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Ob Klimawandel oder Luftverschmutzung: Die chemischen und physikalischen Prozesse in der Atmosphäre haben wichtige Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und Ökosysteme. Dabei ist die Atmosphäre mehr als ein Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf, Helium und Kohlenstoffdioxid. Es gibt zahlreiche Spurengase, deren Gesamtanteil am Volumen weniger als 1 % ausmacht. In dieser Arbeit werden Stickstoffoxide, Schwefeldioxid, Kohlenstoffmonoxid und Schwefelsäure näher betrachtet, die im Rahmen der flugzeugbasierten Messkampagne Chemistry of the Atmosphere: field experiment in Europe (CAFE-EU)/BLUESKY gemessen wurden.
Die Stickstoffoxide NO und NO2, als NOx zusammengefasst, besitzen hauptsächlich anthropogene Quellen, allen voran fossile Verbrennung und industrielle Prozesse. Zwischen NO und NO2 besteht ein photochemisches Gleichgewicht, sodass in der Atmosphäre vor allem NO2 in relevanten Konzentrationen vorkommt; dies wirkt aufgrund der Bildung von Salpetersäure, HNO3, in wässriger Lösung beim Einatmen ätzend und ist entsprechend gesundheitsschädlich. Troposphärisches Ozon, O3, wesentlicher Bestandteil von Sommersmog, wird hauptsächlich durch die Reaktion von NO mit Peroxiden (HO2 und RO2) gebildet. In der Stratosphäre entstehen NOx hauptsächlich durch die Photodissoziation von Lachgas, N2O, das aufgrund seiner langen Lebenszeit von der Tropo- in die Stratosphäre transportiert werden kann und dort die wichtigste Stickstoffquelle darstellt. In der Stratosphäre tragen NOx zum katalytischen Abbaumechanismus des Ozons bei (Bliefert, 2002; Seinfeld and Pandis, 2016).
Schwefeldioxid, SO2, ist ein toxisches Gas, dessen atmosphärische Quellen hauptsächlich anthropogen sind, nämlich fossile Verbrennung und industrielle Prozesse; Senken sind trockene und feuchte Deposition, wobei letztere zu saurem Regen führen kann. Seit den 1980ern sinken die globalen SO2-Emissionen. SO2 kann in der Atmosphäre zu Sulfat und Schwefelsäure oxidiert werden, was Hauptbestandteil des Wintersmogs ist. Der wichtigste Mechanismus ist die Oxidation mit dem Hydroxylradikal, OH˙, unter Beteiligung von Wasserdampf. In der Stratosphäre ist Carbonylsulfid, OCS, die wichtigste Schwefelquelle, da es analog zum N2O dank seiner langen Lebenszeit von der Tropo- in die Stratosphäre transportiert werden kann (Bliefert, 2002; Seinfeld und Pandis, 2016). Typische Konzentrationen von Schwefelsäure sind 105 cm–3 nachts und 107 cm–3 tagsüber in der Troposphäre sowie 105 cm–3 tagsüber in der Stratosphäre (Clarke et al., 1999; Weber et al., 1999; Fiedler et al., 2005; Arnold, 2008; Kürten et al., 2016; Berresheim et al., 2000).
Kohlenstoffmonoxid, CO, ist ein toxisches Gas, das zu gleichen Teilen durch direkte Emissionen (v.a. Biomasseverbrennung und fossile Verbrennung) und In-situ-Oxidation (v.a. von Methan, Isopren und industriellen Kohlenwasserstoffen) in die Atmosphäre gelangt. Die Hauptsenke ist die Reaktion mit OH˙ in der Troposphäre. Seit 2000 sinkt die globale CO-Konzentration (Bliefert, 2002).
Doch neben Gasen sind auch Aerosolpartikel fester Bestandteil des Gemisches Luft, welche luftgetragene feste oder flüssige Teilchen sind. Primäre Aerosolpartikel werden direkt als solche in die Atmosphäre emittiert, während sekundäre Aerosolpartikel in der Atmosphäre gebildet werden, indem gasförmige Vorläufersubstanzen mit geringer Flüchtigkeit auf primären Partikeln kondensieren oder durch Zusammenclustern und Anwachsen komplett neue Partikel bilden. Aerosolpartikel ermöglichen als Wolkenkondensationskeime erst die Bildung von Wolken und wirken somit – neben ihrem direkten reflektierenden Effekt – durch Änderung der Wolkenbedeckung und -eigenschaften insgesamt kühlend aufs Klima und beeinflussen die lokalen und globalen Wasserkreisläufe. Doch sie haben auch negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und sind für eine Verkürzung der durchschnittlichen Lebensdauer in Regionen mit hohen Feinstaubbelastungen verantwortlich (Seinfeld und Pandis, 2016; Bellouin et al., 2020; World Health Organization, 2016).
