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Die nachfolgende Dissertation wurde an der Goethe-Universität Frankfurt am Institut für Geowissenschaften (FB 11) in der Arbeitsgruppe Kristallographie und Mineralogie (AG Winkler) verfasst. Die Betreuung der hier durchgeführten Arbeiten erfolgte hauptsächlich durch Prof. B. Winkler in Zusammenarbeit mit Dr. L. Bayarjargal, PD Dr. E. Haussühl und PD Dr. V. Vinograd. Bei dem vorliegenden Manuskript handelt es sich um eine kumulative bzw. publikationsbasierte Dissertation, welche die Forschungsergebnisse verschiedener bereits veröffentlichter wissenschaftlicher Fachartikel zusammenfasst.
Die Arbeit beschreibt verschiedene Synthesen und Untersuchungen an Carbonaten und teilt sich im Wesentlichen in zwei Abschnitte. Zum einen wurden Experimente mit Carbonaten bei Extrembedingungen bzw. unter hohen Drücken und hohen Temperaturen durchgeführt, wie sie auch im Inneren der Erde zu finden sind. Im zweiten Teil wurden Carbonate bei Raumbedingungen synthetisiert und der Einbau von Seltenerdelementen untersucht. Grundsätzlich werden jedoch in beiden Teilen dieser Arbeit die Strukturen und Eigenschaften verschiedener Carbonate und eine mögliche Kationensubstitution bzw. die Synthese isostruktureller Verbindungen erforscht.
Kontinuierlich hohe Stickstofffrachten der Elbe und weiterer Nordseezuflüsse haben die Internationale Nordseeschutzkonferenz (INK) Ende der 80er Jahre dazu veranlasst, eine 50%ige Reduzierung der N-Einträge in die Nordsee innerhalb von 10 Jahren zu beschließen. Diese Reduzierung wurde in diesem Zeitraum nicht erreicht. Für Oberflächengewässer wurde im Jahr 2001 zur Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie in Bundesdeutsches Recht von der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) in Zusammenarbeit mit dem Umweltbundesamt (UBA 2001d) eine Güteklassifikation für Nährstoffe erstellt, die einen Wert von 3 mg/l N für Oberflächengewässer festgelegt. Am Beispiel der mittleren Mulde, die kontinuierlich hohe Stickstoffkonzentrationen von durchschnittlich 6 mg N /l aufweist, wird deutlich, dass eine Reduzierung der N-Einträge zur Erzielung der geforderten Gewässergüte unabdingbar ist. Sowohl für die Meere als auch für die Oberflächengewässer ist eine Halbierung der N-Einträge eine umweltpolitische Notwendigkeit. Im Rahmen des Projektes „Gebietswasserhaushalt und Stoffhaushalt in der Lößregion des Elbegebietes als Grundlage für die Durchsetzung einer nachhaltigen Landnutzung“ wurden deshalb die Wasser- und Stickstoffflüsse im Einzugsgebiet der mittleren Mulde (2700 km²) flächendifferenziert erfasst, um die N-Eintragpfade zu quantifizieren und Maßnahmen zur Minderung der N-Frachten abzuleiten. ...
Eisnukleierende Partikel (INP) sind ein wichtiger Bestandteil des atmosphärischen Aerosols. Trotz ihrer geringen Konzentrationen in der Atmosphäre haben sie Einfluss auf die Bildung von Eiskristallen und auf den Niederschlag. Durch Änderungen in Anzahlkonzentration oder anderer Eigenschaften der INP können sich Wolkenparameter wie Lebensdauer und Tröpfchendichte ändern, was weiter eine Ursache für Änderungen im globalen Strahlungshaushalt sein kann.
Der Anteil zum globalen Strahlungshaushalt durch „Wolken-Anpassungen aufgrund von Aerosolen“, stellt weiterhin die größte Unsicherheit des Strahlungsantriebes dar. Aus diesem Grund sind Messungen und Studien über atmosphärische Aerosole und INP notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Eiskeimzähler FINCH („fast ice nucleus chamber“) grundlegend überholt und für Messungen von INP optimiert. FINCH ist ein in-situ Eiskeimzähler der durch Mischung unterschiedlicher Luftströme eine Übersättigung der Probeluft mit Wasserdampf erzeugt, um auf diese Weise die zu untersuchenden Aerosolpartikel zu Eiskristallen wachsen zu lassen. Am Ende einer Wachstumskammer werden die Partikel durch eine Optik, dem FINCH-OPS, anhand von Streueigenschaften klassifiziert und ausgewertet. Um FINCH im erwarteten Umfang benutzen zu können, wurden am F-OPS der Laser und die zur Detektion des Streulichts benutzen Photomultiplier ersetzt. Weiter wurde die Software zur Detektion der Partikel neu entwickelt. Durch diese Änderungen ist es möglich Partikelanzahl, Partikelgröße sowie eine Information über die Form der Partikel abzuleiten. Über einen weiteren Photomultiplier im F-OPS ist es zudem möglich eine Information über Fluoreszenz des Partikels zu gewinnen, um so auf einen biologischen Ursprung des Partikels zu schließen. Vorangegangene Probleme durch elektromagnetische Einstrahlung und dadurch entstandene Inkonsistenzen während Messungen konnten im Rahmen dieser Arbeit identifiziert und ausgeschlossen werden. Ebenfalls konnten die zur Flusskühlung benutzen Wärmetaucher als Ursache für Verunreinigungen und Kontamination ausgemacht werden. Auch dieser, für Messungen ungeeignete Zustand, wurde im Rahmen dieser Arbeit behoben.
