft ermöglichen, die wiederum für die Ausprägung der Partikeleigenschaften maßgeblich sind. Eine weitere Unterteilung nach Tageszeiten (morgens, mittags, abends) wurde vorgenommen, da einige Meßgrößen deutliche Tagesgänge zeigten. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die Klassifikation der meteorologischen Meßgrößen liefert sowohl im Hinblick auf die Charakterisitika der Trajektorienklassen (Herkunft der Luft) als auch für die Tagesgänge meteorologisch sinnvolle Ergebnisse. Die Lage der Stationen in einer Ebene und auf einem Berg führt zu einer unterschiedlichen Ausprägung von Tagesgängen der Temperatur und der Windgeschwindigkeit besonders während stabiler Hochdruckwetterlagen. Es zeigt sich, daß bedingt durch die Entwicklung der Grenzschicht auf dem Hohen Peißenberg vor allem bei Hochdruckwetterlagen im Tagesverlauf in zwei verschiedenen Atmosphärenschichten gemessen wird. Die starke Streuung der lokalen Windrichtungen innerhalb einer Trajektorienklasse führt dazu, daß der Einfluß lokaler bzw. regionaler Quellen durch die Klassifikation nur bedingt erfaßt wird, und liefert einen Hinweis auf die lokale Wetterlage. Die Klassifikation der Partikelmeßdaten liefert meteorologisch sinnvolle Ergebnisse, da die Konzentrationsunterschiede zwischen den einzelnen Klassen mit der Wetterlage und dem Einfluß regionaler Quellen zu begründen waren. Die Absolutwerte ließen sich allerdings nicht vergleichen, und es wurden im Detail meßkampagnenspezifische Begründungen gefunden. Es ergab sich jedoch für alle Meßkampagnen die Unterteilung in Klassen mit antizyklonalen Wetterlagen und kontinentaler Luft mit hohen Konzentrationen (Klassen Ost, Süd, West) und zyklonalen Wetterlagen und maritimer Luft mit geringeren Konzentrationen (Klassen Nord, West). Abweichungen von dieser Einteilung waren vor allem mit der geographischen Lage der Meßorte zu begründen. Ausgeprägte Tagesgänge mit Maxima bei den Morgenmessungen ergaben sich nur für Nitrat, bei einigen Messungen auch für Chlorid in den kleinen Partikeln durch temperaturabhängige Gleichgewichtsreaktionen instabiler Partikelkomponenten mit der Gasphase sowie für Ruß durch die Anreicherung von Emissionen lokaler Quellen bei geringer Grenzschichthöhe. Während sich die mittleren absoluten Konzentrationen in den einzelnen Klassen erheblich unterscheiden, ist die mittlere relative chemische Zusammensetzung der Partikel in allen Klassen ähnlich; die Variabilität der Anteile ist aber ebenfalls sehr groß. Mit Ausnahme der Advektion von Seesalzpartikeln sowie der temperaturbedingten Verschiebung der Anteile von Nitrat und Sulfat, lassen sich Unterschiede zwischen den Klassen nicht mit den durch die Klassifikation erfaßten Einflußfaktoren oder geographischen Besonderheiten begründen. Durch die Klassifikation nimmt die Variabilität sowohl der meteorologischen Meßgrößen als auch der Partikeleigenschaften ab. Für die meteorologischen Meßgrößen verringert sich die Variabilität durch die Klassifikation nach Trajektorien weniger als durch die nach Tageszeiten, für die Konzentrationen der Partikelbestandteile und der Masse führt hingegen die Klassifikation nach Trajektorien zu einer größeren Verminderung der Variabilität als die nach Tageszeiten. Die Anwendung beider Klassifikationskriterien führt zu einer Abnahme der Variabilität um im Mittel 55 % für die meteorologischen Meßgrößen und um 50 % bzw. 25 % für die Konzentrationen der Bestandteile und der Masse der kleinen bzw. der großen Partikel. Die Variabilität der Werte in einer Klasse bleibt jedoch auch nach Klassifikation größer als Unterschiede zwischen den Klassen. Sie wird vor allem durch die spezifische meteorologische Situation bedingt. Um die Auswirkungen der Variabilität der Partikeleigenschaften in meteorologischen Anwendungen abschätzen zu können, wurden aus den Meßdaten der Absorptionskoeffizient der Partikel und die daraus resultierenden Erwärmungsraten sowie das Partikelwachstum mit der relativen Feuchte berechnet und wie die Meßdaten klassifiziert. Die Ergebnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Für die Absorptionskoeffizienten der trockenen Partikel wurden Werte zwischen 0,1·10-6/m und 97·10-6/m berechnet. Für die beiden Meßkampagnen im Herbst (Melpitz 1993 und 1994) ergaben sich etwa um den Faktor 2 größere mittlere Absorptionskoeffizienten als für die Meßkampagnen im Sommer, die maximalen Absorptionskoeffizienten waren in Melpitz aufgrund der starken lokalen Quellen um den Faktor 2-3 größer als auf dem Hohen Peißenberg. Für die maximalen Erwärmungsraten wurden Werte zwischen 0,003 und 0,128 K/h, für die Gesamterwärmung über die Tageslichtperiode zwischen 0,02 K und 0,81 K berechnet. Die Partikel liefern in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen selbst während Meßkampagnen an zwei ländlichen Orten in Mitteleuropa einen vernachlässigbar geringen bis deutlichen Beitrag zum Strahlungsantrieb. In Melpitz waren sowohl die maximalen Erwärmungsraten als auch die Gesamterwärmung im Mittel um den Faktor 1,5 geringer als auf dem Hohen Peißenberg, da die maximalen Absorptionskoeffizienten zu einer Zeit bestimmt wurden, als das Strahlungsangebot noch gering war, während auf dem Hohen Peißenberg die Maxima von Absorptionskoeffizient und Strahlungsangebot zeitlich näher zusammenliegen. Die Klassifikation nach Rückwärtstrajektorien ergab deutliche Unterschiede (Faktor 3-5) zwischen den einzelnen Klassen, da in Klassen mit den höchsten Rußkonzentrationen auch das Strahlungsangebot am höchsten war und in Klassen mit niedrigen Rußkonzentrationen meistens starke Bewölkung vorherrschte. Zwischen maximaler Erwärmungsrate und Gesamterwärmung über die Tageslichtperiode wird ein linearer Zusammenhang gefunden, der sich aber aufgrund der verschiedenen Tagesgänge des Absorptionskoeffizienten für die Meßkampagnen in Melpitz und auf dem Hohen Peißenberg unterscheidet. Sowohl für den exponentiellen Massenzuwachskoeffizienten bei unendlicher Verdünnung als auch für das Partikelwachstum bei fester relativer Feuchte ergeben sich im Mittel nur geringe Unterschiede zwischen kleinen und großen Partikeln sowie einzelnen Klassen durch die chemische Zusammensetzung des wasserlöslichen Anteils der Partikel. Unterschiede sind vielmehr durch den Anteil der wasserlöslichen Masse an der Gesamtmasse bedingt. Es ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem exponentiellen Massenzuwachskoeffizienten bei unendlicher Verdünnung und dem Anteil der wasserlöslichen Masse an der Gesamtmasse der Partikel. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Klassen lassen sich nicht auf einzelne meteorologische oder geographische Einflußfaktoren zurückführen. Sowohl für die Absorption solarer Strahlung als auch für das Wachstum der Partikel mit der relativen Feuchte ist die Variabilität der abgeleiteten Größen geringer als die der Ausgangsgrößen, sie ist aber immer noch mindestens so groß wie die Unterschiede zwischen den einzelnen Klassen. Zusammenfassend läßt sich festhalten, daß in dieser Arbeit ein Datensatz aus Messungen von meteorologischen Parametern und Partikeleigenschaften zusammengestellt wurde, der zusammen mit der Klassifikationsmethode nach Rückwärtstrajektorien und Tageszeiten eine Untersuchung der Zusammenhänge zwischen der Variabilität der Meßgrößen und den meteorologischen Bedingungen ermöglicht und eine Abschätzung der Auswirkungen der Variabilität der Partikeleigenschaften, insbesondere der chemischen Zusammensetzung, in meteorologischen Anwendungen zuläßt. Der Klassifikationsansatz nach Rückwärtstrajektorien ist prinzipiell geeignet, um die Abhängigkeit der Partikeleigenschaften von den meteorologischen Bedingungen zu beschreiben. Es ist jedoch nicht möglich, einen Einflußfaktor als den wichtigsten hervorzuheben oder sogar quantitative Beziehungen zwischen Partikeleigenschaften und meteorologischen Parametern herzustellen. Die Herkunft der Luft liefert einen Hinweis auf die zu erwartenden meteorologischen Bedingungen und Partikeleigenschaften, die lokale meteorologische Situation bestimmt jedoch die genaue Ausprägung der Meßgrößen. Eine Berücksichtigung des Einflusses der lokalen Wetterlage sowie lokaler bzw. regionaler Quellen könnte durch die Einbeziehung der Windrichtung vorgenommen werden. Auf der Basis längerer Meßreihen sollte überprüft werden, ob die Unterteilung in fünf Trajektorienklassen modifiziert werden muß. Der große Einfluß der spezifischen Wetterlage auf die Meßergebnisse führt dazu, daß die Ergebnisse von Meßkampagnen weder für einen längeren Zeitraum noch für ein größeres Gebiet repräsentativ sein können. Ebenso ist die Verwendung von Mittelwerten über längere Zeiträume ist nicht sinnvoll, da die Variabilität der Meßgrößen während eines Tages sowie von Tag zu Tag sehr groß ist. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge zwischen Partikeleigenschaften und meteorologischen Bedingungen erscheint es unbedingt nötig, längere Meßreihen aller wichtigen Aerosoleigenschaften durchzuführen, damit statistisch belastbare Daten über eine hinreichend große Zahl von Messungen unter verschiedensten meteorologischen Bedingungen zu allen Jahreszeiten vorliegen, die Aussagen über Zusammenhänge mit Witterungsbedingungen, Tagesgänge, Jahresgänge aber auch die Vertikalverteilung der Partikeleigenschaften zulassen. Dabei ist es wichtig, alle interessierenden Größen gleichzeitig zu messen, da nur dann eine Untersuchung des Einflusses der Variabilität verschiedener Parameter auf die für die Anwendung wichtigen Größen möglich ist.
Als Voraussetzung für die experimentellen Arbeiten wurde am Mineralogischen Institut in Frankfurt eine Hochdruckpresse mit einer Multi-Anvil-Apparatur vom Walker-Typ aufgebaut und kalibriert. Diese Arbeiten nahmen einen beträchtlichen Teil der Promotionszeit ein. In einer Reihe von Hochdruck-Experimenten wurde dann die maximale Löslichkeit von Aluminium und den Seltenerd-Elementen Lanthan, Gadolinium und Lutetium in den Phasen des CaSiO3-Systems im Druckbereich zwischen 2.0 und 13.0 GPa untersucht. Unsere Experimente ergaben eine Zunahme der maximalen Löslichkeit mit steigendem Druck, von Wollastonit über Ca-Walstromit, Larnit + Si-Titanit bis Ca-Perowskit. Ca-Perowskit zeigt extrem hohe SEE-Konzentrationen mit einem Maximum bei den mittleren SEE. In den anderen Phasen nimmt die Löslichkeit mit zunehmender Kompatibilität der SEE zu. Innerhalb der Stabilitätsfelder zeigte sich keine signifikante Druck- oder Temperatur-Abhängigkeit der maximalen Löslichkeit. Anhand der Mikrosonden-Analysen konnte gezeigt werden, dass der Einbau von Al und SEE in Ca-Walstromit nicht über eine gekoppelte Substitution erfolgt, sondern wahrscheinlich über eine Defektstruktur. Dies deckt sich mit unseren TEM-Untersuchungen an diesen synthetischen Produkten, die eine hohe Dichte an planaren Baufehlern mit leicht erhöhten SEE-Konzentrationen ergaben. In allen Ca-Silikat-Phasen lag die maximale Löslichkeit der Seltenen Erden höher als die Konzentration in natürlichen Proben. Damit steht fest, dass die in Einschlüssen gemessenen SEE-Gehalte „primär“ sind und sich nicht durch etwaige Entmischungen im Zuge einer Anpassung der Kristallstruktur an die veränderten P,T-Bedingungen verändert haben. Entmischungen in Form einer SEE-reichen Phase würden eine an LSEE extrem angereicherte Quelle voraussetzen. Ein Vergleich unserer Subsolidus-Experimente mit CaSiO3-Einschlüssen in Diamanten aus Guinea zeigt, dass einige mit bis zu 0.13 Gew.% Al2O3 an Aluminium gesättigt sind. Diese Tatsache ist besonders interessant bei der Interpretation Alhaltiger Einschlussphasen. Neben absoluten Spurenelement-Konzentrationen sind Verteilungskoeffizienten äußerst wertvolle Hilfsmittel bei der Bewertung natürlicher Proben. Die in der Literatur bestehenden Datensätze wurden mit unseren Kristall/Schmelz-Verteilungskoeffizienten bzw. Verteilungskoeffizienten zwischen Ca-Silikatphasen erweitert. Verteilungskoeffizienten der Seltenerd-Elemente zwischen Ca-Walstromit und Karbonat sind um eine Größenordnung höher als Ca-Walstromit/Schmelz-Verteilungskoeffizienten und zeigen eine größere Steigung zwischen den MSEE und den SSEE (Lu/Gd). Die Seltenen Erden verhalten sich sowohl in Larnit als auch in Si-Titanit inkompatibel, wobei DX/L La für Larnit etwa 0.1 und für CaSi2O5 etwa 0.002 ist, d.h. auch, dass die LSEE im Vergleich zu Si-Titanit bevorzugt in Larnit eingebaut werden. Al verhält sich in Si-Titanit Zusammenfassung 147 kompatibel (DX/LAl=4) und in Larnit leicht inkompatibel. Diese Ergebnisse decken sich mit Analysen an natürlichen Proben. Die SEE-Verteilungskoeffizienten zwischen Ca-Perowskit und Schmelze liegen mit Ausnahme von La über eins und zeigen in Übereinstimmung mit Literaturdaten ein Maximum bei Gd. Für Granat konnte gezeigt werden, dass der Einbau der SEE und Si in MgO-haltigen Kristallen in Abhängigkeit von Druck und Startzusammensetzung über eine Ca SEE2 Mg2 Si3O12- Komponente bzw. über eine Ca3 MgSi Si3O12-Komponente mit 6-fach koordiniertem Silizium erfolgt. In zahlreichen Experimenten kristallisierte eine neue Ca-SEE-Silikat-Phase mit Feldspat-Stöchiometrie. Dabei handelt es sich offenbar um ein Mischkristallsystem mit einem Endglied, in das vorwiegend die leichten SEE eingebaut werden und in einem zweiten mit vorwiegend schweren SEE. Ab einem Druck von etwa 10.0 GPa trennt ein Solvus die beiden Endglieder voneinander. In der Literatur ist bisher nur ein CaLa2Si2O8-Endglied beschrieben worden. In einigen Experimenten mit P und Li wurde zusätzlich untersucht, ob diese Elemente zur Rekonstruktion der Bildungsbedingungen von Diamanten verwendet werden können. Dabei zeigte sich, dass die max. Löslichkeit von Li in CaSiO3 näher an den natürlichen Probenzusammensetzungen liegt und damit möglicherweise Potential für die Rekonstruktion von Bildungsbedingungen hat. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde die Kinetik retrograder Reaktionen im CaSiO3-System untersucht. Die für die In-Situ-Experimente mit Synchrotron-Strahlung notwendigen Versuchsaufbauten wurden von uns entwickelt und die entsprechenden Entwicklungsschritte und technischen Probleme ausführlich beschrieben. Anhand von Entlastungsexperimenten wurden die Disproportionierung von Ca-Perowskit zu Larnit + Si-Titanit und die Rekombination zu Ca-Walstromit bei unterschiedlichen Temperaturen und unter dem Einfluss von Wasser untersucht. Aufgrund der wenigen verwertbaren Daten, die uns vorliegen, konnten zwar keine Aktivierungsenergien berechnet werden, es sind aber aufgrund unser Beobachtungen folgende Feststellungen zu treffen: Die Reaktion von Ca-Perowskit zu Larnit + Si-Titanit erfolgt bei gleicher Temperatur offenbar um Größenordnungen schneller als die sich bei niedrigen Drucken anschließende Rekombination zu Ca-Walstromit. Dies deckt sich mit Beobachtungen an natürlichen Proben, bei denen Larnit und Si-Titanit teilweise unvollständig zu Ca-Walstromit reagierten. Dadurch erscheint es eher unwahrscheinlich, dass amorphes CaSiO3 in Diamanten ein direktes Umwandlungsprodukt von Ca-Perowskit ist. Aber auch für die in der Literatur beschriebene Amorphisierung von Ca-Walstromit-Einschlüssen (Stachel 2000) noch innerhalb des umgebenden Diamanten ließ sich durch unsere In-Situ-Entlastungsexperimente nicht stützen. Eine Amorphisierung von Ca-Walstromit beobachteten wir nur bei einer Untersuchung am TEM, wo die Phase sehr instabil war und selbst in einem Kryohalter rasch unter dem Einfluss der Elektronenstrahls amorphisierte. Die Beugungs-Spektren, die nach einer Druckentlastung im Ca-Walstromit-Stabilitätsfeld aufgenommen wurden, unterschieden sich trotz der CaSiO3-Chemie der neu gebildeten Phase deutlich von unseren Ca-Walstromit-Referenz-Spektren, so dass die Umwandlung möglicherweise über eine metastabile Zwischenstufe erfolgt. Vor dem Hintergrund von unterschiedlichen, in der Literatur beschriebenen Strukturtypen von Ca-Walstromit wäre eine systematische Untersuchung der Struktur innerhalb des gesamten Stabilitätsfeldes wichtig.
The timing and duration of leaf deployment strongly regulate earth-atmosphere interactions and biotic processes. Leaf dynamics therefore have major implications for life on earth, including the global energy balance, carbon and water cycles, feedbacks to climate, species extinction risk and agriculture. Evidence of shifts in the timing of leaf deployment and senescence (leaf phenology) as a result of climate change has been accumulating over the past decades, particularly in relation to spring phenology in the northern hemisphere. However, leaf phenological change in other parts of the world has received less attention. This thesis quantifies global phenological change over the past three decades using remotely sensed data. Phenological change was found to be widespread and severe, also in the southern hemisphere. While the detected change testifies of the phenological plasticity of many plant species, it is not clear if the duration of leaf deployment (leaf habit) is equally sensitive to environmental change. Since evergreen and deciduous leaf habits are often distinctly sorted along environmental gradients, ecologists have hypothesised that these patterns result from natural selection for an optimal leaf habit, under a given environmental regime. Such evolutionary convergence can be examined by testing if the physiological niche that is occupied by a particular leaf habit (evergreen or deciduous) is similar among regions with distinct evolutionary histories. Using a process-based model of plant growth and a constructed map of evergreen and deciduous vegetation, the physiological niche of leaf habits was quantified in four global biogeographic realms. Substantial niche overlap was found between the same leaf habit in different realms, suggesting evolutionary convergence of the physiological niche. This implies a sensitivity of leaf habit to environmental change, as environmental variables determine the geographic space where the physiological niche allows a positive carbon balance, and therefore occurrence of the leaf habit. Since the physiological niche consists of the integrated effects of physiological traits and trade-offs, environmental dependencies and leaf habit and phenology, an understanding of the carbon economy of individual plants requires decomposing the physiological niche into its components. Using empirical data on leaf phenology, leaf habit and physiological processes from woody species in a seasonally dry African savanna, a simple carbon balance model was parametrised. Carbon gain varied considerably between species as a result of substantial variation in leaf habit, leaf phenology and physiological traits. The multiple lines of evidence in this thesis therefore suggest that, while convergent selective forces may determine the dominant leaf habit in a particular environment, inter-specific variation is substantial, potentially as a consequence of historical contingencies or competitive interactions.
Das Ziel dieser Arbeit wurde eingangs über den Begriff der erweiterten Schließung der optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel definiert. Hierunter versteht man das Zusammenfügen von verschiedenen Messungen zu einem konsistenten Bild der betrachteten Partikeleigenschaften. Darüber hinaus sollen die Messungen auch in anderen Teilgebieten der Aerosolphysik verwendbar sein, um so das konsistente Bild zu erweitern. Dieses so umschriebene Ziel konnte für die mikrophysikalischen und optischen Messergebnisse, die während des LACE 98 Experimentes, einem vom Bundesministerium für Forschung und Bildung (Bmb f) geförderten Schließungsexperiment, in Lindenberg (Brandenburg) rund 50 km südöstlich von Berlin im Juli und August 1998 erfasst wurden, erreicht werden. Die Messungen wurden erfolgreich zu einem konsistenten Datensatz und einem "Bild" der Partikeleigenschaften zusammengefügt. Unter dem Begriff "Bild" subsummiert sich hierbei nicht nur eine Charakterisierung der Variabilität und Abhängigkeit der Partikeleigenschaften, z.B. von der rel. Luftfeuchte, sondern darüber hinaus auch eine Charakterisierung der Beeinflussung verschiedener von den Eigenschaften der Partikel abhängiger Größen. Hierzu zählen Strahlungshaushaltsgrößen (Erwärmungsrate der Luft durch Absorption solarer Strahlung und die Volumenabsorption solarer Strahlung durch Partikel), wolkenphysikalische Größen (maximale Übersättigung der Wolkenluft während der Wolkenentstehung und Anzahlkonzentration der wachsenden Wolkentropfen), die massengewichtete mittlere Sedimentationsgeschwindigkeit von Partikeln und nicht zuletzt gesundheitsrelevante Größen, wie z.B. die vom Menschen beim Atmen aufgenommene und eingelagerte Partikelmasse. Nachfolgende Zusammenstellung soll nochmals die erzielten Ergebnisse zusammenfassen. Für eine detaillierte Darstellung der in den einzelnen Kapiteln erzielten Ergebnisse soll hier nur auf die jeweiligen Zusammenfassungen der einzelnen Kapitel verwiesen werden. . Im Rahmen der direkten Schließung, wurden unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der optischen Eigenschaften der Partikel erfolgreich miteinander verglichen. Beteiligt waren bei diesem Vergleich folgende Methoden: Partikel im trockenen Zustand: -- Aerosolphotometer (alle optischen Eigenschaften, ) -- Nephelometer (Streukoeffizient) -- PSAP (Absorptionskoeffizient) -- IPMethode (Absorptionskoeffizient) -- Telephotometer (Extinktionskoeffizient) Partikel bei Umgebungsfeuchte: -- Telephotometer (Extinktionskoeffizient) -- horizontales Lidar (Extinktionskoeffizient) Es zeigte sich, dass sich das Aerosolphotometer mit seinem schon aus der Theorie des Messverfahrens her begründeten konsistenten Satz aller optischen Eigenschaften als Referenzmethode während LACE 98 bewährte. Mit seiner Hilfe konnte nun auch die Gültigkeit einer empirischen Korrektur des PSAP nach Bond et al. [1999] für natürliche Aerosolpartikel bestätigt werden. Dem Anwender dieses Gerätes, das mit einer hervorragenden zeitlichen Auflösung von wenigen