Neben den bisher betrachteten neutralen, also ungeladenen Gasen und Partikeln sind Ionen in der Gasphase sowie geladene Partikel ebenfalls Bestandteil der Atmosphäre. Sie spielen bei vielen atmosphärischen Prozessen eine wichtige Rolle, wie etwa bei Gewittern, Radiowellenübertragung und ionen-induzierter Nukleation von Aerosolpartikeln. Die Hauptquellen für Ionisation in der Tropo- und Stratosphäre ist die galaktische kosmische Strahlung, die entgegen ihrem Namen hauptsächlich aus Protonen und α-Partikeln (primäre Partikel genannt) besteht und in der Erdatmosphäre durch Kollision mit Luftmolekülen Teilchenschauer von sekundären Partikeln (u.a. Myonen, Pionen und Neutrinos) hervorruft. Die primären und sekundären Partikel können die Luftmoleküle ionisieren unter Entstehung von N+, N2+, O+, O2+ und Elektronen. Sauerstoff reagiert rasch mit letzteren zu O– und O2–. Diese Kationen und Anionen reagieren weiter, bis Ionenclustern der Summenformeln (HNO3)n(H2O)mNO3– und H+(H2O)n(B)m gebildet werden, wobei B Basen wie Methanol, Aceton, Ammoniak oder Pyridin sind. Weitere Ionisationsquellen sind der Zerfall des Radioisotops 222Rn in Bodennähe und ionisierende Solarstrahlung oberhalb der Stratosphäre. Atmosphärische Ionen haben zwei wichtige Senken: die Wiedervereinigung, auch Rekombination genannt, bei der sich ein Kation und ein Anion gegenseitig neutralisieren sowie das Anhaften an Aerosolpartikeln. Letztere Senke ist vor allem in der Troposphäre aufgrund der relativ hohen Konzentration an Aerosolpartikeln relevant (Arnold, 2008; Viggiano und Arnold, 1995; Bazilevskaya et al., 2008; Hirsikko et al., 2011).
In dieser Dissertation wird die Parametrisierung von subgitterskaligen (SGS) Prozessen in Atmosphärenmodellen untersucht. Die Arbeit befasst sich mit den stochastisch angetriebenen Flachwassergleichungen, im ersten Teil in einer räumlichen Dimension und im zweiten Teil in zwei Dimensionen. Die Einteilung in aufgelöste und SGS-Variable erfolgt in beiden Fällen über lokale räumliche Mittel der Ursprungsvariable und deren Abweichungen vom lokalen Mittel.
Im eindimensionalen Fall liegt zwischen den Variablen eine deutliche Separation der charakteristischen Zeitskalen vor, wodurch die Anwendung der stochastischen Moden Reduktion (SMR) ermöglicht wird. Die SMR generiert ein reduziertes Modell der aufgelösten Variable mit einer stochastischen SGS-Parametrisierung, im Folgenden auch Schließung genannt. Die SMR-Schließung basiert auf den Grundgleichungen des Flachwassermodells und ist numerisch effizient einsetzbar, da sie nur eine geringe Anzahl von benachbarten Zellen koppelt. Sie verbessert die Ergebnisse des reduzierten Modells und übertrifft die Ergebnisse zweier zum Vergleich untersuchter empirischer stochastischer Schließungen. Den größten Zugewinn liefert sie im Energiespektrum, insbesondere für kleine Skalen. Das Ergebnis der SMR-Schließung kann verbessert werden, indem die Amplitude der stochastischen Schließungskomponente gedämpft wird. Die SMR-Schließung ist skalenabhängig im Sinne der räumlichen Modellauflösung. Untersucht wird die Schließung bei Halbierung und Viertelung der räumlichen Auflösung, wo sie ihre Überlegenheit gegenüber den empirischen Schließungen wiederholt bestätigt.
Im Unterschied zum eindimensionalen Fall ist in zwei Dimensionen auch die Corioliskraft enthalten und eine räumliche Divergenz der Schwerewellen möglich. Zwischen der aufgelösten und der SGS-Variable kommt es erneut zu einer Separation der charakteristischen Zeitskalen. Die Separation ist allerdings weniger stark ausgeprägt als im eindimensionalen Fall. Grund hierfür ist das Auftreten einer lang korrelierten geostrophisch balancierten Mode, welche auch auf die SGS-Variable projiziert. Das Vorgehen zur Bestimmung der SMR-Schließung für das zweidimensionale Modell verläuft analog zum eindimensionalen Fall. Es werden die Ergebnisse des hoch aufgelösten Referenzmodells und zweier Modelle ohne SGS-Schließung verglichen.