Ausführliche Charakterisierungsmessungen konnte die Funktionsfähigkeit des F-OPS, als einzelnes Messgerät ohne FINCH-Kammer, belegen. Durch Messungen mit einer steuerbaren Lichtquelle in der Optik konnte zudem die elektrische Verarbeitung sowie die Zählqualität der Optik verifiziert werden. Weiter kann durch diese Experimente gezeigt werden, dass mit dem F-OPS größenaufgelöst gemessen werden kann.
Auch in den ersten Streulichtexperimenten mit Testaerosol kann die Funktionsfähigkeit der Optik gezeigt werden. Für Partikelgröße von Dp > 400 nm wird eine Zähleffizienz von 25% eines TSI 3025 CPCs erreicht. Die über den F-OPS abgeleitete Partikelgröße kann durch Messungen mit monodispersen Aerosolpartikeln und einer parallelen Messung mit einem TSI 3330 OPS parametrisiert werden. Weiter kann die Fluoreszenz von ausgewählten Referenzstoffen gezeigt werden.
Im Betrieb von F-OPS hinter der FINCH-Kammer, also FINCH als Komplettsystem, wurden weitere Charakterisierungsmessungen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die Anzahlkonzentration der Partikel nach Schließen eines Ventils exponentiell abfällt. Die Partikel folgen demnach nicht nur einem laminaren Fluss durch die Kammer. 50% der Partikel haben nach ca. 13 s die Kammer verlassen. Auch wurde ermittelt, dass ca. 40% der Partikel in der Kammer verloren gehen.
Erste Aktivierungsexperimente zeigen, dass Eispartikel in der Kammer auf eine Größe von Dp > 6 µm anwachsen. Durch Nullfiltermessungen in Aktivierungsphasen, sowie Ändern des zur Aktivierung notwendigen feuchten Flusses, wird zudem gezeigt, dass die Aktivierung der INP durch Mischung erfolgt und außerdem keine Fremdpartikel aktiviert werden. Die neue Steuerung der Kammer lässt es zu Temperaturen in etwa einer Stunde gezielt anzusteuern. Es wird gezeigt, dass Schwankungen in der Sättigung hauptsächlich durch Temperaturphänomene beeinflusst werden.
Abschließend wurden beispielhaft Laborexperimente mit Snomax© durchgeführt, welche sehr gut mit Werten aus der Literatur verglichen werden konnten. Auch eine erste Außenluftmessung am Jungfraujoch (Schweiz) wird in dieser Arbeit präsentiert. Die gemessenen INP-Konzentrationen im gezeigten Zeitraum liegen zwischen 1,4 ± 4,1 L-1 und 53 ± 30 L-1 und entsprechen somit wiederum bekannten Literaturwerten.
Geoelektrische Methoden sind weit verbreitet und werden häufig zur Erkundung des oberflächennahen Untergrundes eingesetzt. Angewendet werden standardmäßig meist nur linienhafte Anordnungen der Sender- und Empfängerelektroden, die nur wenige Zehner Meter lang sind. Hierdurch haben diese Methoden nur geringe Eindringtiefen. Um größere Eindringtiefen und 3-dimensionale Informationen über den Untergrund zu erhalten, sind in der vorgestellten Studie die Empfänger- und Senderdipole in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen über das Untersuchungsgebiet verteilt worden. Mit jeder Empfängerstation sind kontinuierlich die elektrischen Spannungen in bis zu drei Richtungen aufgezeichnet worden. Für die Einspeisungen wurde ein Rechtecksignal verwendet, das sich gut von den Störfrequenzen und den natürlichen Spannungen abhebt. Die Richtungen der Einspeisedipole sind entsprechend den örtlichen Gegebenheiten, jedoch möglichst parallel zu den Messrichtungen, gewählt worden. Zur Auswertung der erhobenen Messdaten wurde ein Programmpaket entwickelt, das eine weitestgehend automatisierte Auswertung der Daten erlaubt. Die Bestimmung der scheinbaren spezifischen Widerstände und ihrer Messfehler wurde an den fouriertransformierten Datenzeitreihen durchgeführt. Hierdurch konnten Störeinflüsse minimiert werden und es wurde möglich selbst stark verrauschte Datensätze auszuwerten. Um die erhobenen Daten interpretieren zu können sind die berechneten scheinbaren spezifischen Widerstände als Grundlage für Inversionen und Modellstudien verwendet worden. Die oben beschriebene Methode wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit in zwei unterschiedlichen Messgebieten angewandt.
