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Obwohl Böden unzweifelhaft ein signifikanter Pool von organischem Kohlenstoff sind, ist ihre Bedeutung als potenzielle langfristige Senke für atmosphärischen Kohlenstoff keineswegs klar. Trotz bedeutender wissenschaftlicher Forschritte aus den letzten Jahren zur Klärung der Kohlenstoffdynamik in Böden gibt es nach wie vor offene Fragen insbesondere hinsichtlich der spezifischen geochemischen Mechanismen, die für die Stabilisierung organischen Kohlenstoffs in Böden verantwortlich sind. Vor diesem Hintergrund besteht ein wesentliches Ziel der vorliegenden Dissertation darin, in unterschiedlichen Bodentypen die Konzentration von organischem Kohlenstoff und Stickstoff sowie die mineralogische Zusammensetzung zu untersuchen, um Hinweise auf einen möglichen Einfluss der Tonmineralogie, der spezifischen Oberfläche und der Oxidkonzentration auf die Stabilisierung organischen Materials zu ermitteln. Die Ergebnisse sollen einen Beitrag dazu liefern, die Mechanismen der Fixierung organischer Substanz in Böden besser zu verstehen und das vorhandene Wissen hierüber zu erweitern. Hierzu wurden fünf verschiedene Bodenprofile aus Hessen mit unterschiedlicher mineralogischer Zusammensetzung untersucht. Um die Auswirkungen verschiedener physikalischer und geochemischer Faktoren auf den Gehalt organischer Substanz in den untersuchten Böden festzustellen, wurden folgende Parameter untersucht: -Tonmineralogie, -organische Kohlenstoff- und Stickstoff-Konzentrationen, -%-Kationensättigung, -spezifische Oberfläche, -dithionit- und oxalatlösliche Gehalte an Fe, Al und Mn. Anhand dieser Parameter wurden weiterführende statistische Analysen unter Verwendung der Statistiksoftware SPSS für Windows durchgeführt, um mögliche statistische Zusammenhänge aufzudecken, die für die Stabilisierung von organischem Kohlenstoff in den betrachteten Böden verantwortlich sind. Die im Rahmen der vorliegenden Dissertation ermittelten Ergebnisse zeigen, dass der Tonanteil und die Tonmineralogie der untersuchten Böden nur einen begrenzten Einfluss auf die Stabilisierung organischer Substanz haben. Weiterhin wird gezeigt, dass die in der Literatur propagierte Beziehung zwischen spezifischer Oberfläche und der Konzentration organischen Kohlenstoffs nicht auf alle Böden anwendbar ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Präsenz von amorphen Eisen- und Aluminiumoxiden der wichtigste Einflussfaktor für die Fixierung von organischem Material in den untersuchten Böden ist. Die größeren Konzentrationen von organischem Kohlenstoff in den kleinsten Fraktionen (Feinschluff und Ton) der Profile sind vor allem darauf zurückzuführen, dass Oxide ebenfalls in diesen Fraktionen aufzufinden sind. Tonminerale haben demnach eine sekundäre Bedeutung, indem sie Komplexe mit den Oxiden bilden, die zur Stabilisierung von organischer Substanz führen können. Insgesamt deuten die Ergebnisse daraufhin, dass Böden keine geeignete Senke für die langfristige Speicherung von organischem Kohlenstoff sind. Obwohl Mechanismen wie die Adsorption von organischer Substanz an Oxide die Stabilisierung organischen Materials unterstützen, scheinen diese nicht stark genug zu sein, um eine permanente Speicherung von organischem Kohlenstoff zu bewirken.