Minuten den Absorptionskoeffizienten bestimmt, stehen somit zwei unabhängig voneinander gewonnene Kalibrierungsfunktionen zur Verfügung, die innerhalb der Fehlergrenzen auch mit einander im Einklang stehen. . Im Rahmen der indirekten Schließung wurde ein Modell entwickelt, mit dem auf Basis eines Kugelschalenmodells der Partikel aus Messungen der mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel den Extinktions, den Streu- und den Absorptionskoeffizienten sowie die Single Scattering Albedo berechnet wurden. Mit Hilfe dieses Modells wurde der Feuchteeffekt der oben genannten optischen Eigenschaften berechnet. Mit diesen Ergebnissen konnten dann die Messwerte des Telephotometers feuchtekorrigiert, und mit den Messungen des Aerosolphotometers verglichen werden, wo bei eine gute Übereinstimmung der Messreihen festgestellt werden konnte. Die beobachteten Unterschiede konnten auf Ernteaktivitäten, die nur die Messungen des Telephotometers beeinflussten, zurückgeführt werden. Ein Vergleich der mit Hilfe des Modells auch direkt berechenbaren optischen Eigenschaften mit den direkten Messwerten der beteiligten Verfahren fiel ebenfalls positiv aus. Anhand aller Modellrechnungen wurde eine physikalisch motivierte Näherungsfunktion für den Feuchteeffekt des Extinktions- und des Streukoeffizienten als Funktion des Aktivierungsparameters bereit gestellt. In Klimamodellen kann mit Hilfe der vorgestellten Näherungsfunktionen der Feuchteeffekt auf einfache Weise parametrisiert werden. Wenn man allerdings konkrete Messergebnisse miteinander vergleichen möchte, ist man auf eine vollständige Erfassung der mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel angewiesen. . Im Teil IV der Arbeit wurden auf der Basis des zuvor vorgestellten Datensatzes und der hierfür entwickelten Verfahren (Algorithmen) weitere Auswertungen zu unterschiedlichen, für die Meteorologie interessanten Themengebieten, vorgestellt und ihre Ergebnisse charakterisiert. . In Kapitel 6.1 wurde mit Hilfe von Auswertegleichungen aus den in dieser Arbeit erstellten Messungen des Sieben-Sensor-Bilanzphotometers und den Messungen des Aerosolphotometers die Volumenabsorptionsrate solarer Strahlung der bodennahen Partikel und die daraus resultierende Erwärmungsrate der Luft berechnet. Die Ergebnisse wurden mit Literaturwerten anderer Messkampagnen verglichen. Insbesondere konnte ein interessantes Ergebnis von Hänel
Im Rahmen des Projektes SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion) als Teil des deutschen Atmosphärenforschungsprogramms AFO 2000 wurden bei 8 Messkampagnen mit insgesamt 36 Flügen innerhalb eines Beobachtungszeitraums von zwei Jahren (Nov. 2001 bis Juli 2003) Spurengasmessungen in dem Breitenbereich zwischen 35°N und 75°N durchgeführt. Für die Messungen der Spurengase N2O, F12, SF6, H2 und CO wurde der vollautomatisierte in-situ GC (Gaschromatograph) GhOST II (Gas Chromatograph for the Observation of Stratospheric Tracers) entwickelt und eingesetzt. Das Ziel dieser Messungen war die Untersuchung der jahreszeitlichen Variabilität der Spurengase in der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (UT/LMS: Upper Troposphere/Lowermost Stratosphere), um die Transport- und Austauschprozesse in der Tropopausenregion besser zu verstehen. Zur Untersuchung von Transport und Mischung in der UT/LMS wurden die Rückwärtstrajektorien entlang der Flugpfade, die Verteilungen der Tracer N2O, F12, SF6, CO und CO2 (MPI für Chemie in Mainz), die Tracer/Tracer-Korrelationen N2O/F12, N2O/O3 F12/O3 und SF6/O3 und die Verteilungen des aus SF6-Messungen berechnete mittlere Alters der Luft herangezogen. Zusätzlich wurden die simultanen Messungen der beiden Alterstracer CO2 und SF6 genutzt, um die Propagation der Amplitude des troposphärischen CO2-Jahresgangs in die LMS zu bestimmen und daraus mit Hilfe eines empirischen Altersspektrums den Eintrag und die mittlere Transportzeit aus der Troposphäre in die unterste Stratosphäre zu quantifizieren. Grundsätzlich muss die LMS in zwei Bereiche eingeteilt werden – die Übergangsschicht („tropopause following layer“) bis etwa 20-30 K über der potentiellen Temperatur der lokalen Tropopause [Hoor et al., 2004] und die freie LMS oberhalb dieser Schicht. Als wesentliche Unterscheidungsmerkmale beider Bereiche wird die mittlere Transportzeit des Eintrags troposphärischer Luft identifiziert. Aus Trajektorienuntersuchungen und Tracerverteilungen (Kap. 3.4) kann gezeigt werden, dass der Transport in die Übergangsschicht und die Mischungsprozesse in diesem Bereich auf der Zeitskala der mesoskaligen troposphärischen Prozesse ablaufen. Im Gegensatz dazu werden aus der Massenbilanz (Kap. 5.3) mittlere Transportzeiten aus der Troposphäre in die freie LMS von einigen Wochen bis zu mehreren Monaten abgeleitet. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass der troposphärische Eintrag in der freien LMS fast ausschließlich auf quasihorizontale isentrope Einmischung aus den Tropen über die Transportbarriere des Subtropenjets zurückzuführen ist. Nur im Sommer und Herbst konnte auch oberhalb der Übergangsschicht für einzelne Messungen ein Einfluss aus der extratropischen Troposphäre beobachtet werden. Die in dieser Arbeit untersuchten Tracerverteilungen und -korrelationen (Kap. 4) und die Verteilung des mittleren Alters (Kap.5.2) in der LMS zeigen einen Jahresgang mit einem maximalen troposphärischen Einfluss im Oktober und einem maximalen stratosphärischen Einfluss im April. Diese saisonale Charakteristik in der freien LMS kann durch die saisonalen Änderungen des Verhältnisses von Abwärtstransport aus der Overworld und quasihorizontalem Transport aus den Tropen und durch die mit den jeweiligen Transportprozessen assoziierte mittlere Transportzeiten erklärt werden, die aus Massenbilanzrechnungen bestimmt wurden. Es wird gezeigt, dass der überwiegende Eintrag von troposphärischer Luft in die LMS im Sommer und Herbst stattfindet, wobei im Mittel die kürzesten mittleren Transitzeiten (unter 0.3 Jahre) für den August und die längsten Transitzeiten (über 0.6 Jahre) für den Mai berechnet werden. Aus den Ergebnissen wird gefolgert, dass ein ausgeprägter isentroper Austauschprozess über den Subtropenjet im Sommer bis in den Herbst hinein der dominierende troposphärische Einfluss in der LMS bis in den Mai ist. Der Vergleich zwischen SPURT und anderen in der UT/LMS im Zeitraum von 1992 bis 1998 durchgeführten Messkampagnen zeigt einen systematischen Unterschied in den N2O/O3-Korrelationen. Die Zunahme von O3 relativ zu N2O in der LMS ist um etwa 6.5 ppb O3 pro 1 ppb N2O bzw. etwa 40% größer als die Zunahme bei jahreszeitlich vergleichbaren früheren Kampagnen. Durch eine weitergehende Analyse der Messungen, z.B. durch den Vergleich der N2O-Verteilungen in der LMS bei verschiedenen Messkampagnen, und zusätzlichen Informationen aus Satelliten- und Ballonmessungen wird abgeleitet, dass diese Änderung der N2O/O3-Korrelationen im Wesentlichen auf einen im Zeitraum von SPURT stärkeren quasihorizontalen Transport aus den Tropen in die Extratropen im Bereich des so genannten „tropical controlled transition layer“ [Rosenlof et al., 1997] zwischen 16-21 km (bzw. Θ ≈ 380-450 K) zurückzuführen ist. In Kooperation mit B. Bregman wurden mit dem Chemie-Transport-Modell TM5 des KNMI die Verteilungen von SF6 und CO2 in der Troposphäre und Stratosphäre, unter den Zielsetzungen Evaluation des Modelltransports und Erweiterung des Datensatzes von SPURT auf globalen Maßstab, für den Zeitraum 1.1.2000 bis 31.12.2002 modelliert. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Modellstudien zur Evaluation des Transports mit Hilfe von Alterstracern nicht nur troposphärisch monoton steigende Tracer wie SF6 sondern auch saisonal variable Tracer wie CO2 verwendet werden müssen. Bei dem Vergleich der Modellergebnisse des TM5 mit ER2- und SPURTMessungen zeigt sich, dass das Modell zum jetzigen Zeitpunkt in der Lage ist, das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre und die SF6- und CO2-Verteilungen in der LMS qualitativ richtig wiederzugeben. Das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre wird um etwa 0.5 bis 1 Jahr in den Tropen über- und in den Extratropen unterschätzt. Die vertikalen Gradienten im Modell für SF6 und CO2 in der LMS sind, insbesondere im Winter und Frühjahr, zu gering. Die Amplitude des CO2-Jahresganges in der oberen Troposphäre und in der LMS wird durch das Modell unterschätzt, während der saisonale Verlauf des Jahresganges richtig wiedergegeben wird. Im Moment wird vermutet, dass eine zu starke isentrope Mischung zwischen Tropen und Extratropen und/oder ein zu geringer Aufwärtstransport in der extratropischen Troposphäre im Sommer und Herbst die Ursachen für die beobachteten Abweichungen zwischen Modell und Messung sind.
Terrestrial climate and ecosystem evolution during ‘Greenhouse Earth’ phases of the early Paleogene remain incompletely known. Particularly, paleobotanical records from high southern latitudes are giving only limited insights into the Paleocene and early Eocene vegetation of the region. Hence, data from continuous well-calibrated sequences are required to make progress with the reconstruction of terrestrial climate and ecosystem dynamics from the southern latitudes during the early Paleogene.
In order to elucidate the terrestrial conditions from the high southern latitudes during the early Paleogene, terrestrial palynology was applied in the present study to two well-dated deep-marine sediment cores located at the Australo-Antarctic region: (i) IODP Site U1356 (Wilkes Land margin, East Antarctica) and (ii) ODP Site 1172 (East Tasman Plateau, southwest Pacific Ocean). The studied sequence from IODP Site U1356 comprises mid-shelfal sediments from the early to middle Eocene (53.9 – 46 million years ago [Ma]). For the ODP Site 1172, the studied succession is characterized by sediments deposited in shallow marine environments of the middle Paleocene to the early Eocene (60.7 – 54.2 Ma).
Based on the obtained pollen and spores (sporomorphs) results from the studied sequences of Site U1356 and Site 1172, this study aims to: (1) decipher the terrestrial climate conditions along the Australo-Antarctic region from the middle Paleocene to the middle Eocene; (2) evaluate the structure, diversity and compositional patterns of forests that throve in the Australo-Antarctic region during the early Paleogene; (3) understand the response of forests from the high southern latitudes to the climate dynamics from the early Paleogene; (4) establish a connection between the generated terrestrial palynomorph data and published Sea Surface Temperatures (SSTs) from the same cores.
To decipher the terrestrial climatic conditions on the Australo-Antarctic region, this study relies on the nearest living relative (NLR) concept that assumes that fossil taxa have similar climate requirements as their modern counterparts. This approach was applied to the sporomorph results of Site U1356 and Site 1172, following mainly the bioclimatic analysis. With regard to the structure and diversity patterns of the vegetation from the same region, the present study presents combined qualitative (i.e., reconstruction of the vegetation based mainly on the habitats of the known living relatives) and quantitative (i.e., application of ordination techniques, rarefaction and diversity indices) analyses of the fossil sporomorphs results.
The overall results from the paleoclimatic and vegetation reconstruction approaches applied in the present study, indicate that temperate and paratropical forests during the early Paleogene throve under different climatic conditions on the Wilkes Land margin and on Tasmania, at paleolatitudes of ∼70°S and ∼65°S, respectively.
Specifically, the sporomorph results from Site U1356, suggest that a highly diverse forest similar to present-day forests from New Caledonia was thriving on Antarctica during the early Eocene (53.9 – 51.9 Ma). These forests were characterized by the presence of termophilous taxa that are restricted today to tropical and subtropical settings, notably Bombacoideae, Strasburgeria, Beauprea, Spathiphyllum, Anacolosa and Lygodium. In combination with MBT/CBT paleotemperature results, they provide strong evidence for near-tropical warmth at least in the coastal lowlands along the Wilkes Land margin. The coeval presence of frost tolerant taxa such as Nothofagus, Araucariaceae and Podocarpaceae during the early Eocene on the same record suggests that paratropical forests were thriving along the Wilkes Land margin. Due to the presence of this kind of vegetation, it is possible to suggest that forests in this region were subject to a climatic gradient related to differences in elevation and/or the proximity to the coastline.
By the middle Eocene, the paratropical forests that characterized the vegetation of the early Eocene on the Wilkes Land margin were replaced by low diversity temperate forests dominated by Nothofagus, and similar to present-day cool-temperate forests from New Zealand. The dominance of these forests and the absence of thermophilous elements together with the lower temperatures suggested by the MBT/CBT and the sporomorph-based temperatures indicate consistently cooler conditions during this time interval.
With regard to the sporomorph results of Site 1172, this study suggests that three vegetation types were thriving on Tasmania from the middle Paleocene to the early Eocene under different climatic conditions. During the middle to late Paleocene, warm-temperate forests dominated by Podocarpaceae and Araucariaceae were the prevailing vegetation on Tasmania. The dominance of these forests was interrupted by the transient predominance of cool-temperate forests dominated by Nothofagus and Araucariaceae across the middle/late Paleocene transition interval (~59.5 to ~59.0 Ma). This cool-temperate forest was characterized by a lack of frost-sensitive elements (i.e., palms and cycads) indicating cooler conditions with harsher winters on Tasmania during this time interval. By the early Eocene, and linked with the Paleocene Eocene Thermal Maximum (PETM), Paleocene temperate forests dominated by gymnosperms were replaced by paratropical rainforests with the remarkable presence of the tropical mangrove palm Nypa during the PETM and the earliest Eocene. The overall results from Site U1356 and Site 1172, provide a new assessment of the terrestrial climatic conditions in the Australo-Antarctic region for validating climate models and understanding the response of high-latitude terrestrial ecosystems to the climate dynamics of the early Paleogene on southern latitudes.