In this dissertation, different aspects of turbulent transport and thermally driven flows over complex terrain are investigated. Two publications concentrate on the vertical heat and moisture exchange in the convective boundary layer over mountainous terrain. To study this, Large-Eddy Simulation (LES) is used. Both turbulent and advective transport mechanisms are evaluated over the simple orography of a quasi-two-dimensional, periodic valley with prescribed surface fluxes. Here, terrain elevation varies along only one of the horizontal coordinate axes. Even a relatively shallow orography, possibly unresolved in existing numerical weather prediction models, modifies the domain-averaged moisture and temperature profiles. For the analysis, the flow is decomposed into a local turbulent part, a local mean circulation, and a large-scale part. An analysis of the turbulent kinetic energy and turbulent heat and moisture flux budgets shows that the thermal circulation significantly contributes to the vertical transport. It is found that thermal upslope winds are important for the moisture transport from the valley to the mountain tops. In total, moisture export out of the valley is mostly accomplished by the mean circulation. On the temperature distribution, which is horizontally relatively homogeneous, the thermal circulation has a weaker impact. If an upper-level wind is present, it interacts with the thermal circulation. This weakens the vertical transport of moisture and thus reduces its export out of the valley. The heat transport is less affected by the upper-level wind because of its weaker dependence on the thermal circulation. These findings were corroborated in a more realistic experiment simulating the full diurnal cycle using radiation forcing and an interactive land surface model.
Based on these results, coherent turbulent structures in the convective boundary layer over non-flat terrain are studied in further detail. A conditional sampling method based on the concentration of a decaying passive tracer is implemented in order to identify the boundary-layer plumes objectively. Conditional sampling allows to quantify the contribution of plume structures to the vertical transport of heat and moisture. In case of the idealized valley, vertical transport by coherent structures is the dominant contribution to the turbulent components of both heat and moisture flux. It is comparable in magnitude to the advective transport by the mean slope-wind circulation, although it is more important for heat than for moisture transport. A set of less idealized simulations considers the flow over three-dimensional terrain. In this case, conditional sampling is carried out by using a simple domain-decomposition approach. We demonstrate that thermal updrafts are generally more frequent on hill tops than over the surroundings, but they are less persistent on the windward sides when large-scale winds are present in the free atmosphere.
The tools for flow decomposition and budget analysis are also applied in another idealized case with a quasi-two-dimensional valley featuring the stable boundary layer. Here, the formation of a low stratus cloud is investigated. The main driver for the cloud formation is radiative cooling due to outgoing longwave radiation. Despite a purely horizontal flow, the advection terms in the prognostic equations for heat and moisture produce vertical mixing across the upper cloud edge leading to a loss of cloud water content. However, this behavior is not due to any kind of thermally-driven circulation. Instead, this spurious mixing is caused by the diffusive error of the advection scheme in regions where the sloping surfaces of the terrain-following vertical coordinate intersect the cloud top. It is shown that the intensity of the (spurious) numerical diffusion strongly depends on the horizontal resolution, the order of advection, and the choice of the scalar advection scheme. A LES with 4 m horizontal resolution serves as a reference. For horizontal resolutions of a few hundred meters, carried out with a model setup as it is used in Numerical Weather Prediction, a strong reduction of the simulated liquid-water path is observed. In order to keep the (spurious) numerical diffusion at coarser resolutions small, at least a fifth-order advection scheme should be used. In the present case, a WENO scalar advection scheme turns out to increase the numerical diffusion along a sharp cloud edge compared to an upwind scheme. Furthermore, the choice of the vertical coordinate has a strong impact on the simulated liquid-water path over orography. With a modified definition of the terrain-following sigma coordinate, it is possible to produce cloud water where the classical sigma coordinate does not allow any cloud formation.
Das Wissen über die Wolkenmikrophysik und die Wechselwirkung zwischen Niederschlag und Aerosol ist ein wichtiger Baustein zur Optimierung von Klima- und Wettermodellen. Ein Großteil des Niederschlags in den mittleren Breiten fällt aus Mischphasenwolken, die aus unterkühlten Tröpfchen und Eispartikeln bestehen. Die Eispartikel bilden sich an speziellen Aerosolpartikeln, die als Eiskeime (INP) wirken können. Die Wahrscheinlichkeit eines Aerosols als Eiskeim zu wirken, nimmt mit abnehmender Temperatur und steigender Wassersättigung zu. Mineralstaubpartikel sind die häufigsten Eiskeime, die ab Temperaturen ≤−15°C aktiv sind, biologische Partikel wirken schon bei wärmeren Bedingungen. Große Wissenslücken bestehen noch bei der globalen Konzentration von Eiskeimen, inklusive deren geographischer und jahreszeitlicher Variabilität.
Im Zentrum der Experimente, die für diese Arbeit durchgeführt wurden, steht der Eiskeimzähler FRIDGE (Frankfurt Ice Deposition Freezing Experiment). Je nach Aufbau und Anwendung des Instruments werden zwei verschiedene Ansätze zur Aktivierung von Eiskeimen verfolgt. Die ursprüngliche und namensgebende Methode in Form einer Vakuum-Diffusionskammer wurde zur Untersuchung von Eisnukleation via Depositionsgefrieren (an INP_D) entwickelt (Klein et al., 2010). Danielczok (2015) nutzte einige Bestandteile des Analysegeräts, um auch Immersionsgefrieren (an INP_I) in Form von Tröpfchengefrieren à la Vali (1971) zu studieren. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Anwendungsmöglichkeit von FRIDGE weiterentwickelt. Ein zentraler Schritt war dabei die präzise Charakterisierung des Gefrierverhaltens von Tröpfchen aus Reinstwasser ohne zusätzliches Aerosol. Die Einbeziehung dieses sogenannten Hintergrundgefrierens, das für jedes Instrument und Messverfahren spezifisch ist, ermöglichte es, die Minimaltemperatur, für die zuverlässige Ergebnisse produziert werden können, von −22°C auf −29°C herabzusetzen. Der dadurch hinzugewonnene Temperaturbereich ist für Eisnukleation in Mischphasenwolken äußerst relevant.