Messgebiet im Hohen Vogelsberg
Im Juli 2007 wurde damit begonnen, die Forschungsbohrung Sichenhausen-Eschwald im Hohen Vogelsberg abzuteufen. Ziel war es, Informationen über den strukturellen Aufbau des größten geschlossenen Vulkankomplexes Mitteleuropas zu gewinnen. Die Gesteinsansprache der Tiefbohrung lieferte bereits relativ früh Hinweise darauf, dass ein großer magmatischer Körper aufgeschlossen wurde.Aufgrund der begrenzten räumlichen Aussagekraft der Bohrung und fehlender Geländebefunde war es nicht möglich, den Mechanismus der Platznahme und die Größe des Körpers näher zu beschreiben. Die Kampagne hatte das Ziel diese Lücke zu schließen und ein 3-dimensionales Modell des Untergrundes zu erstellen.In dem annähernd quadratischen Untersuchungsgebiet, das eine Fläche von ca. 25 $km²$ aufweist, wurden 20 Datenlogger zur Aufzeichnung der elektrischen Spannungen aufgebaut. Die Empfängerdipole waren zwischen 20 m und 30 m lang. Insgesamt wurden 36 Stromeinspeisungen mit Stromstärken zwischen 28 A und 40 A an 16 unterschiedlichen Positionen für jeweils 2 bis 3 verschiedene Dipolrichtungen vorgenommen. Die Einspeisedipole waren zwischen 100 m und 300 m lang. Insgesamt konnten 1.439 scheinbare spezifische Widerstände berechnet werden.Die Ergebnisse der Modellierungen und der Inversion der Daten zeigen, dass mit der Forschungsbohrung ein domartiger Körper angebohrt wurde. Anhand der Ergebnisse kann die räumliche Ausdehnung des Körpers eingegrenzt und ein vorher noch nicht kartierter Gang nachgewiesen werden.
Messgebiet im Bereich der Kinzigtalsperre
Das etwa Ost-West verlaufende Kinzigtal bildet die naturräumliche und geologische Grenze zwischen dem vulkanischen Vogelsberg im Norden und dem, in diesem Bereich aus Sedimentgesteinen aufgebauten, Spessart im Süden.Die zwischen Steinau a. d. Str. und Bad Soden-Salmünster befindliche Kinzigtalsperre dient dem Hochwasserschutz und der Regulierung des Pegels der Kinzig bei Dürreperioden. Der aufgestaute See ist relativ flach und weist im Normalstau maximale Tiefen von ca. 6~m auf. Der Stausee ist jedoch über weite Teile etwa 4~m tief. In dieser Kampagne betrug der Abstand zwischen den einzelnen Empfängerstationen etwa 100 m bis 300 m. Es wurde aufgrund der beengten Platzverhältnisse eine Dipollänge von ca. 48 m für die Einspeise- und die Empfängerdipole im Messgebiet gewählt. Insgesamt wurden 14 Empfängerstationen im Messgebiet aufgebaut, von denen sich Neun auf dem Seegrund befanden. Das Messraster orientierte sich am vermuteten Verlauf der Kinzigtalstörung. An 8 Positionen sind in 21 Richtungen elektrische Ströme mit Stärken zwischen 2,2 A und 40 A in den Untergrund eingespeist worden. Es konnten 536 scheinbare spezifische Widerstände berechnet werden. Ziel war es, den Verlauf der Störung näher zu bestimmen und die Tiefe der im Untergrund vorhandenen salinären Grundwässer zu bestimmen. Die Bestimmung des Verlaufs der Kinzigtalstörung sowie die Tiefenbestimmung der salinären Grundwässer war mit den erhobenen Daten jedoch nicht möglich.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von regionalen Klimasimulationen für die Region Ostasien. Hierfür werden zwei verschiedene Modellierungsansätze verwendet. Der dynamische Regionalmodellierungsansatz, vertreten durch COSMO CLM (CCLM), und der statistische Modellierungsansatz, vertreten durch STARS. Die Simulationen erfolgten unter den Rahmenbedingungen des Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX). Beide Regionalmodelle wurden im Rahmen dieser Arbeit umfassend für die Region CORDEX-Ostasien kalibriert und evaluiert. Das statistische Modell STARS wurde hierbei erstmals auf kontinentaler Ebene angewendet. Auf Basis der kalibrierten Modelle wurden Projektionen der zukünftigen klimatischen Entwicklung der Region durchgeführt.