The climatic conditions in the higher latitudes during the early Paleogene were further unravelled by comparing the obtained terrestrial and marine results. The integration of the obtained sporomorph data with previously published TEX86-based SSTs from Site 1172 documents that the vegetation dynamics were closely linked with the temperature evolution from the Australo-Antarctic region. Moreover, the comparison of TEX86-based SSTs and sporomorph-based climatic estimations from Site 1172 suggests a warm-season bias of both calibrations of TEX86 (i.e., TEX86Hand TEX86H), when this proxy is applied to high southern latitudes records of the early Paleogene.
Ziel dieser Arbeit, die im Rahmen der Ice Nuclei Research Unit (INUIT) Forschergruppe erstellt wurde, war ursprünglich die saisonale und geographische Variabilität von bodennahen Eiskeimen zu untersuchen. Die Konzentrationen, Quellen und Zusammensetzung der Eisnuklei (ice nuclei, IN) sollte als Basis für Parametrisierungen dienen. Das Verständnis von Eiskeimen und deren Einfluss auf Wetter und Klima sind nur zum Teil bekannt und bedürfen daher noch weitgehender Forschung. Auch die Änderung der Eiskeimkonzentration mit der Zeit kann von Bedeutung sein, diese sollte durch die Fortführung einer Langzeitmessreihe untersucht werden. Durch Hinzuziehen von lokalen Parametern und Trajektorien sollten Proxies für die IN Konzentration ermittelt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit taten sich jedoch Probleme am Messverfahren auf, weshalb die ursprünglichen Ziele in den Hintergrund gerieten und die Verbesserung und Neuaufnahme des Messverfahrens in den Vordergrund trat. Anhand von zielgerichteten Experimenten wurde ein Messfehler ermittelt, der durch die vorherige Fehlinterpretation von deliqueszierenden Partikeln und von Tröpfchen als vermeintliche Eiskristalle entstand. Dieser Fehler wurde charakterisiert und durch optische Analysen dessen Ursprung ermittelt. Datensätze, die durch diese hygroskopischen Partikel fehlerbehaftet waren, wurden korrigiert und reanalysiert. Ein in früheren Arbeiten am Taunus Observatorium/Kleiner Feldberg ermittelter Jahresgang in der Eiskeimkonzentration mit einem Maximum im Sommer und einem Minimum im Winter konnte bestätigt werden, die Absolutzahlen sind jedoch deutlich geringer als bisher angenommen. Lokale Parameter sowie Trajektorien wurden zur weiteren Analyse hinzugezogen.
Die Reevaluierung der Datensätze vom Taunus Observatorium führte zu keinem abschließenden Ergebnis. Ein allgemein gültiger Zusammenhang zwischen Eiskeimkonzentration und Parametern, welche das Staubvorkommen in der Atmosphäre quantifizieren (PM10 und Aerosol Optische Dicke), konnte nicht festgestellt werden. Da die Messungen bei relativ warmen Bedingungen (≥-18°C) durchgeführt wurden, Staub aber erst bei kälteren Temperaturen als effektiver Eiskeim gilt, ist dieses Ergebnis jedoch zu erwarten gewesen.
Auch die Luftmassenherkunft scheint keinen eindeutigen Einfluss zu haben. Betrachtungen der Bodenfeuchte lieferten signifikante Korrelationen, welche jedoch monatsabhängig positiv oder negativ ausfallen können. Im Frühling ist eine hohe Bodenfeuchte mit einer erhöhten Konzentration von IN in Verbindung zu bringen, im Sommer liegt bei niedriger Bodenfeuchte eine tendenziell höhere Eiskeimkonzentration vor. Die Windrichtung hat für die Eiskeimkonzentration einen Einfluss, wenn der Wind aus Südost zum Taunus Observatorium strömt. Anthropogenes Aerosol aus Frankfurt am Main hemmt hier vermutlich die Eisbildung, was zu einer signifikant niedrigeren mittleren Konzentration aus dieser Richtung führt.
Da das Messverfahren noch nicht in seinem vollen Potential genutzt wurde, wurde es um eine Analysemethode erweitert. Mittels Tröpfchengefrierexperimenten konnte ein weiterer Gefriermodus betrachtet werden. Nun deckt das hier genutzte Messverfahren drei der vier bekannten Gefriermoden ab. Anhand von Testsubstanzen wurde die Zuverlässigkeit der neu eingeführten Methode überprüft und nachgewiesen.
Erste Parallelproben der korrigierten Depositions- und Kondensationsgefriermessmethode und der neu eingeführten Immersionsgefriermessung wurden am Taunus Observatorium/Kleiner Feldberg genommen. Dabei wurde auch ein Staubereignis beprobt und detailliert ausgewertet. Zwischen lokalen Parametern und Eiskeimkonzentration fanden sich Zusammenhänge. Bei Messbedingungen <-20°C konnte ein signifikanter Zusammenhang zwischen PM10 und Eiskeimkonzentration im Immersions- und Kondensationsmodus gefunden werden. Der Depositionsgefriermodus blieb unauffällig. Zwischen Bodenfeuchte und IN-Konzentration konnten ebenfalls wie bei der Reevaluierung der alten Messdaten Signifikanzen festgestellt werden.
Die neu eingeführte Immersionsmessmethode und die korrigierte Methode zur Bestimmung von Depositions- und Kondensationsgefrierkernen liefern Messdaten, welche im Bereich anderer Eiskeimzähler liegen. Vergleiche mit Parametrisierungen zeigen, dass die Messwerte dem aktuellen Stand der Forschung entsprechen und davon ausgegangen werden kann, dass sie vertrauenswürdig und belastbar sind.
Climatology of morphology and cloud-radiative properties of marine low-level mixed-phase clouds
(2023)
Marine stratocumuli cover about 40 - 60% of the ocean surface. They self-organize into different morphological regimes. The two organized cellular regimes are called open and closed mesoscale-cellular convective (MCC) clouds. In mid-to-high latitudes, open and closed cells are the two most frequent types of MCC clouds. In particular, many MCC clouds consist of a mixture of vapor, liquid droplets, and ice particles, referred to as mixed-phase clouds (MPCs). Even for the same cloud fraction, the albedo of open cells is, on average, lower than that of closed MCC clouds. Cloud phase and morphology individually influence the cloud radiative effect. Thus, this thesis investigates the relationships between the cloud phase, MCC organization, cell size, and differences regarding the cloud-radiative effect.
This thesis focuses on space-borne retrievals to achieve extensive temporal and spatial coverage. The liDAR-raDAR (DARDAR) version 2 product collocates two active and one passive satellite: CloudSat, Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO), and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). The cloud phase of DARDAR is vertically integrated to establish a single cloud phase at each data point. The MCC classification data set based on the liquid water path (LWP) of MODIS scenes is collocated with the DARDAR product to determine the MCC organization. Cell-size statistics of both MCC clouds are obtained using a marker-based image segmentation method on MODIS reflectance scenes. In addition, based on MODIS reflectance scenes, a convolutional neural network (CNN) is developed to classify open and closed MCC scenes to avoid missing mature MPCs with a low LWP.
The first part of this thesis explores the relationships between cloud phase, morphology, and cloud albedo in the Southern Ocean (SO). At a given cloud-top temperature (CTT), seasonal changes in the mixed-phase fraction, defined as the number of MPCs divided by the sum of MPC and supercooled liquid cloud (SLC) pixels, are stronger than the morphological changes. Therefore, external factors seem to influence these changes instead of morphology. The dependence of cloud phase on cloud-top height (CTH) is more substantial than on CTT in clouds with CTHs below 2.5 km. The previously observed acceleration of closed-to-open transition in MPCs, known as preconditioning, is not the primary driver of climatological cloud morphology statistics in the SO. The morphological differences in cloud albedo are more pronounced in SLCs than in MPCs. This change in albedo alters the cloud radiative effect in the SO by 21Wm−2 to 39Wm−2 depending onseason and cloud phase.