Beide Anwendungsmethoden wurden im Rahmen des Fifth International Workshop on Ice Nucleation – Phase 2 (FIN-02) sowie bei einer weiteren Kampagne zur Messung von Eisnukleation an Cellulosepartikeln mit über zwanzig anderen Eiskeimzählern verglichen. Mit FRIDGE als Diffusionskammer wurde für die Mehrheit der untersuchten Aerosoltypen eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den anderen Instrumenten beobachtet. Die Experimente mit gefrierenden Tröpfchen in FRIDGE erzielten ausnahmslos Ergebnisse, die inmitten der Werte der anderen Instrumente lagen. Die erfolgreiche Validierung – besonders der neuen Anwendungsmethode – war das erste Ziel dieser Arbeit und die notwendige Voraussetzung für die anschließenden Feldmessungen.
Atmosphärische Eiskeimkonzentrationen wurden in mehrwöchigen Feldmesskampagnen an drei sehr unterschiedlichen Orten und atmosphärischen Bedingungen untersucht: an der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch (JFJ), am Storm Peak Laboratory (SPL) in den Rocky Mountains und am Cyprus Atmospheric Observatory (CAO) in Zypern. Am JFJ wurde eine INP-Konzentration beobachtet, die um den Faktor 20 niedriger als an den anderen beiden Stationen war. Der Grund dafür war, dass sich das Jungfraujoch die meiste Zeit der Messungen in der freien Troposphäre befand. Dementsprechend waren die Bedingungen an der Station von aerosolpartikelarmer Luft mit wenigen Eiskeimen geprägt. An zwei Standorten wurde Mineralstaub als ein Parameter, der die lokale INP-Konzentration positiv beeinflusst, identifiziert. Sowohl am JFJ als auch am CAO erhöhte ferntransportierter Saharastaub die INP-Konzentration.
Die Kombination der zwei Analysemethoden, die Aerosolproben aus derselben Luft entweder in trockenem Ausgangszustand oder in Tröpfchen suspendiert untersuchen, offenbarte eine interessante Eigenschaft der INP. Es herrschte eine offensichtliche Parallelität von INP_D- und INP_I- Konzentrationen. Bei fast allen Messungen waren INP_I etwa 10-mal häufiger als INP_D. Die Aussage trifft gleichermaßen auf sehr niedrige Konzentrationen am JFJ wie auch auf hohe Konzentrationen am SPL und CAO zu. Die einzige Ausnahme bilden Cellulosepartikel. Daraus lässt sich schließen, dass INP_D und INP_I dieselben Partikel sind, die je nach Aktivierungskonditionen Eisnukleation unterschiedlich effektiv hervorrufen.
During the last decades mammalian intracranial structures like the ethmoidal region have rarely been a focus of morphological studies, as they required invasive techniques. Contrary, the ontogeny of the fetal nasal capsule could easily be investigated based on histological material. Since the early 21st century modern imaging techniques like high-resolution computed tomography (μCT) reveal non-destructive insights into the mammalian skull. Furthermore, visualization software enables the virtual reconstruction of the tissues and additionally their morphometric analyses. However, the use of morphometric approaches on the nasal cavity is still scarce. Moreover, the turbinal skeleton is generally regarded as a unit, or the rostral respiratory part is compared to the caudal olfactory part; but the distinct olfactory turbinals have been considered only in a few studies.
The present study focuses on the highly diverse facial shape of the dog (Canis lupus familiaris) that evolved during domestication. Due to human-controlled breeding and care the natural selective pressure in prehistoric dogs has been replaced continually by artificial selection. As a consequence, harmful mutations on gene loci which e.g., control facial length growth got fixed within an extremely short time. According to veterinarian studies the turbinals of short snouted breeds continue their growth after the elongation of the facial bones has stopped prematurely. However, such investigations are based on low-resolution CT or MRT data and the morphological descriptions are vague. Referring to the elongation of the face in dolichocephalic breeds no former study has dealt with the detailed morphology of their turbinal skeleton so far.
The current study is based on comparative anatomical, morphometric, morphofunctional, and ontogenetic patterns of the dog’s turbinal skeleton. The 32 macerated skulls and four histological serial sections represent eleven breeds which cover different snout lengths (brachycephalic, mesaticephalic, dolichocephalic; according to two length indices), functional groups (scent hound, sighthound, companion/toy), and breeding histories (ancient pure-breeding associated with an unchanged appearance, modern time fashion breeding). The nasal cavity of the selected skulls was μCT-scanned and virtual 3D models of the turbinal skeleton were reconstructed. The breeds have been compared with each other in their number of olfactory turbinals, in the morphology of all turbinals and the lamina semicircularis as well as in their morphometrics and ontogeny. Based on morphological and ontogenetic patterns a new terminology of the interturbinals was established. The morphometric data covers the measurement of the relative turbinal surface area (IAT) and the calculation of the surface density (SDEN) and the turbinal complexity (TC). For the latter parameter a new morphometric approach was developed. For the ontogenetic comparison histological serial sections of perinatal dog stages have been consulted. As the dog’s ancestor macerated skulls of three adult Eurasian wolves (Canis lupus lupus) function for outgroup comparison and represent the grundplan with which the breeds are compared.