Zur Auswertung der einzelnen Kalibrierungsläufe wurde ein komplexes Evaluierungsschema, mit einem Gütekennzahlensystem basierend auf einer linearisierten Form der relativen Modelldifferenz, entwickelt. Neben den etablierten univariaten statistischen Kennwerten (Mittelwert, Varianz, Trend) enthält das Gütekennzahlensystem auch ein bivariates statistisches Maß, welches die zweidimensionalen Stichprobenverteilungen zweier Variablen (beispielsweise Temperatur und Niederschlag) bewertet.
Im Rahmen der Kalibrierung konnte ein Großteil des Parameterraums des statistischen Modells STARS systematisch untersucht werden. Es zeigte sich, dass nur wenige Parameter einen Einfluss auf die Simulationen haben. Die meisten Parameter zeigten eine geringe und teilweise unsystematische Beeinflussung. Es konnte zudem eine Schwachstelle des Modells in Bezug auf die Variablenkorrelationen identifiziert werden. Bei der Kalibrierung des dynamischen Regionalmodells CCLM zeigte sich, dass aufgrund der groben horizontalen Auflösung des Modells eine signifikante Verbesserung der Simulationen durch eine Anpassung der physikalischen Parametrisierungen erfolgen kann.
Im Rahmen einer abschließenden Evaluierung wurden beide Modelle hinsichtlich ihres räumlichen Bias, des simulierten Jahresgangs und der Abbildung des asiatischen Monsunphänomens untersucht. Im ersten Punkt ergab sich kein qualitativer Unterschied zwischen CCLM und STARS. Beide Modelle zeigen eine deutliche Überschätzung der 2m-Temperatur im Winter über dem nördlichen Teil CORDEX-Ostasiens und eine Überschätzung des Luftdrucks über dem Hochland von Tibet im Sommer. Unterschiede zwischen beiden Modellen ergaben sich hingegen beim simulierten Jahresgang.
In Bezug auf die Modellierung des Monsunphänomens zeigt CCLM eine Unterschätzung der Intensität des indischen Sommermonsuns und eine Überschätzung des Sommermonsuns über dem westlichen Nordpazifik. Das statistische Modell STARS zeigte eine Auffälligkeit bei der Simulation des Jahresgangs sowie der räumlichen und zeitlichen Entwicklung des Sommermonsuns. Aufgrund der Konzeption des Modells ergab sich in einzelnen Regionen eine systematische Deformation des Jahresgangs. Trotz der identifizierten Schwachstellen von CCLM und STARS, bilden beide Modelle das Klima über der Region CORDEX-Ostasien qualitativ ähnlich gut ab wie aktuelle Reanalysen (ERA-Interim).
Auf Basis der kalibrierten und evaluierten Modelle wurden Klimaprojektionen für einen nahen (2020-2046), mittleren (2041-2070), und späten (2071-2100) Projektionszeitraum unter den Emissionsszenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 durchgeführt. Aufgrund von Modellbeschränkungen begrenzen sich die Rechnungen des Modells STARS auf den nahen Projektionszeitraum und die Emissionsszenarien RCP2.6 und RCP4.5. Die Projektionen beider Modelle zeigen eine deutliche und statistisch signifikante Erhöhung der 2m-Temperatur über der gesamten Region mit einer stärkeren Erwärmung über dem Kontinent gegenüber dem Meer. Aufgrund der relativ großen interannulären Variabilität des Niederschlags und des Luftdrucks werden statistisch nicht signifikante Änderungssignale und teils widersprüchliche Änderungen für den nahen Projektionszeitraum simuliert. Für den späten Projektionszeitraum ergeben sich jedoch deutliche Änderungssignale in den Simulationen des Modells CCLM. Insbesondere über dem Hochland von Tibet wird für den Zeitraum von 2071-2100 eine Temperaturerhöhung von über 7.0°C simuliert. Der Luftdruck und der Niederschlag zeigen räumlich heterogene Änderungssignale. Die spezifische Ausprägung der Luftdruckänderungen deutet auf eine Abschwächung der indischen Sommermonsunzirkulation und eine deutlichen Intensivierung des Sommermonsun über dem westlichen Nordpazifik hin. Die Niederschlagsänderungen über dem ostasiatischen Monsungebiet lassen auf eine Entkopplung der östlichen Monsunsysteme schließen. Trotz der heterogenen Änderungssignale im Niederschlag wird in den meisten Regionen eine Zunahme der Intensität von Extremniederschlägen simuliert. Dies gilt selbst für Regionen mit einer simulierten Abnahme der jährlichen Niederschlagssumme wie Westindonesien.