Open and closed MCC clouds exhibit larger equivalent cell diameters in the MPCs than in SLCs in austral summer, whereas, in austral winter, the SLCs are larger. The cell’s aspect ratio accounts for varying CTHs. Closed cells have smaller aspect ratios than open cells, so their cell diameter is smaller, independent of CTH. While the seasonal differences in closed cells are due to changes in CTH, the seasonal aspect ratio differences in open cells are mainly caused by MPCs. With increasing aspect ratios, the cloud albedo decreases in both open and closed MCC clouds, with the most substantial decrease in open MPCs clouds. This leads to cloud-radiative changes of 60 - 75Wm−2 in the SO, depending on cloud phase and aspect ratio.
The established CNN exhibits a good accuracy of 80.6%, with even higher accuracies in the Open (85.5%) and Closed (87.3%) categories. The global MCC climatology based on the CNN generally agrees well with previous MCC distributions. The most notable difference occurs in the Northern Hemisphere (NH) in boreal winter, with a higher occurrence frequency of closed and open MCC clouds. This might indicate missing MPCs in previous studies based on the LWP and some restricted to warm cloud scenes. Thus, the developed CNN seems to better represent the different morphologies in MPCs than in previous classifications.
In conclusion, this thesis shows that understanding the dependencies of cloud phase, cloud morphology, and cell size is important to enhance predictions of the cloud-radiative effect and thus, it is important to evaluate how cloud phase, cloud morphology, and cellsize change in a warming climate.
The objective of the present doctoral thesis was to investigate the occurrence, distribution, and behaviour of six hydrophilic ethers: ethyl tert-butyl ether (ETBE), 1,4-dioxane, ethylene glycol dimethyl ether (monoglyme), diethylene glycol dimethyl ether (diglyme), triethylene glycol dimethyl ether (triglyme), and tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme) in surface-, waste-, ground- and drinking water samples. Solid phase extraction and gas chromatography/mass spectrometry were used to analyze the six hydrophilic ethers. Altogether more than 150 surface water samples, almost 100 of each groundwater and wastewater samples, and 10 raw and drinking water samples were analyzed during the research project.
Initially, the method was validated in order to simultaneously determine the analytes of interest in various aquatic environments. A solid phase extraction method that uses coconut charcoal (Resprep® activated coconut charcoal, Restek) or carbon molecular sieve material (SupelcleanTM Envi-CarbTM Plus, Supelco) for analyte absorption were found suitable for determination of ETBE, 1,4-dioxane, and glymes in surface-, drinking-, ground- and wastewater samples. Precision and accuracy of both methods was demonstrated for all analytes of interest. The recovery of target compounds from the ultrapure water spiked at 1.0 µg L−1 was between 86.8 % and 98.2 %, with relative standard deviation below 6 %. The samples spiked at 10.0 µg L−1 gave slightly higher recovery of 90.6 % to 112.2 % with a relative standard deviation below 3.4 % for each analyte. Detection and quantification limits in ultrapure water and surface waters were furthermore established. The limit of quantitation (LOQ) in ultrapure water ranged between 0.024 µg L−1 to 0.057 µg L−1 using Restek cartridges, and 0.030 µg L−1 to 0.069 µg L−1 using Supelco cartridges. In the surface water samples the calculated LOQ was 0.032 µg L−1 to 0.067µg L−1 using coconut charcoal material and 0.032 µg L−1 to 0.052 µg L−1 using the carbon molecular sieve material. Moreover, stability of the unpreserved and preserved water samples as well as the extracts was determined. Preservation of samples with sodium bisulfate (at 1 gram per Liter) resulted in much better stability of the ethers in water samples. Subsequently, 27 samples obtained from seven surface water bodies in Germany (Rivers Rhine, Lippe, Main, Oder, Rur, Schwarzbach and Wesel-Datteln Canal) were analyzed for the six hydrophilic ethers. ETBE was present in only two surface waters (Rhine River and Wesel-Datteln Canal) with concentrations close to the LOQ (up to 0.065 µg L−1). 1,4-Dioxane was detected in all of the water samples at concentrations reaching 1.93 µg L–1. Monoglyme was identified only in the Main and Rhine Rivers at the maximum concentration of 0.114 µg L–1 and 0.427 µg L–1, respectively. Very high concentrations (up to 1.73 µg L−1) of diglyme, triglyme, and tetraglyme were detected in the samples from the Oder River. These glymes were also detected in the Rhine River; however the concentrations did not exceed 0.200 µg L–1. Furthermore, tetraglyme was detected in the Main River at an average concentration of 0.409 µg L–1 (n = 6) and in one sample from the Rur River at 0.192 µg L–1.
Four sampling campaigns were conducted at the Oderbruch polder between October 2009 and May 2012, in order to study the behavior of the hydrophilic ethers and organophosphates during riverbank filtration and in the anoxic aquifer. Moreover the suitability of these target compounds was assessed for their use as groundwater organic tracers. At the time of each sampling campaign, concentrations of triglyme and tetraglyme in the Oder River were between 20–185 ng L–1 (n = 4) and 273¬–1576 ng L–1 (n = 4). Monoglyme, diglyme, and 1,4-dioxane were analyzed only during the two last sampling campaigns. At that time, the concentration of diglyme in Oder River was 65¬–94 ng L-1 (n = 2) and 1,4-dioxane 1610¬–3290 ng L–1 (n = 2). In the drainage ditch, following bank filtration, concentrations of ethers ranged between 1090 ng L–1 and 1467 ng L–1 for 1,4-dioxane, 23¬ng L–1 and 41 ng L–1 for diglyme, 37 ng L–1 and 149 ng L–1 for triglyme, and 496 ng L–1 and 1403 ng L–1 for tetraglyme. In the anoxic aquifer, 1,4-dioxane showed the greatest persistence during the groundwater passage. At the distance of 1150 m from the river and an estimated groundwater age of 41.9 years, a concentration above 200 ng L−1 was detected. A positive correlation was found for the inorganic tracer chloride (Cl−) with 1,4-dioxane and tetraglyme. Similarities in the behavior of Cl− and the organic compound suggested that 1,4-dioxane and tetraglyme are controlled by the same hydraulic process and therefore can be used as additional tracers to study the dynamics of the groundwater system. These results show that high concentrations of ethers are present in the surface water and are not removed during bank filtration processes. Moreover, the hydrophilic ethers persist in the anoxic aquifer and little or no degradation is expected, supporting, their possible application as organic tracers.
A separate sampling project was conducted for 1,4-dioxane that focused primarily on its fate in the aquatic environment. This study provided missing information on the extent of water pollution with 1,4-dioxane is Germany. Numerous waste-, surface-, ground- and drinking water samples were collected in order to determine the persistence of 1,4-dioxane in the aquatic environment. The occurrence of 1,4-dioxane was determined in wastewater samples from four municipal sewage treatment plants (STP). The influent and effluent samples were collected during weekly campaigns. The average influent concentrations in all four plants ranged from 262 ± 32 ng L−1 to 834 ± 480 ng L−1, whereas the average effluents concentrations were between 267 ± 35 ng L−1 and 62,260 ± 36,000 ng L−1. The source of increased 1,4-dioxane concentrations in one of the effluents was identified to originate from impurities in the methanol used in the postanoxic denitrification process. Spatial and temporal distribution of 1,4-dioxane in the river Main, Rhine, and Oder was also examined. Concentrations reaching 2,200 ng L−1 in the Oder River, and 860 ng L−1 in both Main and Rhine River were detected. The average load during the sampling was estimated to be 6.5 kg d−1 in the Main, 34.1 kg d−1 in the Oder, and 134.5 kg d−1 in the Rhine River. In all of the sampled rivers, concentrations of 1,4-dioxane increased with distance from the mouth of the river and were found to negatively correlate with the discharge of the river. In order to determine if 1,4-dioxane can reach drinking water supplies, samples from a Rhine River bank filtration site and potable water from two drinking water production facilities were analyzed for the presence of 1,4-dioxane in the raw water and finished potable water. The raw water (following bank filtration) contained 650 ng L−1 to 670 ng L−1 of 1,4-dioxane, whereas the concentration in the finished drinking water fell only to 600 ng L−1 and 490 ng L−1, respectively.