The climate system can be regarded as a dynamic nonlinear system. Thus, traditional linear statistical methods fail to model the nonlinearities of such a system. These nonlinearities render it necessary to find alternative statistical techniques. Since artificial neural network models (NNM) represent such a nonlinear statistical method their use in analyzing the climate system has been studied for a couple of years now. Most authors use the standard Backpropagation Network (BPN) for their investigations, although this specific model architecture carries a certain risk of over-/underfitting. Here we use the so called Cauchy Machine (CM) with an implemented Fast Simulated Annealing schedule (FSA) (Szu, 1986) for the purpose of attributing and detecting anthropogenic climate change instead. Under certain conditions the CM-FSA guarantees to find the global minimum of a yet undefined cost function (Geman and Geman, 1986). In addition to potential anthropogenic influences on climate (greenhouse gases (GHG), sulphur dioxide (SO2)) natural influences on near surface air temperature (variations of solar activity, explosive volcanism and the El Nino = Southern Oscillation phenomenon) serve as model inputs. The simulations are carried out on different spatial scales: global and area weighted averages. In addition, a multiple linear regression analysis serves as a linear reference. It is shown that the adaptive nonlinear CM-FSA algorithm captures the dynamics of the climate system to a great extent. However, free parameters of this specific network architecture have to be optimized subjectively. The quality of the simulations obtained by the CM-FSA algorithm exceeds the results of a multiple linear regression model; the simulation quality on the global scale amounts up to 81% explained variance. Furthermore the combined anthropogenic effect corresponds to the observed increase in temperature Jones et al. (1994), updated by Jones (1999a), for the examined period 1856–1998 on all investigated scales. In accordance to recent findings of physical climate models, the CM-FSA succeeds with the detection of anthropogenic induced climate change on a high significance level. Thus, the CMFSA algorithm can be regarded as a suitable nonlinear statistical tool for modeling and diagnosing the climate system.
In dieser Arbeit wurde der chemische Ozonverlust in der arktischen Stratosphäre über elf Jahre hinweg, zwischen 1991 und 2002, mit Hilfe der so genannten "Ozon-Tracer Korrelationstechnik" (TRAC), untersucht. Bei dieser Methode werden Korrelationen zwischen Ozon und langlebigen Spurenstoffen im Verlauf des Winters im Polarwirbels beobachtet und so der jährliche akkumulierte Ozonverlust berechnet. Die Ergebnisse dieser Arbeit basieren im wesentlichen auf Messdaten der Satelliteninstrumente: HALOE (Halogen Occultation Experiment) auf UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) und ILAS (Improved Limb Atmospheric Spectrometer) Instrument auf ADEOS (Advanced Earth Observing Satellite). Das HALOE Instrument misst seit Oktober 1991 kontinuierlich alle zwei bis drei Monate für einige Tage in höheren nördlichen Breiten. ILAS lieferte ausschließlich für den Winter 1996-97 Messungen, die über sieben Monate hinweg in hohen Breiten aufgenommen wurden. Aufgrund der eingeführten Erweiterungen und Verbesserungen der Methode in dieser Arbeit, konnte die Methode anhand einer detaillierten Studie für den Winter 1996-97 validiert werden. Die ILAS Messreihe wurde dazu verwendet, erstmals die Untersuchung der zeitlichen Entwicklung von Ozon-Tracer Korrelationen kontinuierlich für die gesamte Lebensdauer des Polarwirbels durchzuführen. Dabei wurden auch Korrelationen während der Bildung des Wirbels untersucht und im Besonderen mögliche Mischungsvorgänge zwischen Wirbelluft und Luftmassen außerhalb des Wirbels. Ausserdem wurde ein Vergleich der Ergebnisse von ILAS und HALOE Messdaten durchgeführt und Unterschiede in den Ergebnissen tiefgreifend analysiert. Basierend auf HALOE Messungen konnte die erweiterte TRAC Methode über elf Jahren hinweg angewendet werden. Damit war erstmals eine konsistente Analyse von Ozonverlust und Chloraktivierung über diesen Zeitraum möglich. Die Erweiterungen führten zu einer Verringerung und genauen Quantifizierung von Unsicherheiten der Ergebnisse. Ein deutlicher Zusammenhang zwischen meteorologischen Bedingungen, Chloraktivierung und dem chemischen Ozonverlust wurde deutlich. Weiterhin zeigte sich eine Abhängigkeit zwischen den meteorologischen Bedingungen und der Homogenität des Ozonverlustes innerhalb eines Winters, sowie der mögliche Einfluss von horizontaler Mischung auf Luftmassen in einem schwach ausgeprägten Polarwirbel. In dieser Arbeit wurde eine positive Korrelation zwischen den über die gesamte Lebensdauer des Wirbels auftretenden möglichen PSC-Flächen und den akkumulierten Ozonverlusten für die elf untersuchten Jahre deutlich. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass der Ozonverlust von deutlich mehr Einflüssen als nur von der Fläche möglichen PSC Auftretens bestimmt wird, sondern zum Beispiel von der Stärke der Sonneneinstrahlung abhängt. Außerdem lassen sich Auswirkungen von Vulkanausbrüchen, wie zum Beispiel im Jahr 1991 der des Mount Pinatubo, identifizieren.