The results support former studies concerning a species-specific number of the fronto- and ethmoturbinals: in the Eurasian wolf and all postnatal dogs under study three ethmoturbinals and three frontoturbinals are observed. Additionally, two types of interturbinals are distinguished, namely four prominent interturbinals which are present in nearly all individuals and show a homologous pattern, and a variable number of additional interturbinals which differ in their shape among the dogs. Generally, longer snouted breeds have more additional interturbinals, so the total number of olfactory turbinals is increased to a maximum of 16 in the borzoi, whereas several short snouted breeds have only nine olfactory turbinals due to the loss of additional interturbinals and one prominent interturbinal. Regarding ontogeny the growth of the respiratory and the olfactory turbinals and the lamina semicircularis is highly associated with the growth of the facial bones after birth. As the viscerocranium of brachycephalic breeds is subjected to a postnatal growth inhibition the ethmoidal region stops growing prematurely, too. The turbinals of both functional parts develop less accessory lamellae that results in the reduction of the three morphometric parameters IAT, SDEN, and TC. The increase of all these three parameters with increasing snout length proves a correlation between both variables in the maxilloturbinal, all olfactory turbinals, and the lamina semicircularis in the dog. With the help of the perinatal dog stages plesiomorphic patterns which are present in all adult specimens (e.g., separation of ethmoturbinal I into two laminae, the presence of the uncinate process) were distinguished from less established morphological traits which get preferably reduced in association with brachycephaly (e.g., the anterior process of the posterior lamina of ethmoturbinal I, the caudal processes of frontoturbinal 1 and 2 within the frontal sinus due to the latter’s reduction). Obviously, the driving mechanism behind these and further variations are mutations on gene loci which control ontogenetic processes: the in other studies already described postnatal growth inhibition in the dermal bones of the midface of brachycephalic breeds seems to have a similar effect on the ethmoidal region. The results of the present study serve as basis for the evaluation how far the bony turbinals’ morphology, morphometrics, and ontogeny might be associated with physiological, genetic, neurological, and phylogenetic patterns. Additionally, the growth patterns of the hard tissues need to be compared to those of the soft tissues (i.e. the nasal epithelium).
As part of two drilling campaigns of the International Continental Scientific Drilling Program (ICDP), several geophysical borehole measurements were carried out by the Leibniz Institute for Applied Geophysics (LIAG) in two lakes. The acquired data was used to answer stratigraphic and paleoclimatic research questions, including the establishment of robust age-depth models and the construction of continuous lithological profiles.
Lake Towuti is located on Sulawesi (Indonesia), within the "Indo-Pacific Warm Pool" (IPWP), a globally important region for atmospheric heat and moisture budgets. The lake exists for approximately one million years, but its exact age is uncertain. We present the first agedepth model for the approximately 100 m continuous sediment sequence from the central part of the lake. The basis for this model is the magnetic susceptibility measured in the borehole and a tephra layer with an age of about 797 ka at 72 m depth. Our age-depth model is inferred from cyclostratigraphic analysis of borehole data and covers a period from 903 ± 11 to 131 ± 67 ka. We suggest that orbital eccentricity and/or changes between global cold and warm periods are responsible for hydroclimatic changes in the IPWP, that these changes affect sedimentation processes in Lake Towuti, and that we can measure and observe this effect in the sediment properties today. Additionally, we created a continuous artificial lithological profile from a series of different borehole data using cluster analysis. This provides information from parts of the borehole where no sediment is available due to core loss.
Lake Ohrid is 1.36 million years old and is located on the Balkan Peninsula on the border between Albania and North Macedonia. The primary hole 'DEEP' in the central part of the lake has been the subject of several investigations, but information about sediments of the marginal locations 'Pestani' and 'Cerava' have not been published yet. In our study, we use natural gamma radiation (GR) measured in the borehole to generate an age-depth model for DEEP. This is performed using the correlation of GR to the global LR04 reference record of Lisiecki and Raymo (2005).
The age information is then transferred via prominent seismic marker horizons to the other two sites, Pestani and Cerava, where it provides the first age-control points for the construction of age-depth models from correlation of GR to LR04. The generated age-depth models are tested using cyclostratigraphic methods, but the limits of this approach are revealed. At DEEP, sedimentation rates (SR) from the cyclostratigraphic method and the correlative approach differ by 2.8 %, at Pestani this difference is 16.7 %, and at Cerava the quality of the data does not allow a reliable evaluation of SR using the cyclostratigraphic approach. We used cluster analysis to construct artificial lithological profiles at all three sites and integrated them into the respective age-depth models. This enables us to determine which sediment types were deposited at what time, and we recognize the change between warm and cold periods in the sediment properties at all three locations. The analyses in this study were all performed on borehole and seismic data and thus do not involve sediment core data. Especially at Pestani and Cerava, new insights into the sedimentological history of Lake Ohrid could be obtained.