Im Fokus der vorliegenden Arbeit standen die Landschaftsrekonstruktion und die Abschätzung der Mensch-Umwelt Wechselwirkungen im Umfeld der kupferzeitlichen (ca. 5. Jts. v. Chr.) Siedlung Magura Gorgana im heutigen Süd-Rumänien. Im Zuge der sedimentologischen Untersuchungen wurde deutlich, dass zur Zeit der kupferzeitlichen Besiedlung in der Donauaue ein Paläosee existierte, welcher sich nahezu über den gesamten Auenbereich im Untersuchungsgebiet erstreckte. Mit der Entdeckung des Paläosees ‚Lacul Gorgana‘ ergaben sich, durch die exzellenten Eigenschaften von Seesedimenten als Geoarchiv, neue Möglichkeiten zur Paläomilieurekonstruktion und zur Abschätzung von Mensch-Umwelt-Interaktionen. Bis etwa in das 8. Jt. v. Chr. war die Donau in diesem Gebiet durch ein fluviales System charakterisiert, welches vermutlich aus einer Vielzahl von Gerinnen bestand und einem ‚braided river‘ ähnelte. Während des 8. Jt. v. Chr. begann die Bildung des Paläosees ‚Lacul Gorgana‘. Die Gründe hierfür sind unbekannt, wenngleich ein Zusammenhang zum Anstieg des Schwarzmeerspiegels in diesem Zeitraum naheliegt. Spätestens ab dem 13. Jh. n. Chr. kommt es zur Aggradation- bzw. Verlandung des Paläosees ‚Lacul Gorgana‘. Infolge progradierender Zuflüsse wurde die einstige Seefläche in kleinere Seen fragmentiert. Dies dauerte bis zu den Trockenlegungsmaßnahmen in den 1960er Jahren an. Somit ist die Verlandung zum gegenwärtigen Zeitpunkt, zumindest theoretisch, noch nicht abgeschlossen. Die Ausprägung des rezenten Flussbettes der Donau begann spätestens mit der Verlandung des Paläosees, genaue chronologische Angaben sind jedoch anhand der aktuellen Datenlage nicht möglich. Auf der Grundlage geochemischer Untersuchungen geben die Sedimente des Paläosees ‚Lacul Gorgana‘ Hinweise auf alternierende Bedingungen bezüglich aerober und anaerober Akkumulationsmilieus. Dabei sind die aeroben Abschnitte durch einen höheren Anteil klastischen Materials, einem niedrigeren Anteil organischen Materials und allgemein helleren Sedimenten gegenüber den anaeroben, allgemein dunkleren Abschnitten gekennzeichnet. Die Gesamtheit der sedimentologischen Befunde, und der Vergleich mit Untersuchungen anderer Autoren in benachbarten Einzugsgebieten legen nahe, dass das alternierende Seemilieu in erster Linie durch Variationen der klimatischen Bedingungen im Einzugsgebiet der Donau verursacht wurde. Diese Variationen führten zur Veränderung der Stärke von Erosion und dem Charakter des erodierten Materials. Der hohe, zeitlich begrenzte Eintrag organisch gebundenen Phosphates in Bereichen der unteren Dunklen Lage, welcher weitestgehend zeitgleich zur neolithischen und kupferzeitlichen Besiedlung akkumuliert wurde und mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einer Eutrophierung des ‚Lacul Gorganas‘ führte, lässt sich vermutlich durch die menschliche Besiedlung der Uferzone des Sees in diesem Zeitraum erklären. Im Verlauf der Untersuchungen im Einzugsgebiet erwies sich der ‚Regionalisierungsansatz‘ als effektives und unabdingbares Werkzeug bei der Differenzierung der Seegenese. Diese Methode dient der Relativierung bzw. Abschätzung der raumzeitlichen Heterogenität des Akkumulationsmilieus anhand des Vergleiches von Sedimentstratigraphien bzw. Sedimentbohrkernen von unterschiedlichen Standorten innerhalb des Paläosees. So konnten die alternierenden Milieubedingungen innerhalb der Seesedimente deutlich als allgemeine und nicht nur als lokale Eigenschaft einzelner Bereiche des Paläosees Lacul Gorgana identifiziert werden. Daneben zeigte die Regionalisierung, dass die aeroben Bereiche nicht nur durch einen erhöhten klastischen Eintrag gekennzeichnet sind, sondern dass dieser auch in Richtung des nördlichen Litorals zunimmt. Dies spricht für eine Herkunft des Materials aus dieser Richtung und erlaubt eine räumlich differenzierte Betrachtung der Seegenese. Darüber hinaus ermöglicht der ‚Regionalisierungsansatz‘, die räumliche Variabilität bestimmter Parameter, beispielsweise des TOC/TN Anstiegs in Richtung Litoral, zu relativieren. Diese Relativierung trägt zum besseren Verständnis spezifischer Prozessabläufe bei. Während der Untersuchung wurde ebenfalls deutlich, dass das Geoarchiv Seesediment eine Vielzahl verschiedenster Signale unterschiedlichster Genese aus dem Einzugsgebiet und dem Gewässermilieu selbst als Proxy-Information speichert. Die Überlagerung dieser Signale innerhalb der Sedimentstratigraphie erschwert mitunter die Identifikation einzelner Prozesse oder Prozesskaskaden. In diesem Zusammenhang erweist sich der ‚Regionalisierungsansatz‘ erneut als sinnvolles Hilfsmittel, da über diesen eine Signaldifferenzierung erfolgen kann, unter der Annahme, dass es eher unwahrscheinlich ist, dass alle Signale in allen Bereichen des Milieus in gleicher Intensität vorliegen. Gerade für die Untersuchung sowohl allochthoner als auch autochthoner Ereignissedimentation ist jedoch die Differenzierung zur ‚Hintergrundsedimentation‘ unabdingbar für ein umfassendes Prozessverständnis.
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.
Ein Finite-Volumen-Modell des differentiell geheizten rotierenden Annulus wird verwendet, um die spontane Schwerewellenabstrahlung durch die großskalige, von baroklinen Wellen beherrschte Strömung zu untersuchen. Bei diesem Vorgang bilden barokline Wellen und der durch sie abgelenkte und verzerrte Strahlstrom, die sich näherungsweise im hydrostatischen und geostrophischen Gleichgewicht befinden, durch ihre Dynamik Ungleichgewichte aus, die sich als Schwerewellen ausbreiten. Neben der Anregung von Schwerewellen durch Prozesse wie Gebirgsüberströmung, Konvektion und Frontogenese, bildet dieser Vorgang vermutlich eine weitere wichtige Quelle von Schwerewellen in der Atmosphäre. Anders als für orographisch und konvektiv angeregte Schwerewellen gibt es für die spontane Schwerewellenabstrahlung bislang keine befriedigende Parametrisierung in Wettervorhersage- und Klimamodellen, die diesen Prozess nicht auflösen können. Die Durchführung von Messungen zur spontanen Schwerewellenabstrahlung in der Atmosphäre ist üblicherweise sehr aufwendig, sodass die Untersuchung dieses Vorganges in einem wiederholbaren und steuerbaren Laborexperiment reizvoll erscheint. Ob dafür möglicherweise das Experiment des differentiell geheizten rotierenden Annulus infrage kommt, untersuchen wir mit einem eigens dafür entwickelten numerischen Modell, dessen Tauglichkeit wir zunächst im Rahmen einer Validierung durch den Vergleich mit Labormessungen überprüfen. Damit die Ergebnisse zur Schwerewellendynamik im Annulus auf die Atmosphäre übertragbar sind, verwenden wir eine neue, atmosphärenähnliche Annuluskonfiguration. Im Gegensatz zu den klassischen Annuluskonfigurationen ist in der neuen Konfiguration die Brunt-Väisälä-Frequenz größer als der Coriolis-Parameter, sodass die Schwerewellen ein ähnliches Ausbreitungsverhalten zeigen sollten wie in der Atmosphäre. Deutliche Hinweise auf eine Schwerewellenaktivität in der atmosphärenähnlichen Konfiguration geben die horizontale Geschwindigkeitsdivergenz und eine Normalmodenzerlegung der kleinräumigen Strukturen der simulierten Strömung. Um der Herkunft der beobachteten Schwerewellen auf den Grund zu gehen, zerlegen wir die Strömung in den schwerewellenfreien quasigeostrophischen Anteil und den schwerewellenenthaltenden ageostrophischen Anteil. Bereiche innerhalb der baroklinen Welle, in denen ein erhöhter spontaner Antrieb des ageostrophischen Anteils durch die quasigeostrophische Strömung beobachtet wird, fallen mit Bereichen erhöhter Schwerewellenaktivität zusammen. Dies deutet darauf hin, dass die spontane Schwerewellenabstrahlung auch im Annulus zum Schwerewellenfeld beiträgt, sodass dieses Experiment als Labormodell dieser Schwerewellenquelle für deren weitere Erforschung geeignet erscheint.