During the final project, investigations of the source identification of high glyme concentrations in the Oder River were carried out. During four sampling campaigns between January, 2012 and April, 2013, 50 samples from the Oder River in the Oderbruch region and Poland were collected. During the first two samplings in the Oderbruch polder, glymes were detected at concentration reaching 0.07 µg L-1 (diglyme), 0.54 µg L−1 (triglyme) and 1.73 µg L−1 (tetraglyme) in the Oder River. The extensive sampling campaign of the Oder River (about 500 km) in Poland helped to identify the area of possible glyme entry into the river. During that sampling the maximum concentrations of triglyme and tetraglyme were 0.46 µg L−1 and 2.21 µg L−1, respectively. A closer investigation of the identified area of pollution, helped to determine the possible sources of glymes in the Oder River. Hence, the final sampling focused on the Kaczawa River, a left tributary of the Oder River and Czarna Woda, a left tributary of Kaczawa River. Moreover, samples from an industrial wastewater treatment plant were collected. Samples from Czarna Woda stream and Kaczawa River contained even higher concentrations of diglyme, triglyme, and tetraglyme, reaching 5.18 µg L−1, 12.87 µg L−1 and 80.81 µg L−1, respectively. Finally, three water samples from a wastewater treatment plant receiving influents from a copper smelter were analyzed. Diglyme, triglyme, and tetraglyme were present at an average concentration of 569 µg L−1, 4300 µg L−1, and 65900 µg L−1, respectively in the wastewater. Further research helped to identify the source of the glymes in the wastewater. The gas desulfurization process – Solinox implemented in the nearby copper smelter uses glymes as physical absorption medium for sulfur dioxide.
Results of this doctoral research provide important information about the occurrence, distribution, and behavior of hydrophilic ethers: 1,4-dioxane, monoglyme, diglyme, triglyme, and tetraglyme in the aquatic environment. A method capable of analyzing a wide range of ether compounds: from a volatile ETBE to a high molecular weight tetraglyme was validated. 1,4-Dioxane and tetraglyme were found to be applicable as organic tracers, since they are not easily attenuated during bank filtration and the anoxic groundwater passage. The extent of water pollution with 1,4-dioxane was shown in waste-, surface-, ground-, and drinking waters. One source of extremely high concentrations of 1,4-dioxane in a municipal sewage treatment plant applying postanoxic denitrification was identified, however more information is needed on the entry of 1,4-dioxane into surface waters. Moreover, 1,4-dioxane was present in drinking water samples from river bank filtration, which demonstrates its persistence in the aquatic environment and its low degradation potential during bank filtration and subsequent water treatment. Furthermore, this was the first study that focused primarily on identifying sources of glymes in surface waters. Glymes find a widespread use in industrial sectors, hence establishing their origin in the surface water is difficult (as with 1,4-dioxane). In this work, a gas desulphurization process was identified to be a dominating source of glyme pollution in the Oder River.
Das Ziel dieser Studie ist es, die Möglichkeiten und Grenzen von hochauflösenden Klimaprojektionen in orographisch beeinflussten Gebieten an den Beispielen der europäischen Alpen und des Himalajas zu prüfen. Insbesondere wird die Fragestellung untersucht, ob beobachtete regionale Muster in den höher aufgelösten Daten besser wiedergegeben werden als in den antreibenden großskaligen Daten. Dazu werden regionale Klimasimulationen des COSMO-CLM Modells und Daten von zwei statistischen Regionalisierungsmethoden mit ERA40 Reanalysen sowie Daten des globalen Atmosphäre-Ozean Modells ECHAM5/MPIOM für verschiedene Parameter des Klimasystems verglichen. Ein Vergleich mit den Reanalysen anhand täglicher Niederschlagsstatistiken ergibt, dass die COSMO-CLM Niederschlagsdaten auf der 0.5° Skala vergleichbar sind mit ERA40 Niederschlägen und mit statistisch regionalisierten ERA40 Niederschlägen. Eine zusätzliche Fehlerkorrektur der COSMO-CLM Niederschläge liefert gute Ergebnisse. Dabei sind jedoch etwa 500 Regentage notwendig, um eine robuste Fehlerabschätzung zu gewährleisten. Für das südasiatische Gebiet ist eine realistische Wiedergabe des indischen Sommermonsuns (ISM) in den Modellen von hoher Relevanz. Betrachtet man nur die Mittelwerte und zeitlichen Variabilitäten von verschiedenen Indizes des ISM, so liefert das COSMO-CLM keinen Mehrwert im Vergleich zu den antreibenden Daten. Allerdings werden die räumlichen Strukturen von Niederschlag und vertikaler Windscherung, sowie die zeitliche Korrelation der modellierten Indizes gegenüber dem ECHAM5/MPIOM Modell verbessert. Die durchgeführten COSMO-CLM Projektionen für die Jahre 1960 bis 2100 zeigen negative Trends des ISM für die SRES Szenarien A2, A1B und B1. Die negativsten Trends sind dabei im Szenario A2 zu finden, gefolgt von A1B und B1. Fast keine Trends zeigen sich im commitment Szenario. Trotz großen zeitlichen Variabilitäten sind die Abnahmen in Niederschlagsmengen, ausgehender langwelliger Strahlung und Windscherung statistisch signifikant in großen Regionen des Simulationsgebietes. Für Nordwest-Indien weisen die Projektionen teilweise einen Rückgang der Monsunniederschläge von über 70% in 100 Jahren auf. Der Rückgang der Windscherung ist hauptsächlich auf Veränderungen in der oberen Troposphäre bei 200 hPa zurück zu führen. Während in den COSMO-CLM Projektionen alle Indizes des ISM synchrone Negativtrends aufweisen, sind die Trends für den Monsunregen über Indien im globalen ECHAM5/MPIOM Model positiv. Gemäß den Definitionen der verschiedenen Indizes, sind jedoch synchrone Trends wahrscheinlicher und das COSMO-CLM liefert zu den globalen ISM Projektionen ebenfalls einen Mehrwert. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass das COSMO-CLM wertvolle regionale Zusatzinformationen zu den globalen Modellen in den beiden untersuchten Regionen liefert. Für die Einzugsgebiete der oberen Donau und des oberen Brahmaputra liefern die COSMO-CLM Projektionen einen signifikanten Anstieg der Temperatur für alle Jahreszeiten der Jahre 1960 bis 2100. Die Werte sind generell höher im Brahmaputragebiet, mit den größten Trends in der Region des tibetanischen Plateaus. Im Niederschlag zeigen die saisonalen Anteile ebenfalls klare Trends, beispielsweise eine Zunahme des Frühjahrsniederschlags im Einzugsgebiet der oberen Donau. Die größten Trends werden wiederum in der Region des tibetanischen Plateaus projiziert mit einem Anstieg von bis zu 50% in der Länge der Trockenperioden zwischen Juni und September und einem gleichzeitigen Anstieg von etwa 10% für die maximale Niederschlagsmenge an fünf aufeinander folgenden Tagen. Für die Region Assam in Indien, zeigen die Projektionen zudem eine Zunahme von 25% in der Anzahl der aufeinander folgenden trockenen Tage während der Monsunzeit