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Das Ziel dieser Arbeit wurde eingangs über den Begriff der erweiterten Schließung der optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel definiert. Hierunter versteht man das Zusammenfügen von verschiedenen Messungen zu einem konsistenten Bild der betrachteten Partikeleigenschaften. Darüber hinaus sollen die Messungen auch in anderen Teilgebieten der Aerosolphysik verwendbar sein, um so das konsistente Bild zu erweitern. Dieses so umschriebene Ziel konnte für die mikrophysikalischen und optischen Messergebnisse, die während des LACE 98 Experimentes, einem vom Bundesministerium für Forschung und Bildung (Bmb f) geförderten Schließungsexperiment, in Lindenberg (Brandenburg) rund 50 km südöstlich von Berlin im Juli und August 1998 erfasst wurden, erreicht werden. Die Messungen wurden erfolgreich zu einem konsistenten Datensatz und einem "Bild" der Partikeleigenschaften zusammengefügt. Unter dem Begriff "Bild" subsummiert sich hierbei nicht nur eine Charakterisierung der Variabilität und Abhängigkeit der Partikeleigenschaften, z.B. von der rel. Luftfeuchte, sondern darüber hinaus auch eine Charakterisierung der Beeinflussung verschiedener von den Eigenschaften der Partikel abhängiger Größen. Hierzu zählen Strahlungshaushaltsgrößen (Erwärmungsrate der Luft durch Absorption solarer Strahlung und die Volumenabsorption solarer Strahlung durch Partikel), wolkenphysikalische Größen (maximale Übersättigung der Wolkenluft während der Wolkenentstehung und Anzahlkonzentration der wachsenden Wolkentropfen), die massengewichtete mittlere Sedimentationsgeschwindigkeit von Partikeln und nicht zuletzt gesundheitsrelevante Größen, wie z.B. die vom Menschen beim Atmen aufgenommene und eingelagerte Partikelmasse. Nachfolgende Zusammenstellung soll nochmals die erzielten Ergebnisse zusammenfassen. Für eine detaillierte Darstellung der in den einzelnen Kapiteln erzielten Ergebnisse soll hier nur auf die jeweiligen Zusammenfassungen der einzelnen Kapitel verwiesen werden. . Im Rahmen der direkten Schließung, wurden unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der optischen Eigenschaften der Partikel erfolgreich miteinander verglichen. Beteiligt waren bei diesem Vergleich folgende Methoden: Partikel im trockenen Zustand: -- Aerosolphotometer (alle optischen Eigenschaften, ) -- Nephelometer (Streukoeffizient) -- PSAP (Absorptionskoeffizient) -- IPMethode (Absorptionskoeffizient) -- Telephotometer (Extinktionskoeffizient) Partikel bei Umgebungsfeuchte: -- Telephotometer (Extinktionskoeffizient) -- horizontales Lidar (Extinktionskoeffizient) Es zeigte sich, dass sich das Aerosolphotometer mit seinem schon aus der Theorie des Messverfahrens her begründeten konsistenten Satz aller optischen Eigenschaften als Referenzmethode während LACE 98 bewährte. Mit seiner Hilfe konnte nun auch die Gültigkeit einer empirischen Korrektur des PSAP nach Bond et al. [1999] für natürliche Aerosolpartikel bestätigt werden. Dem Anwender dieses Gerätes, das mit einer hervorragenden zeitlichen Auflösung von wenigen Minuten den Absorptionskoeffizienten bestimmt, stehen somit zwei unabhängig voneinander gewonnene Kalibrierungsfunktionen zur Verfügung, die innerhalb der Fehlergrenzen auch mit einander im Einklang stehen. . Im Rahmen der indirekten Schließung wurde ein Modell entwickelt, mit dem auf Basis eines Kugelschalenmodells der Partikel aus Messungen der mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel den Extinktions, den Streu- und den Absorptionskoeffizienten sowie die Single Scattering Albedo berechnet wurden. Mit Hilfe dieses Modells wurde der Feuchteeffekt der oben genannten optischen Eigenschaften berechnet. Mit diesen Ergebnissen konnten dann die Messwerte des Telephotometers feuchtekorrigiert, und mit den Messungen des Aerosolphotometers verglichen werden, wo bei eine gute Übereinstimmung der Messreihen festgestellt werden konnte. Die beobachteten Unterschiede konnten auf Ernteaktivitäten, die nur die Messungen des Telephotometers beeinflussten, zurückgeführt werden. Ein Vergleich der mit Hilfe des Modells auch direkt berechenbaren optischen Eigenschaften mit den direkten Messwerten der beteiligten Verfahren fiel ebenfalls positiv aus. Anhand aller Modellrechnungen wurde eine physikalisch motivierte Näherungsfunktion für den Feuchteeffekt des Extinktions- und des Streukoeffizienten als Funktion des Aktivierungsparameters bereit gestellt. In Klimamodellen kann mit Hilfe der vorgestellten Näherungsfunktionen der Feuchteeffekt auf einfache Weise parametrisiert werden. Wenn man allerdings konkrete Messergebnisse miteinander vergleichen möchte, ist man auf eine vollständige Erfassung der mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel angewiesen. . Im Teil IV der Arbeit wurden auf der Basis des zuvor vorgestellten Datensatzes und der hierfür entwickelten Verfahren (Algorithmen) weitere Auswertungen zu unterschiedlichen, für die Meteorologie interessanten Themengebieten, vorgestellt und ihre Ergebnisse charakterisiert. . In Kapitel 6.1 wurde mit Hilfe von Auswertegleichungen aus den in dieser Arbeit erstellten Messungen des Sieben-Sensor-Bilanzphotometers und den Messungen des Aerosolphotometers die Volumenabsorptionsrate solarer Strahlung der bodennahen Partikel und die daraus resultierende Erwärmungsrate der Luft berechnet. Die Ergebnisse wurden mit Literaturwerten anderer Messkampagnen verglichen. Insbesondere konnte ein interessantes Ergebnis von Hänel
In der Stratosphäre finden eine Reihe von dynamischen und chemischen Prozessen statt, die u.a. den Abbau von Ozon beeinflussen. Um die langfristigen Veränderungen in der Stratosphäre untersuchen zu können müssen die Abhängigkeit dieser Prozesse von Raum und Zeit bekannt sein. In dieser Arbeit wird eine Untersuchung zur Variabilität der Stratosphäre auf der Grundlage der Varianz von Tracern, die in Form der „Equivalent Displacement Height“, kurz: EDH, dargestellt wird, vorgestellt. Die EDH ist tue mit Hilfe des lokalen vertikalen Gradienten normierte lokale Standardabweichung des Mischungsverhältnisses eines Tracers und besitzt die Dimension einer Länge. Durch die Normierung kann die Varianz verschiedener Tracer miteinander verglichen werden. Mit dem Konzept ist allerdings nur die Diagnose der Variabilität möglich und keine Quantifizierung der dafür verantwortlichen Prozesse. Für die Fragestellung werden drei Datensätze ausgewertet. Ein Datensatz ist mit Hilfe eines kryogenen Luftprobensammlers entstanden. Die Berechnungen iii dieser Arbeit zeigen, dass die zeitliche und räumliche Abdeckung dieses Datensatzes zu niedrig ist, um mit ihm eine repräsentative Aussage über die Varianz von Spurengasen in der Stratosphäre treffen zu können. Eine bessere zeitliche und räumliche Abdeckung besitzt der Datensatz des Satellitenexperimentes HA-LOE. Dieser wird dazu verwendet die monatlichen Verteilungen der mittleren EDH von CH4 und O3 in einem Höhenbereich zwischen 19 und 50 km für einen Zeitraum von 1993 bis 2000 zu berechnen. Die mittlere EDH von OH4 besitzt über den Hemisphären jeweils einen unterschiedlichen Jahresgang. Die Diskussion zeigt, dass dieser hemisphärische Unterschied auf die verschiedenen dynamischen Bedingung in der Stratosphäre über den Hemisphären zurückgeführt werden kann, vor allem auf die Existenz eines stabileren und langlebigeren Polarwirbels in der Südhemisphäre. Im Gegensatz dazu zeigt die mittlere EDH von O3 über beiden Hemisphären einen vergleichbaren Jahresgang, mit minimalen Werten der Varianz während der Sommermonate, wenn die Ausbreitung planetarer Wellen in die Stratosphäre durch die vorherrschende Ostwindzirkulation behindert wird. Dieser Jahresgang steht in Verbindung mit den chemischen und dynamischen Prozessen bzw. der Kombination, welche die Verteilung und Varianz von O3 in der Stratosphäre kontrollieren. Eine eindeutige Trennung der einzelnen Effekte ist dabei allerdings nicht möglich. Der Datensatz des Simulationsmodell KASIMA enthält die Verteilung von CH4 und O3 mit der höchsten zeitlichen und räumliche Abdeckung aller drei Datensätze. Ein Vergleich zwischen den daraus berechneten Verteilungen der mittleren EDH beider Spurengase mit den HALOE-Daten soll helfen, die Varianz welche durch das Modell simuliert wird, mit der gemessenen zu vergleichen. Für das O3 wird eine gute Übereinstimmung zwischen der modellierten und gemessenen Varianz gefunden. Diese guten Übereinstimmungen ergeben sich für CH4 nicht. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Eigenschaften der beiden Tracer wird aus den Ergebnissen geschlossen, dass das Modell die chemischen Prozesse besser simuliert als den atmosphärischen Transport. Mit Hilfe von drei Fallstudien werden weitere Möglichkeiten aufgezeigt. die mit dem Konzept und den Datensätze von HALOE und KASIMA noch bestehen. In der ersten Fallstudie werden anhand der Verteilungen der EDH von CH4 aus dem März 1996 und 1997 die Auswirkungen vorm zwei unterschiedlichen meteorologischen Situation diskutiert, wobei ein eindeutiger Zusammenhang festgestellt wird. In einer zweiten Fallstudie wird der Frage nachgegangen, ob die Normierung auf den vertikalen Gradienten bei der Berechnung der EDH sinnvoll ist, da horizontale Transportprozesse in der Stratosphäre dominieren. Es wird daher zum Vergleich die „Equivalent Displacement Length (EDL)“ von CH4 berechnet, bei der eine Normierung der Varianz auf den horizontalen Gradienten erfolgt. In der dritten Fallstudie wird die Verteilung der mittleren EDH von N20, welche ebenfalls mit dem Datensatz von KASIMA berechnet worden ist, mit der von CH4 verglichen.