In the last part we discuss the occurrence of the half-precession (HP) signal in the European region during the last one million years. The focus is on Lake Ohrid, but a range of other proxies, from the eastern Mediterranean, across the European continent, up to Greenland are analyzed in regards to HP. Applying filters, we focus on the frequency range with a period of 13-8.5 ka and only HP remains in the records. We use correlative methods to determine the clarity of the HP signal in proxies distributed across the European realm. Additionally, we determined the development of HP over time. The HP signal is clearest in the southeast and decreases toward the north. It is further more pronounced in interglacial periods and in the younger part (<621 ka) of most proxies. We suggest that there are mechanisms that transmit the HP signal from its origin near the equator to higher latitudes via different processes. In this context, for instance, the African monsoon, the Nile River and the Mediterranean outflow via the Strait of Gibraltar can be important factors.
Upper mantle shear zones are complex systems where deformation is commonly closely interacting with metamorphic (solid-solid) and/or melt/fluid-rock reactions. Here, feedback processes between deformation, reactions, grain size reduction and phase mixing result in strain weakening and the localization of deformation. The expression of these interlinked processes is portrayed by the microfabrics of strained peridotites and pyroxenites. The present thesis is focusing on these processes and their impact on the deformation in three upper mantle shear zones situated in the peridotite massifs of Lanzo (Italian Alps), Erro-Tobbio (Italian Alps) and Ronda (Betic Cordillera, Spain). In all three shear zones, the presence of melt led to phase mixing either by interstitial crystallization of pyroxenes from a Si-saturated and partially also highly evolved melt or by melt-rock reactions of pyroxene porphyroclasts with a Si-undersaturated melt. The effect of melt on the localization of strain is twofold and variable. Enhanced deformation by melt-wetted boundaries is assumed for all shear zones. Additionally, phase mixing by crystallization of interstitial pyroxenes or melt-rock reactions reduce or maintain the grain size by the formation of fine grained neoblasts and secondary phase boundary pinning. In this regard, pre- to early syn-kinematic, map-scale percolation of OH-bearing, evolved melts in the NW Ronda peridotite massif and the associated crystallization of interstitial pyroxenes result in the activation of grain size sensitive deformation mechanisms in the entire melt-effected area. In the rocks collected at Erro-Tobbio, syn-kinematic melt-rock reactions of pyroxene porphyroclasts and Si-undersaturated melt led to the formation of ultramylonitic neoblast tails (grain size ~10 μm). Compared to the adjacent coarser-grained olivine-dominated matrix, the activation of diffusion creep led to an increase in the strain rate by an order of magnitude within interconnected ultramylonitic layers. Strain localization and softening in ultramylonitic layers are also documented in the Lanzo samples. Neoblast tails of pyroxene porphyroclasts were likewise identified as their precursor. The phase assemblage of the tails, including ortho- and clinopyroxene, olivine, plagioclase, and spinel (± amphibole), and their geochemical trends suggest, unlike in Erro-Tobbio, a formation by continuous net-transfer reactions enhanced by the spinel lherzolite to plagioclase lherzolite transition.
The new results obtained from the three studied shear zones underscore the importance of reactions for the interlinked processes of grain size reduction, phase mixing, strain localization and strain softening in upper mantle shear zones. Concerning strain localization, the nature of the reaction (solid-solid, melt/fluid-rock) seems to play a subordinate role compared to its timing. Pre- to early syn-kinematic melt-triggered reactions result in strain localization along map-scale shear zones. Late stage syn-kinematic melt-rock or metamorphic reactions under high stress conditions are capable of localizing the deformation along discrete, sub-centimeter thick ultramylonites.
The weather of the atmospheric boundary layer significantly affects our life on Earth. Thus, a realistic modelling of the atmospheric boundary layer is crucial. Hereby, the processes of the atmospheric boundary layer depend on an accurate representation of the land-atmosphere coupling in the model. In this context the land surface temperature (LST) plays an important role. In this thesis, it is examined if the assimilation of LST can lead to improved estimates of the boundary layer and its processes.
To properly assimilate the LST retrievals, a suitable model equivalent in the weather prediction model is necessary. In the weather forecast model of the German Weather Service used here, the LST is modelled without a vegetation temperature. To compensate for this deficit, two different vegetation parameterizations were investigated and the better one, a conductivity scheme, was implemented. In order to make optimal use of the influence of the assimilation of the LST observation on the model system, it is useful to pass on the information of the observation to land and atmosphere already in the assimilation step. For that reason, a fully coupled land-atmosphere prediction model was used. Therefore, the existing control vector of the assimilation system, a local ensemble transform Kalman filter, was extended by the soil temperature and moisture. In two-day case studies in March and August 2017, different configurations of the augmented assimilation system were evaluated based on observing system simulation experiments (OSSE).