Observed global and European spatiotemporal related fields of surface air temperature, mean-sea-level pressure and precipitation are analyzed statistically with respect to their response to external forcing factors such as anthropogenic greenhouse gases, anthropogenic sulfate aerosol, solar variations and explosive volcanism, and known internal climate mechanisms such as the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the North Atlantic Oscillation (NAO). As a first step, a principal component analysis (PCA) is applied to the observed spatiotemporal related fields to obtain spatial patterns with linear independent temporal structure. In a second step, the time series of each of the spatial patterns is subject to a stepwise regression analysis in order to separate it into signals of the external forcing factors and internal climate mechanisms as listed above as well as the residuals. Finally a back-transformation leads to the spatiotemporally related patterns of all these signals being intercompared. Two kinds of significance tests are applied to the anthropogenic signals. First, it is tested whether the anthropogenic signal is significant compared with the complete residual variance including natural variability. This test answers the question whether a significant anthropogenic climate change is visible in the observed data. As a second test the anthropogenic signal is tested with respect to the climate noise component only. This test answers the question whether the anthropogenic signal is significant among others in the observed data. Using both tests, regions can be specified where the anthropogenic influence is visible (second test) and regions where the anthropogenic influence has already significantly changed climate (first test).
Temporal changes in the occurrence of extreme events in time series of observed precipitation are investigated. The analysis is based on a European gridded data set and a German station-based data set of recent monthly totals (1896=1899–1995=1998). Two approaches are used. First, values above certain defined thresholds are counted for the first and second halves of the observation period. In the second step time series components, such as trends, are removed to obtain a deeper insight into the causes of the observed changes. As an example, this technique is applied to the time series of the German station Eppenrod. It arises that most of the events concern extreme wet months whose frequency has significantly increased in winter. Whereas on the European scale the other seasons also show this increase, especially in autumn, in Germany an insignificant decrease in the summer and autumn seasons is found. Moreover it is demonstrated that the increase of extreme wet months is reflected in a systematic increase in the variance and the Weibull probability density function parameters, respectively.
We report measurements of the deuterium content of molecular hydrogen (H2) obtained from a suite of air samples that were collected during a stratospheric balloon flight between 12 and 33 km at 40º N in October 2002. Strong deuterium enrichments of up to 400 permil versus Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) are observed, while the H2 mixing ratio remains virtually constant. Thus, as hydrogen is processed through the H2 reservoir in the stratosphere, deuterium is accumulated in H2 . Using box model calculations we investigated the effects of H2 sources and sinks on the stratospheric enrichments. Results show that considerable isotope enrichments in the production of H2 from CH4 must take place, i.e., deuterium is transferred preferentially to H2 during the CH4 oxidation sequence. This supports recent conclusions from tropospheric H2 isotope measurements which show that H2 produced photochemically from CH4 and non-methane hydrocarbons must be enriched in deuterium to balance the tropospheric hydrogen isotope budget. In the absence of further data on isotope fractionations in the individual reaction steps of the CH4 oxidation sequence, this effect cannot be investigated further at present. Our measurements imply that molecular hydrogen has to be taken into account when the hydrogen isotope budget in the stratosphere is investigated.