The present study was elaborated within the scope of the INTAFERE (Integrated Analysis of Mobile Organic Foreign Substances in Rivers) project which investigates the occurrence of xenobiotics in small freshwater streams with particular consideration of social impact factors. The aim of this study is to investigate the seasonal and spatial variance of organic micropollutants in small fresh water streams and to identify possible sources and sinks. Therefore four small freshwater river systems in Hesse, Germany, have been investigated with respect to common organic pollutants such as: the organophosphates tri-n-butyl phosphate (TBP), tris(2-butoxyethyl)phosphate (TBEP), tris(2-chloroethyl)phosphate (TCEP), tris(1-chloro-2-propyl)phosphate (TCPP), and tris(1,3-dichloro-2-propyl)phosphate (TDCPP), the synthetic musk fragrances 1,3,4,6,7,8-hexahydro-4,6,6,7,8,8-hexa-methylcyclopenta-[g]-2-benzopyran (HHCB) and 7-acetyl-1,1,3,4,4,6-hexamethyl-1,2,3,4-tetrahydronaphthalene (AHTN), the endocrine disruptors bisphenol A (BPA), 4-tert-octylphenol (OP) and the technical isomer mixture of 4-nonylphenol (NP), the herbicide terbutryn [2-(t-butylamino)-4-(ethylamino)-6-(methylthio)-s-triazine] as well as the insect repellent N,N-diethyl-m-toluamide (DEET). Water samples were collected in the time span from September 2003 to September 2006 at 26 sampling locations. The samples were extracted with solid phase extraction (SPE) and analyzed by coupled gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). For quantification the internal standard method was used. The results of the study showed an ubiquitous occurrence of organic pollutants in the fresh water streams of the study area. The organophosphates have been detected in 90 % of the water samples with mean concentrations of 502 ng/l (TCPP), 276 ng/l (TBP), 183 ng/l (TBEP), 118 ng/l (TCEP) and 117 ng/l (TDCPP). Sewage treatment plant (STP) effluents were identified as the dominating source for the chlorinated organophosphates as well as for the synthetic musk fragrances and the insect repellent DEET in the river systems. Consequently the highest concentrations were observed in the Schwarzbach system characterized by the highest proportion of waste water compared to the other river systems. Mean concentration levels of the synthetic musk fragrances HHCB and ATHN were 141 ng/l and 46 ng/l, respectively and 124 ng/l in case of DEET. The synthetic musk fragrances showed a clear seasonal trend with significantly lower concentrations in summer times compared to winter times, which is ascribed to stronger photodegradation and volatization during summer times. In contrast, mean DEET concentrations and loads were significantly higher in summer than in autumn, winter and spring, in parallel with the main insect season. The concentrations of the endocrine disruptors BPA, NP and OP in the river water samples ranged from <20 ng/l to 1927 ng/l, <10 ng/l to 770 ng/l, and <10 ng/l to 420 ng/l, respectively. Whereas OP was present in about 2/3 of the samples, NP and BPA could only be detected in 56% and 13% of the water samples, respectively. BPA levels exceeded in two samples the predicted no-effect concentration (PNEC) for water organisms. In case of NP, highest concentrations and loads were found in September 2003 and decreased significantly since then. In contrast, concentrations and loads of OP which serves in a similar application field remained nearly constant during the sampling period. The decrease of NP can be attributed to the implementation of the European Directive 2003/53/EG, which restricts the use of nonylphenols and nonylphenol ethoxylates since January 2005. However, at the end of the sampling period in September 2006, NP could still be detected at mean concentrations of 18 ng/l in the river waters of the sampling area. Furthermore, absence of NP in several samples from associated STP effluents indicate that the STPs cannot be the only sources for NP found in the river water. The herbicide terbutryn was present in the rivers during the whole sampling period from September 2003 to September 2006 despite a ban on its use as a herbicide from January 2004 on. Terbutryn levels ranged from < 4 ng/l to 5600 ng/l, showing a clear spatial pattern with high terbutryn concentrations in the Weschnitz and Modau river systems and significantly lower terbutryn levels in Schwarzbach and Winkelbach. Results from the analysis of two STP effluents discharging into the Weschnitz and the Modau, respectively, indicate that terbutryn enters the rivers from this source. Furthermore, terbutryn concentrations and loads showed a clear seasonal trend with significantly higher levels in summer and autumn. Obviously, the ban on agricultural use of terbutryn at the end of 2003 had no discernable influence on terbutryn concentration in the rivers because there was no trend of decreasing.
Die drei Atolle Glovers Reef, Lighthouse Reef und Turneffe Islands vor der belizischen Küste im Karibischen Meer unterscheiden sich in Geomorphologie, Lagunentiefe, Sedimentbeschaffenheit, Mangroven- und Seegrasbewuchs, Wellen- und Strömungseinfluss sowie in ihren Sedimentationsraten und ihrem Entstehungsalter. Um herauszufinden, ob die Bivalven-Vergesellschaftungen verschiedener Lagunenzonen diese Unterschiede widerspiegeln, wurden 32 bis 44 rezente Sedimentproben auf jedem Atoll entnommen (Gesamtprobenzahl: 111). Deren Datensatz von insgesamt 32 122 Bivalvenschalen wurde anschließend Q-Mode-Cluster-Analysen unterzogen. Neben der Verteilung charakteristischer Arten wurde auch die Verteilung von Bivalven unterschiedlicher Lebens- und Ernährungsweise untersucht. Chione cancellata, ein flach grabender Suspensionsfresser, besiedelt bevorzugt (1) flache, wellen- und strömungsbeeinflusste Lagunenzonen. Die Sedimente (2) sehr hoch energetischer Flachwasserbereiche enthalten zudem hohe Anteile tiefer grabender Suspensionsfresser der Gattung Ervilia. Im (3) Rückriffbereich und am Atollrand sind tief grabende, Detritus fressende Telliniden häufig. Gouldia cerina, wie Chione ein flach grabender Suspensionsfresser, ist typisch für (4) geschlossene Flachwasserbereiche, während die Chemosymbionten-tragende, ebenfalls flach grabende Parvilucina sp. A. vorwiegend in (5) geschlossenen, tiefen Lagunenzonen vorkommt. Charakteristisch für (6) Mangrovengebiete ist Crassinella lunulata, ein sehr flach grabender Suspensionsfresser. Die Anteile taphonomischer Signaturen auf den Schalen, wie Bohrspuren, Inkrustationen, Fragmentierung und Abrasion sowie Diversität, Evenness und Richness sind auf Glovers Reef am höchsten und nehmen über Lighthouse Reef nach Turneffe Islands ab. Da in die gleiche Richtung zunehmende Sedimentationsraten auf den drei Atollen zu verzeichnen sind (GISCHLER 2003), ist vermutlich der abnehmende Effekt des Time-averaging für diesen Trend verantwortlich. Neben der rezenten Fauna wurden auch die Bivalven aus Vibrationsbohrkernen (ein Kern von jedem Atoll) untersucht. Die fossilen Bivalven-Vergesellschaftungen der inneren Lagunen von Glovers Reef, Lighthouse Reef und Turneffe Islands zeigen seit deren Entstehung eine für das jeweilige Atoll typische Fauna, die sich seit ~7000 YBP weiter entwickelte. Sie reflektieren damit die bereits im Anfangsstadium charakteristischen Unterschiede der drei Atolle.
Die kumulative Dissertation beschäftigt sich mit der atmosphärischen Konzentration von Eiskeimen, einer Unterklasse des atmosphärischen Aerosols, die bei der Eisbildung in Wolken eine zentrale Bedeutung besitzt. Messungen der Eiskeimkonzentration am Taunusobservatorium (Kleiner Feldberg) (nahe Frankfurt am Main) wurden mit dem Verfahren einer Vakuum-Diffusionskammer durchgeführt. Die Arbeit umfasst die Darstellung des angewandten Messverfahrens und die Analyse und Bewertung der Messergebnisse für den Raum Zentraleuropa, anhand von u.a. Rückwärtstrajektorien und Korrelationen zu aerosolphysikalischen Parametern. Ein signifikanter Einfluss von Mineralstaub-Ferntransport aus Wüstengebieten auf die Eiskeimkonzentration in Zentral-Europa wurde ermittelt.