LST was assimilated hourly over two days in the weakly and strongly coupled assimilation system. In addition, every six hours a free 24-hour forecast was simulated. The experiments were validated with the simulated truth (a high-resolution model run) and compared against an experiment without assimilation. It was shown that the prediction of the boundary layer temperature, especially during the day, and the prediction of the soil temperature, during the whole day and night, could be improved.
The best impact of LST assimilation was achieved with the fully coupled system. The humidity variables of the model benefited only partially from the LST assimilation. For this reason, covariances in the model ensemble were investigated in more detail. To check their compatibility with the high-resolution model run the ensemble consistency score was introduced. It was found that the covariances between the LST and the temperatures of the high-resolution model run were better represented in the ensemble than those between the LST and the humidity variables.
Im Sinne einer nachhaltigen Stadt- und Verkehrsentwicklung verspricht das Konzept autoreduzierter Quartiere, die Autonutzung und den Autobesitz der Bewohnenden zu verringern sowie deren autounabhängige Mobilität zu fördern. Der Forschungsstand zeigt indes, dass nicht automatisch davon auszugehen ist, dass die gelebte Praktik der Planungsvision entspricht, da die Mobilität nicht nur von oben herab geplant, sondern auch von unten, also den Bewohnenden selbst sowie den Mobilitätskontexten, geprägt ist.
Anhand zweier autoreduziert entwickelter Quartiere in Darmstadt verfolgt die Arbeit deshalb das Ziel, mittels eines planungskritischen Ansatzes zunächst die Narrative autoreduzierter Quartiere zu identifizieren, um die Planungsvision zu ergründen. Des Weiteren werden mithilfe eines biographisch inspirierten, praxistheoretischen Ansatzes die mobilitätsbezogenen Praktiken autoreduzierter Quartiere sowie etwaige Veränderungen dieser nach dem Wohnortwechsel analysiert, um das Verständnis der Alltagsmobilität und deren Wandel zu verbessern sowie Potenziale und Grenzen der Umsetzung solcher Quartierskonzepte zu ermitteln. Abschließend soll der Vergleich beider Perspektiven dazu beitragen, besser zu verstehen, was eine nachhaltige Stadt- und Verkehrsgestaltung sowie eine autounabhängige Mobilität und ein autofreies Leben unterstützt bzw. behindert.
Zur Identifikation der Narrative wurden Expert*inneninterviews mit verschiedenen Personen durchgeführt, die am Planungs- und Umsetzungsprozess beider Quartiere beteiligt waren. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Entwicklung autoreduzierter Quartiere (i) bewusst in die Nachhaltigkeitsdebatte eingebettet und (ii) von Machtverhältnissen geprägt ist sowie (iii) normativen Indikatoren folgt und (iv) deren Planungsideale im Kontrast zur gelebten Realität stehen können.
Zur Analyse der mobilitätsbezogenen Praktiken sowie der Veränderungen derselben wurden Bewohnende qualitativ interviewt. Dabei zeigt sich, dass der materielle Kontext eines autoreduzierten Quartiers sowie die persönlich-zeitlichen und soziokulturellen Kontexte der Mobilitätspraktiken die Autounabhängigkeit der Bewohnenden stabilisieren und fördern. Behindert wird sie dagegen vom materiellen Kontext außerhalb der Quartiere, der Verwobenheit des Autofahrens mit anderen Alltagspraktiken sowie der affektiven Zufriedenheit mit der Autonutzung und dem Autobesitz.
Aus dem Vergleich beider Erhebungen und damit der Gegenüberstellung der Planungsvision mit der gelebten Praktik lässt sich schlussfolgern, dass trotz feststellbarer Unterschiede die Realität im autoreduzierten Quartier größtenteils dem Ideal einer autounabhängigen Mobilität entspricht. Dagegen erweisen sich ein autofreies Leben und die Parkrestriktionen weiterhin als kontroversere Themen. Schließlich offenbart die Arbeit sowohl Veränderungen in der Mobilitätsgestaltung von oben als auch in der Mobilitätspraktik von unten, gleichzeitig aber auch persistente automobile Abhängigkeiten, weshalb sie im Sinne der Verkehrs- und Mobilitätswende einen kontinuierlichen materiellen und immateriellen Wandel fordert.