Subvisible cirrus clouds (SVCs) may contribute to dehydration close to the tropical tropopause. The higher and colder SVCs and the larger their ice crystals, the more likely they represent the last efficient point of contact of the gas phase with the ice phase and, hence, the last dehydrating step, before the air enters the stratosphere. The first simultaneous in situ and remote sensing measurements of SVCs were taken during the APE-THESEO campaign in the western Indian ocean in February/March 1999. The observed clouds, termed Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs), belong to the geometrically and optically thinnest large-scale clouds in the Earth's atmosphere. Individual UTTCs may exist for many hours as an only 200–300 m thick cloud layer just a few hundred meters below the tropical cold point tropopause, covering up to 105 km2. With temperatures as low as 181 K these clouds are prime representatives for defining the water mixing ratio of air entering the lower stratosphere.
Subvisible cirrus clouds (SVCs) may contribute to dehydration close to the tropical tropopause. The higher and colder SVCs and the larger their ice crystals, the more likely they represent the last efficient point of contact of the gas phase with the ice phase and, hence, the last dehydrating step, before the air enters the stratosphere. The first simultaneous in situ and remote sensing measurements of SVCs were taken during the APE-THESEO campaign in the western Indian ocean in February/March 1999. The observed clouds, termed Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs), belong to the geometrically and optically thinnest large-scale clouds in the Earth´s atmosphere. Individual UTTCs may exist for many hours as an only 200--300 m thick cloud layer just a few hundred meters below the tropical cold point tropopause, covering up to 105 km2. With temperatures as low as 181 K these clouds are prime representatives for defining the water mixing ratio of air entering the lower stratosphere.
Mechanisms by which subvisible cirrus clouds (SVCs) might contribute to dehydration close to the tropical tropopause are not well understood. Recently Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs) with optical depths around 10−4 have been detected in the western Indian ocean. These clouds cover thousands of square kilometers as 200–300 m thick distinct and homogeneous layer just below the tropical tropopause. In their condensed phase UTTCs contain only 1–5% of the total water, and essentially no nitric acid. A new cloud stabilization mechanism is required to explain this small fraction of the condensed water content in the clouds and their small vertical thickness. This work suggests a mechanism, which forces the particles into a thin layer, based on upwelling of the air of some mm/s to balance the ice particles, supersaturation with respect to ice above and subsaturation below the UTTC. In situ measurements suggest that these requirements are fulfilled. The basic physical properties of this mechanism are explored by means of a single particle model. Comprehensive 1-D cloud simulations demonstrate this stabilization mechanism to be robust against rapid temperature fluctuations of +/−0.5 K. However, rapid warming (ΔT>2 K) leads to evaporation of the UTTC, while rapid cooling (ΔT<−2 K) leads to destabilization of the particles with the potential for significant dehydration below the cloud.
Mechanisms by which subvisible cirrus clouds (SVCs) might contribute to dehydration close to the tropical tropopause are not well understood. Recently Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs) with optical depths around 10-4 have been detected in the western Indian ocean. These clouds cover thousands of square kilometers as 200-300 m thick distinct and homogeneous layer just below the tropical tropopause. In their condensed phase UTTCs contain only 1-5% of the total water, and essentially no nitric acid. A new cloud stabilization mechanism is required to explain this small fraction of the condensed water content in the clouds and their small vertical thickness. This work suggests a mechanism, which forces the particles into a thin layer, based on upwelling of the air of some mm/s to balance the ice particles, supersaturation with respect to ice above and subsaturation below the UTTC. In situ measurements suggest that these requirements are fulfilled. The basic physical properties of this mechanism are explored by means of a single particle model. Comprehensive 1-D cloud simulations demonstrate this stabilization mechanism to be robust against rapid temperature fluctuations of +/- 0.5 K. However, rapid warming (Delta T > 2 K) leads to evaporation of the UTTC, while rapid cooling (Delta T < -2 K) leads to destabilization of the particles with the potential for significant dehydration below the cloud