In Ostkreta tritt innerhalb der Phyllit-Quarzit-Serie ein in vier Einheiten untergliederbares präalpidisches Altkristallin auf. Das basale Kalavros-Kristallin (KCC) wurde während der permischen (Monazitalter) Barrow-Metamorphose (Staurolith-Zone) überprägt. Unter amphibolitfaziellen Metamorphosebedingungen bildeten sich liegende Isoklinalfalten sowie eine mylonitische Foliation. Die Verteilung der -c-Achsen von Quarzen belegt non-koaxiale Deformation durch Rhomben<a>- und Prismen<a>Gleitung, die sich in einer hochtemperierten Grenzflächenwanderung (GBM) äußerte. Zudem wuchsen vierphasige Granate, in denen die äußerste Zone auf einen nochmaligen Druckanstieg hindeutet. Die Granate wurden wiederum von Muskoviten, die aus einer Deformation mit Top-E- bis Top-NE-Scherung resultierten, überwachsen. Das überlagernde Myrsini-Kristallin (MCC) besteht aus Glimmerschiefern, Gneisen, Quarziten und Marmoren. Die Liefergebiete der Paragesteine (Zirkonaltersspektrum eines Paragneises) weisen Einflüsse der amazonischen- (2,8 Ga), eburnischen- (1,9 Ga), kibaran/sunsasischen- (0,9 - 1,1 Ga) und panafrikanischen- (0,9 - 0,5 Ga) Orogenese auf. Im Mittelkambrium intrudierten Granite in die sedimentären/kristallinen Gesteine (514 ±14 Ma zrn & 507 ±189 Ma mnz). Während des Unterkarbons (Monazitalter) fand eine Barrow-Metamorphose (Staurolith-Zone) mit non-koaxialer Top-N-Scherung statt. Hierbei bildeten sich geschlossene, liegende Falten sowie eine mylonitische Foliation. Die Quarz-c-Achsen belegen non-koaxiale Rhomben<a>- bis Prismen<a>Gleitung, die sich in Subkornrotations-Rekristallisation (SGR) und hochtemperierter Korngrenzwanderungs-Rekristallisation (GBM) äußerte. Im Gegensatz zu den Granaten des KCC bildeten sich nur dreiphasige Granate. Während des retrograden variszischen Deformationspfades entstanden Top-NE-Scherzonen. Der bis in die Unterkreide anhaltende Aufstieg der Gesteine wird von Zirkon-Spaltspurenaltern (150 ±14 Ma) dokumentiert. Das hangende Chamezí-Kristallin (CCC) besteht aus Gneisen und Glimmerschiefern. Auch hier intrudierten im Mittelkambrium (S-Typ-)Granite (511 ±16 Ma zrn & 521 ±28 Ma mnz). Relikte einer prävariszischen Orogenese stellen die Granatkerne und Margarite in den Glimmerschiefern dar. Das Alter der Barrow-Metamorphose (Granat-Zone) mit Top-N-Scherung konnte mangels geeigneter Minerale nicht bestimmt werden. Die Verteilung der Quarz-c-Achsen resultiert aus einer non-koaxialen Deformation bei der überwiegend Basis<a>- und Rhomben<a>Gleitung mit Subkornrotations-Rekristallisation (SGR) auftrat. Es bildete sich eine protomylonitische Foliation sowie liegende offene N-S Falten, die anschließend mehrphasig überprägt wurden. Für einen langsamen Aufstieg der Gesteine sprechen die semiduktilen Top-NE-Scherzonen und jurassischen Zirkon-Spaltspurenalter (158 ±16 Ma). Eine unbekannte Position innerhalb des Altkristallins nimmt das Vaí-Kristallin (VCC) ein. Während der Trias intrudierten hier granitoide Gesteine (223 ±11Ma zrn). Eine spätere amphibolitfazielle Überprägung zeigt Top-NW-Scherung. Der schnelle Aufstieg der Gesteine wird durch jurassische Zirkon-Spaltspurenalter dokumentiert (184 ±11 Ma). Die Kristallingerölle der hangenden skythischen Metakalkkonglomerate können auf Grund der permischen bis triassischen Metamorphose der kretischen Altkristalline, der triassischen Intrusion der Granite des Vaí-Kristallins sowie den jurassischen Zirkon-Spaltspurenaltern nicht aus der unterlagernden Altkristallin-Einheit stammen. Der Kontakt zwischen dem Altkristallin und dem Metakalkkonglomerat ist somit das Ergebnis der alpidischen Orogenese. Auch die Zirkone, Monazite und Rutile wurden von der Niedertemperatur/Hochdruck-Metamorphose der alpidischen Orogenese beeinflusst. Vor allem die Zirkone des Chamezí-Orthogneises zeigen einen Pb- und vermutlich auch einen U-Verlust sowie einen Austausch von radiogenem Pb durch rezentes Pb. Dieser niedergradige Fluidtransport äußerte sich zudem in einem Lösen der Zirkone sowie einer zerstörten Zirkonstruktur. Gleichzeitig fand ein Einbau von Ca2+, Mn2+ und Mg2+ statt, der von den Ca-reichen Fluiden, die auf Grund der Karbonat-reichen Deckenstapel auftraten, forciert wurde. Keinen Einfluss auf den Blei-Verlust der Zirkone zeigt dagegen die amphibolit- bis grünschieferfazielle präalpidische Überprägung. Auf Grund der Altersspektren der Zirkone sowie der tektonischen Transportrichtungen werden die Kristallinkomplexe als Fragmente von Gondwana interpretiert. Im Rahmen der spät-panafrikanischen Metamorphose und Deformation erfolgte der Aufstieg der Plutonite, an die sich eine Riftingphase anschließt, während der sich die Fragmente abspalteten. Im Karbon bis Perm kollidierten unter Top-N-Kinematik das MCC, CCC und KCC mit Gondwana. In der Trias erfolgte letztlich der Aufstieg der Plutonite des VCC und dessen anschließende Überprägung. Die Heraushebung der Gesteine erfolgte im Jura.
Im Rahmen des Projektes SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion) als Teil des deutschen Atmosphärenforschungsprogramms AFO 2000 wurden bei 8 Messkampagnen mit insgesamt 36 Flügen innerhalb eines Beobachtungszeitraums von zwei Jahren (Nov. 2001 bis Juli 2003) Spurengasmessungen in dem Breitenbereich zwischen 35°N und 75°N durchgeführt. Für die Messungen der Spurengase N2O, F12, SF6, H2 und CO wurde der vollautomatisierte in-situ GC (Gaschromatograph) GhOST II (Gas Chromatograph for the Observation of Stratospheric Tracers) entwickelt und eingesetzt. Das Ziel dieser Messungen war die Untersuchung der jahreszeitlichen Variabilität der Spurengase in der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (UT/LMS: Upper Troposphere/Lowermost Stratosphere), um die Transport- und Austauschprozesse in der Tropopausenregion besser zu verstehen. Zur Untersuchung von Transport und Mischung in der UT/LMS wurden die Rückwärtstrajektorien entlang der Flugpfade, die Verteilungen der Tracer N2O, F12, SF6, CO und CO2 (MPI für Chemie in Mainz), die Tracer/Tracer-Korrelationen N2O/F12, N2O/O3 F12/O3 und SF6/O3 und die Verteilungen des aus SF6-Messungen berechnete mittlere Alters der Luft herangezogen. Zusätzlich wurden die simultanen Messungen der beiden Alterstracer CO2 und SF6 genutzt, um die Propagation der Amplitude des troposphärischen CO2-Jahresgangs in die LMS zu bestimmen und daraus mit Hilfe eines empirischen Altersspektrums den Eintrag und die mittlere Transportzeit aus der Troposphäre in die unterste Stratosphäre zu quantifizieren. Grundsätzlich muss die LMS in zwei Bereiche eingeteilt werden – die Übergangsschicht („tropopause following layer“) bis etwa 20-30 K über der potentiellen Temperatur der lokalen Tropopause [Hoor et al., 2004] und die freie LMS oberhalb dieser Schicht. Als wesentliche Unterscheidungsmerkmale beider Bereiche wird die mittlere Transportzeit des Eintrags troposphärischer Luft identifiziert. Aus Trajektorienuntersuchungen und Tracerverteilungen (Kap. 3.4) kann gezeigt werden, dass der Transport in die Übergangsschicht und die Mischungsprozesse in diesem Bereich auf der Zeitskala der mesoskaligen troposphärischen Prozesse ablaufen. Im Gegensatz dazu werden aus der Massenbilanz (Kap. 5.3) mittlere Transportzeiten aus der Troposphäre in die freie LMS von einigen Wochen bis zu mehreren Monaten abgeleitet. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass der troposphärische Eintrag in der freien LMS fast ausschließlich auf quasihorizontale isentrope Einmischung aus den Tropen über die Transportbarriere des Subtropenjets zurückzuführen ist. Nur im Sommer und Herbst konnte auch oberhalb der Übergangsschicht für einzelne Messungen ein Einfluss aus der extratropischen Troposphäre beobachtet werden. Die in dieser Arbeit untersuchten Tracerverteilungen und -korrelationen (Kap. 4) und die Verteilung des mittleren Alters (Kap.5.2) in der LMS zeigen einen Jahresgang mit einem maximalen troposphärischen Einfluss im Oktober und einem maximalen stratosphärischen Einfluss im April. Diese saisonale Charakteristik in der freien LMS kann durch die saisonalen Änderungen des Verhältnisses von Abwärtstransport aus der Overworld und quasihorizontalem Transport aus den Tropen und durch die mit den jeweiligen Transportprozessen assoziierte mittlere Transportzeiten erklärt werden, die aus Massenbilanzrechnungen bestimmt wurden. Es wird gezeigt, dass der überwiegende Eintrag von troposphärischer Luft in die LMS im Sommer und Herbst stattfindet, wobei im Mittel die kürzesten mittleren Transitzeiten (unter 0.3 Jahre) für den August und die längsten Transitzeiten (über 0.6 Jahre) für den Mai berechnet werden. Aus den Ergebnissen wird gefolgert, dass ein ausgeprägter isentroper Austauschprozess über den Subtropenjet im Sommer bis in den Herbst hinein der dominierende troposphärische Einfluss in der LMS bis in den Mai ist. Der Vergleich zwischen SPURT und anderen in der UT/LMS im Zeitraum von 1992 bis 1998 durchgeführten Messkampagnen zeigt einen systematischen Unterschied in den N2O/O3-Korrelationen. Die Zunahme von O3 relativ zu N2O in der LMS ist um etwa 6.5 ppb O3 pro 1 ppb N2O bzw. etwa 40% größer als die Zunahme bei jahreszeitlich vergleichbaren früheren Kampagnen. Durch eine weitergehende Analyse der Messungen, z.B. durch den Vergleich der N2O-Verteilungen in der LMS bei verschiedenen Messkampagnen, und zusätzlichen Informationen aus Satelliten- und Ballonmessungen wird abgeleitet, dass diese Änderung der N2O/O3-Korrelationen im Wesentlichen auf einen im Zeitraum von SPURT stärkeren quasihorizontalen Transport aus den Tropen in die Extratropen im Bereich des so genannten „tropical controlled transition layer“ [Rosenlof et al., 1997] zwischen 16-21 km (bzw. Θ ≈ 380-450 K) zurückzuführen ist. In Kooperation mit B. Bregman wurden mit dem Chemie-Transport-Modell TM5 des KNMI die Verteilungen von SF6 und CO2 in der Troposphäre und Stratosphäre, unter den Zielsetzungen Evaluation des Modelltransports und Erweiterung des Datensatzes von SPURT auf globalen Maßstab, für den Zeitraum 1.1.2000 bis 31.12.2002 modelliert. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Modellstudien zur Evaluation des Transports mit Hilfe von Alterstracern nicht nur troposphärisch monoton steigende Tracer wie SF6 sondern auch saisonal variable Tracer wie CO2 verwendet werden müssen. Bei dem Vergleich der Modellergebnisse des TM5 mit ER2- und SPURTMessungen zeigt sich, dass das Modell zum jetzigen Zeitpunkt in der Lage ist, das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre und die SF6- und CO2-Verteilungen in der LMS qualitativ richtig wiederzugeben. Das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre wird um etwa 0.5 bis 1 Jahr in den Tropen über- und in den Extratropen unterschätzt. Die vertikalen Gradienten im Modell für SF6 und CO2 in der LMS sind, insbesondere im Winter und Frühjahr, zu gering. Die Amplitude des CO2-Jahresganges in der oberen Troposphäre und in der LMS wird durch das Modell unterschätzt, während der saisonale Verlauf des Jahresganges richtig wiedergegeben wird. Im Moment wird vermutet, dass eine zu starke isentrope Mischung zwischen Tropen und Extratropen und/oder ein zu geringer Aufwärtstransport in der extratropischen Troposphäre im Sommer und Herbst die Ursachen für die beobachteten Abweichungen zwischen Modell und Messung sind.