Die Seismizität des nördlichen Oberrheingrabens (ORG) ist aufgrund seines Potentials für die geothermische Nutzung und der damit möglicherweise verbundenen seismischen Risiken von allgemeinem Interesse. Detaillierte Kenntnisse der natürlichen Seismizität erlauben Rückschlüsse auf aktive Störungszonen und Spannungsverhältnisse im Untergrund. Sie liefert außerdem wichtige Hintergrundinformationen für die Abschätzung einer möglichen induzierten Seismizität. Untersuchungen zur Charakterisierung der natürlichen Seismizität, des Spannungsfeldes und der seismischen Gefährdung des nördlichen ORG sind Hauptbestandteil dieser Arbeit, die innerhalb des BMU/BMWi-Projektes SiMoN (Seismisches Monitoring im Zusammenhang mit der geothermischen Nutzung des Nördlichen Oberrheingrabens) entstanden ist. Aufzeichnungen eines Netzwerkes aus 13 seismischen Stationen dienen als Datengrundlage zur Charakterisierung der Seismizität innerhalb eines etwa 50 x 60 km2 großen Areals im dichtbesiedelten Rhein-Main Gebiet. Untersuchungen der Rauschbedingungen zur Bewertung der Eignung der Stationsorte für das Aufzeichnen der natürlichen Seismizität lieferten bei den Stationen auf felsigem Untergrund sehr gute spektrale Eigenschaften, während alle Stationen im Sediment des ORG deutlich höhere Rauschanteile aufzeigten. Anhand systematischer Messungen in flachen Bohrlöchern konnten laterale und vertikale Variationen des seismischen Rauschens beschrieben werden und dadurch eine Verbesserung der Detektionsschwelle beobachtet werden.
Es werden die Ergebnisse des seismischen Monitorings für den Zeitraum November 2010 bis Dezember 2014 dargestellt. Die Detektionsschwelle für das Netzwerk liegt bei einer Lokalmagnitude von etwa 0,5, die Vollständigkeitsmagnitude beträgt Mc = 1,2. Seit Beginn der Datenaufzeichnung konnten 243 Erdbeben im unmittelbaren Bereich des Stations-netzwerkes mit Magnituden im Bereich zwischen ML = -0,5 und ML = 4,2 lokalisiert werden. Die Epizentren liegen hauptsächlich entlang der östlichen Grabenschulter und im Graben; entlang der westlichen Grabenschulter ist die seismische Aktivität deutlich geringer. Eine weitere aktive Region konnte entlang der südlichen Ausläufer des Taunus im Nordwesten des Untersuchungsgebietes identifiziert werden. Die Seismizität erstreckt sich bis in eine Tiefe von 24 km mit einem Maximum der hypozentralen Tiefenverteilung im Bereich von 12-18 km. Im Graben ist die Seismizität dabei auf die tiefere Kruste im Bereich von 9-24 km beschränkt. Das Fehlen von seismischer Aktivität in der oberen Kruste bis ca. 9 km Tiefe im Graben könnte auf eine aseismische Deformation in diesem Tiefenbereich hindeuten. Seit Mai 2014 konnte südöstlich von Darmstadt bei der Ortschaft Ober-Ramstadt zum ersten Mal seit fast 150 Jahren eine Schwarmbebenaktivität im Bereich des nördlichen ORG registriert werden. Die Hypozentren sind in zwei Cluster unterteilt, die räumlich voneinander getrennt sind und unterschiedliche Aktivitätsraten aufweisen. Die Herdtiefen liegen im Bereich von 1-8 km.
Zusätzlich zu den Daten des SiMoN Netzwerkes wurden Aufzeichnungen der regionalen Erdbebendienste in Herdflächenanalysen für insgesamt 58 Erdbeben einbezogen. Die Herdflächenlösungen weisen überwiegend Blattverschiebungen (Strike-slip-Mechanismen) auf. Auf- und Abschiebungen spielen nur eine untergeordnete Rolle. Die berechneten Herdmechanismen bestätigen, dass sich das Spannungsfeld des nördlichen ORG transtensional verhält, im Vergleich zu früheren Studien konnte jedoch eine deutlich ausgeprägte Blattverschiebungskomponente identifiziert werden. Zur Bestimmung der Hauptspannungsachsen wurde eine Inversion der Herdflächenlösungen durchgeführt und die Richtung der maximalen horizontalen Spannung, welche hauptsächlich in N135°E orientiert ist, bestimmt.