Eiskeime (INP) sind Aerosolpartikel, die das Entstehen von Eiskristallen in der Atmosphäre zwischen 0 und -37°C ermöglichen, indem sie die zur Ausbildung der Eisphase nötige Energie gegenüber einem reinen Wassersystem stark herabsetzen. Dabei sind aktive Stellen auf der Oberfläche dieser Partikel für die erste Nukleation von Eis verantwortlich. In der Folge können die Eiskristalle zulasten von verdunstenden Wasserdampfmolekülen und Wassertröpfchen weiter anwachsen. Über Eismultiplikationsprozesse zersplittern und vervielfältigen sich die Eiskristalle und wachsen über Bereifung schließlich zu einer kritischen Größe heran, wodurch sie als Niederschlag zu Boden fallen können. Auch wenn der Anteil der zur heterogenen Eisnukleation fähigen Aerosole vergleichsweise gering ist, spielen INP eine entscheidende Rolle für die Entwicklung von Niederschlag und nehmen Einfluss auf Strahlungsprozesse, indem sie auf die Phase der Wolken und damit auf deren Strahlungseigenschaften einwirken. Viele Fragen im Forschungsgebiet der heterogenen Eisnukleation sind jedoch weiterhin nicht hinreichend genau geklärt. Ohne eine verbesserte Kenntnis von Konzentrationen, geographischer und vertikaler Verteilung, sowie zeitlicher Variation, Quellen und Natur von INP, sind noch vorhandene Wissenslücken im Strahlungsantrieb durch Wechselwirkungen von Aerosolen und Wolken nur zu einem gewissem Grad zu reduzieren. Dies ist nötig, um aktuelle Beobachtungsdaten der sich erwärmenden Atmosphäre besser verstehen und die zukünftigen Änderungen des Klimas sicherer vorhersagen zu können. In dieser Arbeit wird die Vakuumdiffusionskammer FRIDGE verwendet, um atmosphärische INP-Konzentrationen zu bestimmen. Aerosolpartikel werden dabei in einem ersten Schritt auf einem Silicium-Probenträger elektrostatisch niedergeschlagen. Die Effizienz des Sammelprozesses, also der Anteil der Partikel die tatsächlich auf dem Si-Substrat abgeschieden werden, wurde mittels zweier unabhängiger Methoden auf etwa 60% bestimmt. In einem zweiten Mess-Schritt werden die Proben in FRIDGE typischen Bedingungen von Mischphasenwolken ausgesetzt, wodurch Eiskristalle an den INP aktiviert werden und im Verlauf einer Messung anwachsen. Eine Kamera beobachtet die durch das Eiswachstum entstehenden Helligkeitsänderungen auf dem dunklen Probensubstrat. Die Kriterien, wann ein Objekt als Eiskristall identifiziert und gezählt wird, mussten im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelt werden. In der zu Beginn der Arbeit vorgefundenen Einstellung hatte bereits eine sehr geringe Helligkeitsänderung, wie sie durch das hygroskopische Wachstum von Aerosolpartikeln hervorgerufen wird, zu Signalen geführt, die fälschlicherweise als Eiskristalle gezählt wurden. Das reevaluierte Messverfahren von FRIDGE wurde im Zuge der FIN-02 Kampagne in einem groß angelegten Laborexperiment an der AIDA Wolkenkammer mit zahlreichen anderen INP-Zählern aus der ganzen Welt verglichen. Für den Großteil der Messungen der untersuchten Modell-Aerosoltypen konnte eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den anderen Instrumenten erzielt werden. In einer einmonatigen Feldmesskampagne im östlichen Mittelmeerraum konnten die ersten INP-Messungen an Bord eines unbemannten Flugzeugs durchgeführt werden. Während der Kampagne auf Zypern wurden mehrere Fälle von transportiertem Saharastaub beprobt, in denen die INP-Konzentration maßgeblich erhöht war. Lidar-Beobachtungen und ein Staubtransportmodell zeigten, dass sich das Maximum der Staubschichten zumeist in etwa 2-4 Kilometern Höhe befand. In der Höhe wurden INP-Konzentrationen gefunden, die im Mittel um einen Faktor 10 größer waren als auf Bodenniveau. Es wird gefolgert, dass INP-Messungen am Boden möglicherweise nur begrenzte Aussagekraft über die Situation nahe der Wolkenbildung besitzen. Im Rahmen BACCHUS-Projekts wurden zwischen August 2014 und Januar 2017 (mit Unterbrechungen) alle 1-2 Tage Proben an drei Reinluftstationen gesammelt (insgesamt über 900). Das INP-Messnetz mit einer geographischen Ausdehnung von der Arktis zum Äquator bestand aus Stationen in Spitzbergen, Martinique und im Amazonas. Die Station im brasilianischen Regenwald ist durch wechselnde Bedingungen von sauberer Regen- und verunreinigter Trockenzeit charakterisiert. In der Trockenzeit steigen die Partikelkonzentrationen durch starke Belastung aus Biomassenverbrennung um eine Größenordnung an; eine gleichzeitige Zunahme der INP-Konzentrationen konnte nicht beobachtet werden. Daraus kann vermutet werden, dass Partikel aus Feueremissionen keine ausgezeichneten Fähigkeiten zur Eisnukleation aufweisen. Die INP-Konzentrationen in der Karibik konnten mit dem Jahresgang von transportieren Saharastaub in Verbindung gebracht werden. In der Arktis wurden die niedrigsten INP-Konzentrationen der drei Stationen beobachtet. Zum Zeitpunkt des Erstellens dieser Arbeit können die determinierenden Einflussfaktoren, sowie der anthropogene Einfluss zur Zeit des arktischen Dunstes noch nicht abschließend geklärt werden.