Diese Arbeit beschreibt Entwürfe zur Anwendung einer nicht-interpolierenden Advektionsmethode in numerischen Wettervorhersagemodellen. Es wird an verschiedenen Beispielen dargestellt, in welcher Weise eine solche nicht-interpolierende Methode anstelle von herkömmlichen Differenzen- oder interpolierenden Lagrangeschen Verfahren einsetzbar ist. Die in der meteorologischen Modellierung neuartige nicht-interpolierende Advektionsmethode verwendet das Partikel-Lagrangesche Konzept von Steppeler (1990a), das die Verlagerung von atmosphärischen Größen mittels Partikeln berechnet, wobei die Partikeln als Luftpakete zu verstehen sind, die sich entlang der Trajektorien bewegen und dabei den Wert der prognostischen Größen erhalten. Diese Eigenschaft der Methode kommt vor allem dann zum Tragen, wenn die Verteilung der prognostischen Größen durch Sprungfunktionen beschrieben wird, da Näherungsfehler der bislang verwendeten Methoden, wie Oszillation und Glättung, an solchen Gradienten verstärkt auftreten. Die Untersuchung der Genauigkeit und Anwendbarkeit der nicht-interpolierenden Partikel-Lagrangeschen Methode findet durch Modellstudien statt. Die Methode selbst wird am Beispiel verschiedener Anfangswert-Aufgaben für ein dichtekonstantes barotropes Flachwasser-System beschrieben, gefolgt von der Nachbildung von zwei Ausbreitungsszenarien für chemisch träge Stoffe in einer hydrostatischen Modellatmosphäre, sowie des trocken- und feuchtadiabatischen Aufstiegs einer warmen Luftblase unter nicht- hydrostatischen Bedingungen. Im Hinblick auf numerische Fehler wird gefordert, daß die numerische Lösung monoton bleibt, wobei unter Monotonität ein oszillationsfreier Verlauf der Lösung verstanden wird. Mittels Vergleich zwischen den numerischen Lösungen wird festgestellt, daß die Genauigkeit der nicht-interpolierenden numerischen Lösung mit Ausnahme einer Anfangswert-Aufgabe gleich oder höher ist als bei den mit herkömmlichen Methoden erzielten Resultaten. Eine herausragende Steigerung der Genauigkeit ist dann zu beobachten, wenn die Advektion im Vergleich zu anderen Prozessen eine viel stärkere Rolle spielt, wie z.B. im Falle der Konvektion in trockener Atmosphäre.
Recently, carbonates have attracted a lot of attention, due to the recognition of their importance in the global carbon cycle. This was enabled by improvement of the experimental techniques that allow for investigating the stability, structure, and physical properties of materials and high-pressures and high-temperatures, that is, they allow for investigating minerals and geochemical processes at the conditions occurring deep inside Earth. Although a lot of research has been focused on carbonates, there are still some open questions regarding their structure and physical properties at such extreme conditions. The aim of this thesis is to establish a deeper understanding of the nature of the phase transitions in carbonates by studying how do the atoms building up the crystal structure vibrate, that is lattice dynamics. The methodology adapted in this study is a combination of experimental and computational methods which allows for a very thorough examination of the problem. The computational approach allows to determine parameters that are elusive or tedious to measure, and the experimental results provide a solid benchmark for the calculations. This tandem of methods has been widely used for investigating lattice dynamics of various materials. In this study it was used to elucidate the structure and properties of carbonates in the deep Earth conditions
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der geochemischen und isotopischen Analyse detritischer Zirkonminerale aus rezenten Sedimenten des weit verzweigten Orange- und Vaal River Flusssystems in Südafrika. Zirkone kristallisieren überwiegend aus krustalen Schmelzen und sind äußerst resistent gegenüber jeglicher Zerstörung und damit ein idealer Kandidat zur Rekonstruktion früherer Krustenbildungsprozesse der geologischen Erdgeschichte. Der kombinierte Ansatz der U-Pb Altersdatierung, der Hf Isotopie und der Spurenelementgeochemie mittels Laserablation und des Einsatzes induktiv-gekoppelter Sektorfeld- und Multikollektormassenspektrometer ermöglicht es die krustale Wachstums- und Entwicklungsgeschichte des südafrikanischen Kratons zu erfassen. Die mehr als 1200 U-Pb Analysen der Zirkone weisen 4 tektonische Hauptphasen des südafrikanischen Kontinents nach: 1. die Panafrikanische Orogenese (0.5-0.7 Ga), 2. das Namaqua-Natal Faltengürtelorogen (1.0-1.3 Ga), 3. die Kheis Orogenese (1.8-2.0 Ga) und 4. die westliche Kaapvaal-Kratonisierung (2.9-3.2 Ga). Allerdings zeigt sich, dass die 13 Probenlokationen überwiegend lokale bzw. regionale U-Pb Altersdaten ihrer umgebenden Herkunftsgebiete liefern. Die Hf Isotopie der Zirkone der verschiedenen tektonischen Hauptphasen Südafrikas stellen ihre differenzierte Akkretions- und Aufschmelzungsgeschichte dar. Die panafrikanischen Zirkone zeigen eine ausgeprägte Durchmischung von juvenilem und recyceltem Material. Die mesoproterozoischen (Namaquan) Zirkone entstanden aus juvenilem Magma während eines Inselbogen-Kontinent-Kollisionsereignisses. Die paläoproterozoischen und archaischen Zirkone sind Produkte von aufgeschmolzener prä-existierender kontinentaler Kruste oder vom Mantel abstammende Schmelzen, die durch kontinentale Kruste kontaminiert wurden. Die berechneten Hf Modellalter, so genannte „Mantelextraktionsalter" ergeben zwei Maxima, die zwei Stadien juvenilem Krustenwachstums einschließen, einmal vor 1.4 und 3.2 Ga. Dieses krustale Wachstum zeigt eine Übereinstimmung mit den progressiv episodischen Modellen von Nagler & Kramers (1998) sowie Condie (2000) mit Höhepunkten zwischen 3.0 und 2.0 Ga sowie den Studien von Wang et al. (2008) mit krustalen Wachstumsperioden von 1.6 bis 2.2 und 2.9 bis 3.4 Ga auf dem Nordamerikanischen Kontinent und auf dem Gondwana-Kontinent (Australien) von Hawkesworth & Kemp 2006) und implizieren wohl ein globales kontinentales Krustenwachstum. Die Abgrenzung und Wiedererkennung der Zirkone anhand der chemischen Zusammensetzung zu möglichen Muttergesteinen zeigen noch keine viel versprechenden Ergebnisse. Generell weisen die Zirkone eine magmatische granitoide Zusammensetzung kontinentalen Ursprungs auf. Eine Auffälligkeit stellen die erhöhten Spuren- und leichten Seltenenerdelemente in Zirkonen jeglicher Altersklassen dar. Nachfolgende Arbeiten müssen zeigen, wie und ob diese Anreicherungen Einfluss auf die chemische Zusammensetzung, die U-Pb Datierung und vor allem die Hf-Isotopie der Zirkone haben.