Aufbauend auf den neu gewonnen Erkenntnissen zur natürlichen Seismizität und zum Spannungsfeld des nördlichen ORG wurde eine probabilistische seismische Gefährdungsanalyse durchgeführt. Um Unsicherheiten in den seismischen Quellregion-modellen zu berücksichtigen, wurden sechs unterschiedliche Modelle entwickelt. Für jede Quellregion wurden spezifische Parameter bestimmt. Ihre Unsicherheiten werden in einem logischen Baum behandelt. Auf der Grundlage eines neu zusammengestellten Momentmagnituden-basierten Erdbebenkatalogs wurden die Magnitudenhäufigkeits-parameter bestimmt. Unter Berücksichtigung des tektonischen Regimes in jeder Quelle wurden unterschiedliche Dämpfungsrelationen der Bodenbeschleunigung verwendet. Zur Quantifizierung der maximal zu erwartenden Magnitude in jeder Quelle wurden Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen berechnet. Die Resultate der Gefährdungsanalyse werden in Form von Karten der Spektralbodenbeschleunigungen und Spitzenboden-beschleunigungen für Wiederkehrperioden von 475 und 2475 Jahren und Antwortbeschleunigungsspektren dargestellt. Im Vergleich zu früheren Studien konnte eine erhöhte seismische Gefährdung für den nördlichen ORG festgestellt werden.
Die Anwendung der WKB-Theorie zur Simulation der schwach nichtlinearen Dynamik von Schwerewellen
(2014)
Es ist schon seit Längerem bekannt, dass Schwerewellen die Zirkulation der mittleren Atmosphäre beeinflussen. Sie werden fast ausschließlich in der Troposphäre durch Prozesse wie Gebirgsüberströmung, Konvektionen, Frontogenese etc. erzeugt. Sie propagieren von ihrem Entstehungsort in der Troposphäre in die höheren Schichten der Atmosphäre und transportieren dabei ihre Energie und ihren Impuls. Unter der Voraussetzung, dass die Energie von Schwerewellen erhalten bleibt und die Dichte der Atmosphäre mit der Höhe exponentiell abnimmt, wächst die Amplitude der Schwerewellen so stark an, dass sie brechen und ihren Impuls in Stratosphäre und Mesosphäre deponieren. Als Folge davon beeinflussen Schwerewellen die großräumige Zirkulation der Atmosphäre und sind damit ein wichtiges Bindeglied, welches die Troposphäre mit anderen Atmosphärenbereichen verbindet. Folglich ist es wichtig, dass die Klima- und Wettermodelle in der Lage sind, die Schwerewellendynamik zu beschreiben. Bedauerlicherweise können diese Modelle nicht das komplette Schwerewellenspektrum auflösen. Somit müssen Schwerewellen in den Modellen parametrisiert werden. Viele Parametrisierungsschemen basieren auf Wentzel-Kramer-Brillouin(WKB)-Theorie. Die WKB-Gleichungen, die sogenannten Strahlengleichungen, beschreiben die räumliche und zeitliche Variation der Welleneigenschaften wie Wellenzahl, Wellenamplitude und Wellenfrequenz entlang der Charakteristiken, welche durch die lokale Gruppengeschwindigkeit vorgegeben sind. Die numerische Modelle, die auf den Strahlengleichungen basieren, werden als Strahlenmodelle bezeichnet. In Strahlenmodellen werden Schwerewellen durch Wellenteilchen dargestellt. Zur Zeit verwenden die Strahlenmodelle stationäre Strahlengleichungen, da die Wechselwirkung eines zeitabhängigen Schwerewellenfeldes mit einem zeit- und ortsabhängigen Hintergrund zu Problemen in Strahlenmodellen führen kann. Die Strahlengleichungen basieren auf der Annahme, dass sich nie zwei Wellenteilchen mit den unterschiedlichen Welleneigenschaften an einer Position befinden können. Wenn an einer Position zwei Wellenteilchen mit den unterschiedlichen Wellenzahlen befinden, entsteht sogenannte Kaustik: ein Punkt im Raum, an dem sich mehrere Charakteristiken kreuzen. Wenn eine Kaustik entsteht, kann die Wellenamplitude nicht mehr bestimmt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es mithilfe der WKB-Theorie die Ausbreitung von Schwerewellenpaketen in einer raum- und zeitabhängigen Hintergrundströmung zu beschreiben und ein numerisches Modell zu entwickeln, welches die Schwerewellen parametrisieren und ihre Wechselwirkung mit der raum- und zeitabhängigen Hintergrundströmung beschreiben kann.
Einfachheitshalber wird in dieser Arbeit nur die Wechselwirkung zwischen horizontal periodischen, vertikal lokalisierten Schwerewellenpaketen und der raum- und zeitabhängigen Hintergrundströmung betrachtet.