The TTL is the transition layer between the tropical troposphere and stratosphere, and is the main region where tropospheric air enters the stratosphere. In this thesis different transport processes are studied by using in situ measurements of tracers. Long-lived tracers were measured with the High Altitude Gas Analyzer (HAGAR) on board the M55 Geophysica aircraft. The instrument was developed by the University of Frankfurt and measures the long-lived tracers CO2, N2O, CFC-12, CFC-11, H-1211, SF6, CH4 and H2 with two gas chromatographic channels and a CO2 sensor (LICOR). The measurements are supported by CO and O3 measurements of other instruments. Two campaigns were conducted to obtain measurements in the TTL: SCOUT-O3 (November/December 2005 in Darwin, Australia) and AMMA-SCOUT-O3 (August 2006 in Ouagadougou, Burkina Faso). After a general introduction of the thesis in chapters one and two, the third chapter describes the findings during this last campaign. Five local flights are analyzed to study the different transport processes that occur in the tropical tropopause layer above West-Africa: deep convection up to the level of main convective outflow, vertical mixing after overshooting of air in deep convection, horizontal inmixing from the extratropical lower stratosphere, and horizontal transport across the subtropical barrier. Main findings are that the TTL over West-Africa is mostly influenced by remote convection. The subtropical barrier is not a strong barrier but more a region of transition between the extratropical and the tropical stratosphere. Chapter 4 presents the results obtained during the SCOUT-O3 campaign. From the eight local flights the last four flights (051129, 051130a, 051130b, 051205) show enhanced values of ozone, CO and CO2 between 355 and 380 K potential temperature in comparison with the first four flights (051116, 051119, 051123, 051125). Horizontal inmixing from the extra-tropical stratosphere and influence of the local convective system Hector cannot explain the enhanced values of the two flights on 30 November Therefore, other possible explanations for these enhanced CO, CO2 and ozone levels are proposed. The first explanation is vertical mixing in the vicinity of the jet stream. However, the jet cannot explain the differences between the flights on 30 November and the flights on 29 November and 5 December. Another possible explanation is influence of polluted boundary layer air masses from the Indonesian region. Especially air sampled during the flights on November 30 crossed large parts of northern Indonesia between 8 and 10 days before the measurements. Convective uplift of biomass burning and other pollution plumes can transport CO and ozone precursors into the upper troposphere, where they can significantly enhance the ozone production. The last chapter deals with the vertical ascent rate in the TTL and uses measurements of both the SCOUT-O3 and AMMA-SCOUT-O3 campaign as well as data from previous aircraft campaigns (TROCCINOX and APE-THESEO). Time scales and residence times for mean vertical transport in the background TTL are estimated for different seasons and over different geographic regions using in situ observations of CO2 and long-lived tracers. The vertical transport time scales are constrained using the seasonal variation of CO2 in the tropical troposphere as a “tracer clock” for vertical ascent. Two methods are applied to calculate the residence time in the layer between 360 and 390 K potential temperature. The first method uses the slope of the CO2 index, the second method fits the CO2 index directly to the measurements assuming a constant ascent rate. The first method yields residence times for Australia,West Africa, and Brazil of the same order, 35-45 days to 380 K and 50 days to 390 K (where no value can be derived for Australia as the slope is changing approximately one month before the campaign). For APE-THESEO, the method does not yield reasonable results. The best estimates using the second method show moderate residence times between 360 and 390 K of 60±25 days SCOUT-O3 (NH autumn) and 43±8 days for AMMA/SCOUT-O3 (NH summer). These results agree well with the results calculated using the first method. For APE-THESEO and TROCCINOX the best fits yield shorter residence times of 23±7 and 40±10 days, respectively, both during winter. These results correspond well to the expectations based on the seasonal variation of the Brewer-Dobson circulation.
Melt segregation inside the earth consists of two different processes: 1) Generation of partially molten rock and 2) separation of melt, produced from partially molten rock, from the solid residual matrix. This thesis focuses on the later process. The 2 phase flow dynamics combines the study of flow dynamics of melt and matrix. Several studies have given the background theoretical frameworks for the flow dynamics of melt inside the earth. [McKenzie, 1984] summarizes the studies of [Ahern and Turcotte, 1979; Frank, 1968; Sleep, 1975] and gives a complete set of governing equations for the 2-phase flow problem.
[Bercovici et al., 2001] gives a general formulation considering the univariate system of equations related to matrix and melt flow which includes the interfacial surface force. The assumption of melt having negligible viscosity compare to the matrix has been abandoned. Therefore, based on these formulations, we have constructed our numerical model and thereafter a fortran code PERCOL2D to get an insight of melt percolation process through porous media. Additionally, we have used the Helmhotz decomposition, which splits a smooth and rapidly decaying vector field into an irrotational vector field and an incompressible vector field [Srámek, 2007], for matrix and fluid viscosity in order to lower the number of linearly independent variables to minimize the computational complications. The melt residing at inter-granular areas of lithosphere, forms an interconnected network even at low porosity. Therefore, being less dense than the matrix, melt moves up through porous media due to its buoyancy. Compaction of matrix, which occurs to compensate the melt separation, is considered in this thesis, where the effective bulk and shear viscosity of matrix are function of melt fraction. We have effective bulk viscosity of matrix as inversely proportional to melt fraction. Porosity dependence of effective bulk and shear viscosity leads to stronger melt focusing in highly porous region like mid ocean ridges [Katz, 2008] since the ratio of bulk and shear viscosity is smaller (< 10) than the constant viscosity case for the porous waves having non dimensional amplitude 5% or higher. Moreover, it is observed in [Richard et al., 2012] that the solitary wave formed in porosity dependent viscous matrix settings are steeper than the one formed in the constant matrix viscosity setting.
Firstly some 1D numerical experiments with PERCOL2D have been carried out using fixed and periodic boundary conditions for zero source term (i.e. no melting or no freezing) and negligible surface tension.
3 series of model setups with different initial conditions have been carried out varying the width, non-dimensional amplitude and the background porosity value of the initial input of porous wave.
A mathematical derivation for 1D solitary wave solution for the two phase flow through porosity dependent compacting media, is obtained in this thesis which is different than the study of [Barcilon and Lovera, 1989; Barcilon and Richter, 1986; Scott and Stevenson, 1984; Spiegelman, 1993a,b] as the effective viscosity of matrix is constant there.
Although [Simpson and Spiegelman, 2011] gives the solitary wave solutions in 1D, 2D and 3D considering the porosity dependent effective viscosity of the matrix, but using the small background porosity approximation, they neglect the background porosity (i.e φ0) and therefore the effect of variation of compaction lengths, which causes variation in the shape and dynamics of the solitary wave. Therefore, the study [This thesis, Richard et al., 2012] can be used for more general purpose. Solitary waves in varying viscous medium, are steeper (cf fig.5.1) compared to the one in constant viscous medium and their speed decreases as an inverse function of the background porosity. Additionally, this analytical solution is used in our code PERCOL2D and also in FDCON for numerical benchmarking (1D) of PERCOL2D.
The role of melt grain contiguity is considered in the revised viscosity formulation [Schmeling et al., 2012] based on elastic moduli theory of a fluid filled poro-elastic medium. This formulation is used in this thesis to produce a comparative dispersion relationship between speed of the wave and the non dimensional amplitude of porous wave, based on both the viscosity formulations (fig. 6.20) where one can see that the model based on [Bercovici et al., 2001] formulation, converges to the same dispersion relationship obtained from [Simpson and Spiegelman, 2011]. Whereas, the dispersion relationship using [Schmeling et al., 2012] formulations, shows time-dependent decrease of phase velocity with increasing amplitude and it is not yet clear that whether these solutions converge to steady state porosity waves before the porosity becomes 1.
The present PhD thesis comprises structural geology, petrographic and geochronological investiga-tions on crystalline rocks of the Uppermost Unit in the southern Aegean realm. Studies were carried out in three areas: (1) on the island of Anafi, (2) in the area west of Melambes in central Crete and (3) between the villages of Pefkos, Kalami and Sykologos in the municipality of Viannos in eastern Crete.
The Uppermost Unit forms together with the underlying, non-metamorphic Pindos Unit the upper nappe system of the Cretan nappe pile that, unlike the units of the lower nappe system, was not affected by Late Oligocene to Early Miocene subduction-related metamorphism. The upper nappe system must therefore have been at upper levels of the lithosphere in the Late Oligocene. This is of particular im-portance when reconstructing the tectonometamorphic evolution of the Uppermost Unit. The Upper-most Unit is very heterogeneous in composition and is subdivided into several subunits, which differ mainly in their lithological composition and the degree of metamorphic overprint. Usually, it is subdi-vided into several low-grade metamorphic subunits and one high-grade metamorphic subunit. Within the scope of this PhD thesis, three of these subunits were examined; (1) the anchimetamorphic Arvi Unit, (2) the newly described Greenschist Unit and (3) the Asterousia Crystalline Complex (ACC).
The analyses conducted during this PhD thesis include: (1) structural geology investigations in the field, (2) microstructural and petrographic analyses on thin sections, (3) radiometric dating of zircons using isotope dilution thermal ionisation mass spectrometry (ID-TIMS) and laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS), (4) electron microprobe (EMP) analysis, (5) quartz texture analysis using electron-backscattered diffraction (EBSD), (6) semiquantitative analysis of min-eral phases using X-ray powder diffraction (XRD), (7) analysis of the modal composition of intrusive rocks applying point counting on thin sections and (8) X-ray microtomography (micro-CT) on chias-tolite hornfels.
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Until now, the NW Indian Ocean was sparsely covered with coral proxy records, and records from the Maldives Archipelago do not exist. The first such coral proxy record from the central Maldives is presented in this study. It originates from a massive Porites lutea (Quoy and Gaimard, 1833) colony that was sampled March 2007 in the lagoon of Rasdhoo Atoll (4°N/ 73°W), which is located in the central Maldives. The record spans a period of 90 yrs and reaches back to 1917 AD with monthly to bimonthly resolution. This study investigates temporal variations of the skeletal stable oxygen (delta18O) and carbon (delta13C) isotopes, the strontium-to-calcium (Sr/Ca), and the annual extension-rates, and their relationship to historical climate variations 1917-2007. Annual extension-rates show an increase over the 20th century, and are correlated with instrumental sea surface temperatures (SST). The interannual variation of the extension-rates within 2.5-4 years is driven by the El Niño-Southern Oscillation (ENSO). The amount of skeletal extension during the summer months is triggered by variations in the strength of the SW monsoon. Interannual and decadal variability in monsoon current activity (18-19 yrs) and rainfall over India are an expression of the summer monsoon strength. This is the reason why a statistical link between coral extension-rates and precipitation over India can be established. This implies that annual extension-rates in corals can be used as a new proxy for Indian monsoon variability on decadal resolution. The delta18O record exhibits the 20th century warming trend that is influenced by the effect of monsoon-induced cooling. delta18O also reveals interannual ENSO triggered variability, which is due to ENSO-forced variations in SST and sea surface salinity (SSS). A decadal variation at 12-14 yrs cannot be linked to SST variations in the NW Indian Ocean, but with decadal variations of SSS. They could be caused by ENSO- forced variations of the monsoon currents during the mature phase of ENSO teleconnections in the Indian Ocean in boreal winter. The Sr/Ca record does not indicate a significant warming, in spite of the observed SST rise at the sampling site. Changes in seawater Sr/Ca cannot be excluded. Nevertheless, interannual ENSO forcing is still evident. Evidence for the Pacific Decadal Oscillation (PDO) is found during 1917-1955. Afterwards, the Sr/Ca data indicate the disappearance of PDO forcing. By the combination of Sr/Ca and delta18O it is possible to detect ~80% of historical El Niño and La Niña events at the sample site. This study confirms the notion that interannual to multi-decadal climate fluctuations in the Pacific play a crucial role for climate variability in the Indian Ocean.
The aim of this study is a better understanding of radiation processes in regional climate models (RCMs) in order to quantify their impact and to reduce possible errors. A first important task in finding an answer to this question was to examine the accuracy of the components of the radiation budget in regional climate simulations. To this end, the simulated radiation budgets of two regional climate simulations for Europe were compared with a satellite-based reference. In the simulations with the RCM COSMO-CLM there were some serious under- and overestimations of short- and long-wave net radiation in Europe. However, taking into account the differences in the reference datasets, the results of the COSMO-CLM were quite satisfactory.
Using statistical methods, the influence of potential sources of uncertainties was estimated. Uncertainties in the cloud cover and surface albedo had a significant impact on uncertainties in short-wave net radiation, the explained variance of uncertainties in cloud cover was two to three times higher than that of uncertainties in surface albedo. Uncertainties in the cloud cover resulted in significant errors in the net long-wave radiation. However, the influence of uncertainties in soil temperature on errors in the long-wave radiation budget was low or even negligible. These results were confirmed in a comparison with simulations of the REMO and ALADIN regional climate models. It is reasonable to expect that a better parameterization of relatively simple parameters such as cloud cover and surface albedo is a means of significantly improving the simulation of radiation budget components in the COSMO-CLM.
An important question for the application of RCMs is to examine whether the results of radiation uncertainties and their impact factors are comparable if the model is applied in a region that is not the one for which it was originally created. Comparisons of the simulated radiation budgets of different RCMs for West Africa showed that problems in the simulation of short- and long-wave radiation fluxes were a widespread problem. Most of the tested models showed some considerable under- or overestimation of the short- and long-wave radiation fluxes.
Similar to Europe uncertainties in cloud cover were also in the simulations for Africa a significant factor affecting uncertainties in the simulated radiation fluxes. However, for the African simulations uncertainties in the parameterization of surface albedo were much more important than in Europe. On average, overland uncertainties in the cloud cover and surface albedo were of similar importance. Uncertainties in soil temperature simulations were of higher importance in Africa, and reached overland similar values of the mean explained variance (R2 ≈ 0.2) such as uncertainties in the cloud cover. This indicates a geographical dependence of the model error. This study confirmed the assumption that an improved parameterization of relatively simple parameters such as the surface albedo in RCMs leads to a significant improvement in the modeled radiation budget, particularly in Africa.
The influence of errors in the simulated radiation budget components on the simulation of climate processes, such as the West-African monsoon (WAM), was investigated in a next step. The evaluation of ERA-Interim and ECHAM5 driven COSMO-CLM simulations for Africa showed that the main features of the WAM were well reproduced by the model, but there were only slight improvements compared to the driving data. The index of convective activity in the model simulations was much too high and precipitation was underestimated in large parts of tropical Africa. The partly considerable differences between the ERA-Interim and ECHAM5 driven simulations demonstrated the sensitivity of the RCM to the boundary conditions and in particular to the sea surface temperature. An excessive northwards shift of the monsoon in the model was influenced by the land-sea temperature gradient and the strength of the Saharan heat low. Consequently, a part of the error was due to the driving data and the model itself produced another part.
By modifying the parameterization of the bare soil albedo the errors in the radiation budget and 2 m temperature in the Sahara region were significantly reduced. Similarly, the overesti-mation of precipitation and convection has been reduced in the Sahel. The effect of this modifi-cation on the examined WAM area was low. This confirmed that especially in desert regions, errors in the surface albedo were a driving factor for errors in the radiation budget. However, there are other important factors not yet sufficiently understood that have a strong influence on the quality of the simulation of the WAM.
The analysis of the actual state, the quantification of error sources and the highlighting of connections made it possible to find means to reduce uncertainties in the simulated radiation in RCMs and to have a better understanding of radiation processes. However, the magnitude of the errors found, the number of possible influencing factors, and the complexity of interactions, indicate that there is still a need for further research in this area.
Cenozoic lignite deposits are widespread across Europe, Asia, America, Australia, and Indonesia. These deposits were the subject of numerous studies on changes in regional/global paleoclimates, paleobotany, paleoenvironment, and basin evolutions, which led to the formation of these lignites. In some of these Cenozoic lignite deposit basins, a succession of pale and dark lignite layers has been described in the Miocene Lower Rhine Basin in Germany, the Oligo-Miocene Gippsland Basin in southeastern Australia, and several Mio-Pliocene basins in southwestern China. Furthermore, pale and dark lithotypes in lignite seams also have been found in some Pliocene lignite deposit basins from Slovenia, Serbia, and Poland. The widespread cyclic occurrence of pale and dark layers in lignite basins might represent alternating depositional conditions related to the changes in plant communities, the regional/global climate, the tectonic setting, the Asian monsoon, and orbital periodicity during peat formation. ...
Over the last several decades, spinel-structured minerals with the chemical formula AB2O4 (where A and B stand for divalent and trivalent cations, respectively) have attracted more and more attention, particularly with regards to their breakdown at high pressures and temperatures and the nature of the so-called "post-spinel" phases. Spinel-structured phases with different endmember compositions, like magnetite (Fe3O4), hercynite (FeAl2O4) or spinel (MgAl2O4), are known to breakdown differently at high pressure-temperature conditions (e.g., Akaogi et al. 1999; Schollenbruch et al. 2010; Woodland et al. 2012). Such phases are of particular interest when they incorporate ferric (Fe3+) and ferrous (Fe2+) cations as this makes their stability sensitive to redox conditions. Since magnetite and magnesioferrite (MgFe3+ 2O4) have been found as inclusions in diamond (e.g., Stachel et al. 1998; Harte et al. 1999; Wirth et al. 2014; Palot et al. 2016; Jacob et al. 2016), understanding their phase relations is important for setting constraints on the conditions of their formation.
This study aimed to experimentally investigate the phase relations of Fe-Mg spinel-structured phases at conditions of the deep upper mantle and transition zone. Exploring the stability of new post-spinel phases and their characterization were also major goals of this study. Approaching a pyrolitic mantle composition by adding amounts of SiO2 in the system allowed constraints on the relevance of Fe-Mg post-spinel phases coexisting with mantle silicates to be made. ...
Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis der Rolle des RO x bei der troposphärischen Ozonbildung. Troposphärisches Ozon (O 3 ) spielt eine wichtige Rolle bei der Selbstreinigung der Atmosphäre. Andererseits führen erhöhte Ozonkonzentrationen zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen beim Menschen und Schäden an Pflanzen und Umwelt. Die Anwesenheit von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) führt zur Bildung von Peroxyradikalen (RO x ), die das normale photochemische Gleichgewicht zwischen Ozon und Stickoxiden zu Gunsten erhöhter OzonKonzentrationen verschieben. Im Rahmen der Arbeit wurde ein chemischer Verstärker zur Messung der GesamtPeroxyradikalkonzentration gebaut. RO x reagiert im Einlass des Gerätes mit hinzugefügtem NO und CO in einer Kettenreaktion und bildet dabei NO 2 . Dieses wird mit einem Luminoldetektor nachgewiesen. Der Detektor wird alle 2 Stunden kalibriert. Die Kettenlänge wird durch eine Kalibrierung des Gerätes mit HO 2 Radikalen bestimmt, die durch die Photolyse von H 2 O gebildet werden. Der Verstärkungsfaktor wurde in Bezug auf eine Querempfindlichkeit gegen Wasserdampf korrigiert. Die Messgenauigkeit ist etwa 70% bei 60% relativer Feuchte. Messungen am Taunus Observatorium auf dem Kleinen Feldberg in den Sommermonaten der beiden Jahre 1998 und 1999 werden vorgestellt. Die Ozon und RO x Konzentrationen sind gut miteinander korreliert. Allerdings ist die Tagestemperatur die für die Ozon und RO x Konzentrationen bei weitem wichtigste Einflussgröße und ist daher der beste Parameter zur statistischen Beschreibung von photochemischen Vorgängen. Auf der Grundlage der Messungen am Kleinen Feldberg wurde ein einfaches statistisches Modell zur Vorhersage des Ozonmaximums erstellt. Mit den Parametern Temperatur und Ozonkonzentration am Vortag konnte das statistische Modell bereits 80% der Variation der Ozonkonzentration erklären. Durch die Berücksichtigung der RO x Messungen am Vormittag konnte lediglich eine Verbesserung der erklärten Varianz um 0.5% erzielt werden. Um einen Hinweis auf den Einfluss anthropogener Emissionen zu bekommen, wurde der Wochengang von Ozon, RO x und NO x ebenfalls untersucht. Die Zunahme des Ozonmischungsverhältnisses am Wochenende bei gleichzeitigem Rückgang des Mischungsverhältnisses der Stickoxide wird damit erklärt, dass am Kleinen Feldberg eine VOClimitierte Situation vorgefunden wurde. Die Ozonbildungsrate auf Basis der Reaktion zwischen RO x und NO wurde für Tage mit einem Maximum der Globalstrahlung über 600 W m tdatensatz niedrig (r = 0,46). Die beobachtete Änderung des Ozonmischungsverhältnisses wurde mit dem berechneten mittleren Tagesgang der Ozonbildungsrate verglichen. Die Ozonbildungsrate lag um die Mittagszeit bei etwa 5 ppbv h Verlustprozesse zu erklären. Am Abend werden etwa 2 ppbv O 3 pro Stunde abgebaut. Im Rahmen einer Messkampagne im Juni/Juli 2000 am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg fanden Messungen der Konzentrationen von RO x , OH, einer Reihe von VOCs, und anderen relevanten Spurengasen statt. Die Messdaten werden mit Hilfe eines auf der Annahme des lokalen photostationären Gleichgewichts der Radikale basierenden Modells interpretiert. Die Modellergebnisse stimmten sehr gut mit den Messungen überein. Die Überschätzung der Konzentration an 2 Tagen wurde durch den Einfluss sauerstoffhaltiger VOCs erklärt. Das '' Recycling" der HO 2 Radikale (die Reaktion zwischen HO 2 und NO) ist die wichtigste Quelle für OH und die wichtigste Senke für RO x . Durch die erhöhte NOKonzentration am Vormittag wird HO 2 sehr schnell in OH umgewandelt, das wiederum für die VOCOxidation und RO x Bildung verantwortlich ist. Die wichtigste OHSenke und RO x Quelle ist die Oxidation von Isopren und den Terpenen. Um die Rolle der photochemischen Ozonbildung auf regionaler Skala zu untersuchen, wurden Ozonmessungen aus ganz Deutschland auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen statistisch untersucht. Die Netto Änderungsrate der Ozonkonzentration war tagsüber an 3 nahe zusammenliegenden Stationen sehr ähnlich. Die OzonMessdaten von 277 deutschen Messstationen wurden mit den an einer Waldmessstelle nahe Königstein gemessenen Ozonwerten korreliert. Die Ozonmessungen in Königstein erklären 50% der Varianz der sommerlichen Ozonmessungen zwischen 11:00 und 16:00 MEZ an Stationen, die in einem Umkreis von etwa 250 km von Königstein liegen. Auf das ganze Jahr bezogen, liegt diese ''charakteristische Entfernung" bei etwa 350 km. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Prozesse, die einen wichtigen Einfluss auf die Ozonkonzentration ausüben, auf regionalen Skalen von einigen hundert Kilometern aktiv sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gemessenen RO x Konzentrationen mit den aufgrund der Oxidation der VOCs durch OH berechneten Konzentrationen konsistent sind. Obwohl die RO x Konzentationen für die chemische Modellierung von Bedeutung sind, tragen RO x Messungen nur wenig zu einer Verbesserung der Qualität von kurzfristigen statistischen Ozonprognosen bei. Keywords: Ozone, Troposphere, Peroxy Radicals, Free Radicals, Photochemistry, Chemical Amplifier
Owing to long-term similarities with regard to orbital climate forcing (i.e., low eccentricity and a dampened influence of precession), Marine Isotope Stage (MIS) 11 represents one of the closest astronomical analogues for present and future climate. Hence, insights into the climate variability of MIS 11 can contribute to a better understanding of the climatic evolution of the present (Holocene) interglacial as it would occur without human interference. In order to elucidate the natural climate variability during MIS 11, this study examines predominantly annually laminated lake sediments of Holsteinian age from Dethlingen, northern Germany. The Holsteinian interglacial is widely accepted to be the terrestrial equivalent of MIS 11c in central Europe and can be biostratigraphically correlated with the Hoxnian, Mazovian and Praclaux interglacials on the British Isles, in Poland and in France, respectively. These correlations yield the potential to cross-check the results from individual sites on a regional scale. This study is based on a multi-proxy approach including palynological, micropaleontological, sedimentological, geochemical and time series analyses within a wellconstrained chronological framework that has been established through varve counting and regional bio-stratigraphic correlations with other annually laminated archives of Holsteinian age. In particular, the here-presented study aims at (i) fingerprinting the long-term (centennial- to millennial-scale) and short-term (sub-decadal- to decadal-scale) climate variability during the Holsteinian interglacial, (ii) deciphering the nature, tempo and trigger mechanisms of abrupt climate change under interglacial boundary conditions, and (iii) assessing its impact on terrestrial ecosystems. With regard to long-term climate variability, the vegetation succession at Dethlingen as inferred from pollen data provides insights into the mesocratic to telocratic forest phases of a glacial-interglacial cycle spanning ~11500 (± 1000) years of the 15-16-ka-long Holsteinian interglacial. The development of temperate mixed forests suggests a general prevalence of mild climatic conditions during the Holsteinian. The older parts of the interglacial are characterised by the strong presence of boreal tree taxa (e.g., Picea), whereas the younger parts of the interglacial are marked by the expansion of sub-Atlantic to Atlantic forest elements (e.g., Abies, Buxus, Ilex, Quercus) and the decline of boreal tree taxa. This vegetation succession suggests a general warming trend and decreasing seasonality over the course of the Holsteinian interglacial. Based on the maximum pollen abundances of indicator tree taxa (e.g., Buxus and Quercus), peak warmth was reached during the later stages of the interglacial; it was accompanied by high humidity. The forest succession of the Holsteinian interglacial was punctuated by abrupt and gradual changes in the abundances of temperate plant taxa. These vegetation changes indicate considerable intra-interglacial climate variability. In particular, two marked declines of temperate taxa leading to the transient development of boreal and sub-boreal forests were triggered by centennial-scale climate oscillations, here termed Older and Younger Holsteinian Oscillations (OHO and YHO). These oscillations occurred ~6000 and ~9000 years after the onset of the interglacial pioneer forestation in central Europe, respectively. To assess the impact of abrupt climate change on terrestrial ecosystems during the Holsteinian and to investigate the underlying driving mechanisms, the intervals spanning the OHO and the YHO at Dethlingen were subjected to decadal-scale palynological and sedimentological analyses. Based on these data, the OHO comprises a 90-year-long decline of temperate taxa associated with expansion of Pinus and non-arboreal pollen, and a subsequent 130-year-long recovery of temperate taxa marked by the pioneer expansion of Betula and Alnus. Owing to its highly characteristic imprint on vegetation dynamics, the OHO can be identified in pollen records from the central European lowlands north of 50º latitude, from the British Isles to Poland. A close inspection of individual pollen records from that region reveals the prevalence of colder winters during the OHO, with a gradient of decreasing temperature and moisture availability, and increased continentality towards eastern Europe. This climate pattern points to a weakened influence of the westerlies and/or stronger influence of the Siberian High connected to the OHO. The vegetation dynamics during the YHO are characterised by a decline of temperate taxa (particularly of Carpinus) and the expansion of pioneer trees (mainly Betula). In contrast to the OHO, frost-sensitive taxa (e.g., Ilex, Buxus and Hedera) continued to thrive. This suggests that mean winter temperatures remained relatively high (>0 ºC) during the YHO pointing to a decrease of summer warmth related to the climatic deterioration. The YHO, which has a duration on the order of 300 years, is centered within a long-term (~1500-year) decline and subsequent, millennial-scale recovery of temperate taxa. Because the impact of the OHO and the YHO on the vegetation at Dethlingen was markedly different, both short-term climate oscillations may have been caused by different trigger mechanisms. For the OHO, the inferred regional-scale winter cooling over central Europe lasting for several decades points to a decrease in ocean heat transport, most likely related to a transient slowdown in North Atlantic Deep Water formation. This view is supported by the strong resemblance of the OHO to the 8.2 ka event of the Holocene with regard to the duration, imprint on terrestrial ecosystems, spatial pattern of the climatic impact, timing within the respective interglacial, and prevailing interglacial boundary conditions. In contrast, the presence of frost-sensitive taxa during the YHO appears to exclude a reduction in oceanic heat transport as postulated for the OHO. Instead, the long-lasting, gradual changes in the abundances of temperate taxa suggest a connection to orbital forcing, with the triggering mechanism causing the centennial-scale vegetation setback itself remaining unclear. The characteristics of short-term climate variability were investigated based on microfacies and time series analyses of a ~3200-year-long, annually laminated window of the Dethlingen record. The annual laminations at Dethlingen comprise biogenic varves consisting of two discrete sub-layers. The light layers, which are controlled by the intensity of diatoms blooms during spring/summer, reflect changes in the productivity of the Dethlingen palaeolake. In contrast, the dark layers, which consist predominantly of amorphous organic matter and fragmented diatom frustules, represent sediment deposition during autumn/winter. Spectral analyses of the thicknesses of the light and dark layers have revealed several peaks exceeding the 95% and 99% confidence levels that are near-identical to those known from modern instrumental data and Holocene records. Decadal-scale signals at periods of 90, 25, and 10.5 years are likely associated with the 88-, 22- and 11-year solar cycles; hence, solar activity appears to have been a forcing agent in productivity changes of the Dethlingen palaeolake. Sub-decadal-scale signals at periods between 3 and 5 years and ~6 years may reflect an influence of the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the North Atlantic Oscillation (NAO) on varve formation during winter.
The mantle xenoliths collected by kimberlites indicate that the subcratonic mantle underneath the Archean crust is mostly a residue of high degrees of partial melting which was subsequently reenriched. The majority of the xenoliths show cryptic metasomatism and only few modal metasomatism.
Much effort has been put into deciphering different kinds of enrichment processes within the mantle. Here, we take the approach to look into the inventory of subcalcic garnets which stem from cpx-free harzburgites and dunites. These subcalcic garnets, commonly with sinusoidal REE patterns, carry the major budget of the trace elements of their host rock. Thus, they are promising objects to study both depletion and enrichment. Most importantly, the analysis of a single grain subcalcic garnetwill provide almost all important information of the bulk rock. Our aim is to gain detailed information mainly on metasomatism on a craton wide scale by combining major, trace elements and Lu-Hf and Sm-Nd isotopic signatures from subcalcic garnets. Eventually, we will summarize the metasomatic agent(s) and processes and possibly the timing of the enrichment within the lithospheric mantle underneath the Kaapvaal craton.
New industries are recognized as new impetus to national wealth. At the same time, they are increasingly becoming geographically concentrated in some well defined areas. But current studies on the emergence of industrial clusters tend to analyze favorable driving factors. This dissertation takes the example of a Chinese endogenous industrial cluster, the traditional Chinese medicine (TCM) cluster at Tonghua, a small peripheral city in Northeastern China, to contribute to the theoretical understanding of the emergence of industrial cluster as a co-evolutionary process of organizations, institutions and firms, or, to put it more broadly, as economic evolution embedded in complex socio-economic contexts. The recent advance in evolutionary and co-evolutionary economics which considers the economy and economic landscape as dynamic process instead of equilibrium can be regarded as a part of broader and more intellectual turn of quest for history in social sciences. Although the principle of "history matters" is widely acknowledged, it tends to be reduced to a quite simple concept of "path dependence". However, path dependence cannot offer space for new path creation, except from an external shock. Accordingly, the role of human conscious action or Schumpeterian innovation should be added to path analysis through the concept of path creation. Furthermore, and more importantly, history should be understood as context, and historical context can be explored through the understanding of multi-paths and interaction among them over time. So path inter-dependence (co-evolution between paths) would be useful to better understand the complexity of real history. Since the industrial cluster is composed of interconnected firms and is also subject to changes in institution and technology, I will focus on the multi-way causal relationship between firm, institution and technology. The theorizing is not entirely new, but most of the theoretical and empirical discussions are at the national or industrial level, not regional or local one. A competitive cluster can be regarded as a co-evolutionary hotspot in which multiple populations actively interact and are interconnected. Co-evolution itself is a dynamic and evolutionary process. So I will adopt a dynamic and evolutionary view to examine co-evolutionary degree or co-evolutionary effects in the Tonghua pharmaceutical cluster through time. After a brief introduction which deals with the national institutional changes that are highly associated with new venture creation, entrepreneurship, and innovation, with registrations on drug and healthcare system, and with changes in market demand of China’s pharmaceutical industry and geographical distribution, I will collect evidences from three aspects based upon field survey and second hand data, i.e., the history of the enterprises, the origin of entrepreneurship, and the knowledge of evolution, linking their respective generative relationships through the genealogical method. In this volume, the evolution of the Tonghua pharmaceutical firm organization, the formation of local entrepreneurship, historical accumulation of knowledge, and particular knowledge of transfer among generations of firms will be discussed, then I will probe into co-adaption and co-evolution between local formal and informal institutions and organizations in Tonghua’s TCM industry. In addition, I will try to understand the co-evolutionary process at different geographical levels (namely, national and local). In summary, my main findings include the following several points. Firstly, in the course of the emergence of Tonghua’s pharmaceutical industry, local social networks and the traditional alliance between enterprises and government have played important roles. Secondly, the most important factor that influences the evolution of endogenous industrial clusters such as the Tonghua pharmaceutical industry in transitional countries is not the change in technology, but the change in fundamental national institutions. Thirdly, the success of the Tonghua pharmaceutical industry can be ascribed to the creation of multiple paths largely based on initial conditions, which implies that economic policy should have historical consciousness, namely, new economic innovation should make full use of both historical legacies and existing assets. Finally, it is co-adaption and co-selection of firm organization, institution, and technology that have jointly made Tonghua’s pharmaceutical industry become highly competitive, which means that whether one region can grasp new opportunities partially depends on its capabilities to coordinate a varity of development agents.
Clouds and precipitation are essential climate variables. Because of their high spatial and temporal variability, their observation and modeling is difficult. In this thesis multiple observational data sources, including satellite data and station data are globally analyzed to understand the distribution and variability of clouds and precipitation, while a special focus is on the diurnal cycle of both variables. Substantial diurnal cycles of clouds and precipitation are observed in the tropics, with different properties over land and ocean. But also in Europe cloud diurnal cycles are observed in the summer season. Overall the maximum cloud cover and also the maximum precipitation is observed in the afternoon over land, and in the morning over ocean. The analyzed climate model simulations and the model-based reanalysis fail to simulate the observed diurnal cycles. Owing to their limited resolution, models can not fully resolve the processes responsible for the existence of diurnal cycles of clouds and precipitation.
In this study, I investigate the crustal and upper mantle velocity structure beneath the Rwenzori Mountains in western Uganda. This mountain range is situated within the western branch of the East African Rift and reaches altitudes of more than 5000 m. I use four different approaches that belong to the travel-time tomography method. The first approach is based on the isotropic tomographic inversion of local data, which contain information about 2053 earthquakes recorded by a network of up to 35 stations covering an area of 140×90 km2. The LOTOS-09 algorithm described here is used to realize this approach. The second approach is based on the anisotropic tomographic inversion of the same local dataset. This method employs the tomographic code ANITA, developed with my participation, which provides 3D anisotropic P and isotropic S velocity distributions based on P and S travel-times from local seismicity. For the P anisotropic model, four parameters for each parameterization cell are determined. This represents an orthorhombic anisotropy with one vertically-oriented predefined direction. Three of the parameters describe slowness variations along three horizontal orientations with azimuths of 0°, 60° and 120°, and one is a perturbation along the vertical axis. The third approach is based on tomographic inversion of the teleseismic data, which contain information about the traveltimes of P-waves coming from 284 teleseismic events recorded by the seismic network stations. The TELELOTOS code, which is my own modification of the LOTOS-09 algorithm, is used in this approach. The TELELOTOS code is designed to iteratively invert the local and/or teleseismic datasets. Finally, I present the results of the new tomographic approach, which is based on the simultaneous inversion of the joint local and teleseismic data. The simultaneous use of these datasets for the tomographic inversion has several advantages. In this case, the velocity structure in the study area can be resolved as deep as in the teleseismic approach. At the same time, in the upper part of the study volume, the resolution of the obtained models is as good as in the local tomography. The TELELOTOS algorithm is used to perform the joint tomographic inversion. Special attention is paid in this work to synthetic testing. A number of different synthetic and real data tests are performed to estimate the resolution ability and robustness of the obtained models. In particular, synthetic tests have shown that the results of the anisotropic tomographic inversion of the local data have to be considered as unsatisfactory. For all approaches used in this study, I present synthetic models that reproduce the same pattern of anomalies as that obtained by inverting the real data. These models are used to interpret the results and estimate the real amplitudes of the obtained anomalies. The obtained models exhibit a relatively strong negative P anomaly (up to -10%) beneath the Rwenzori Mountains. Low velocities are found in the northeastern part of the array at shallower depths and are most likely related to sedimentary deposits, while higher velocities are found beneath the eastern rift shoulder and are thought to be related to old cratonic crust. The presence of low velocities in the northwestern part of the array may be caused by a magmatic intrusion beneath the Buranga hot springs. Relatively low velocities were observed within the lower crust and upper mantle in the western and southern parts of the study area (beneath the rift valley and the entire length of the Rwenzori range). The higher amplitude of the low-velocity anomaly in the south can be related to the thinner lithosphere in the southern part of the Albertine rift. In the center of the study area, a small negative anomaly is observed, with the intensity increasing with depth. This anomaly is presumably related to a fluids rising up from a plume branch in the deeper part of the mantle. According to the interpretation of the local earthquake distribution, the Rwenzori Mountains are located between two rift valleys with flanks marked by normal faults. The Rwenzori block is bounded by thrust faults that are probably due to compression.
The main objective of this PhD work is to assess the impact of fine-scale air-sea interaction on the performance of a regional climate prediction model in marginal sea regions. Focus is on the North and Baltic Seas, the largest marginal sea area in the mid-latitudes. Motivation for this work is to better understand the interaction between the different components of the climate system, namely atmosphere, ocean and sea-ice. In addition to that, the sea regions of interest, the North and Baltic Seas, are orographically complex and cannot be resolved by a global ocean model. The ice coverage on the Baltic Sea is underestimated in the stand-alone atmospheric model COSMO-CLM due to the low water freezing temperature value assumed, which is not applicable for such brackish water body. To fulfil the thesis goal, a new regional coupled atmosphere-ocean-ice system was developed for these two seas, named COSMO-CLM/NEMO. The two-way coupling system involves active feedback from both component models: the limited-area climate model COSMO-CLM and the regional ocean model NEMO-NORDIC.
The coupled system COSMO-CLM/NEMO for the North and Baltic Seas was used to study the impact of sea surface temperature and sea ice on the atmosphere on diffrent topics. The long term impact of the North and Baltic Seas was studied through 15- year long simulations driven by European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) Interim reanalysis (ERA-Interim) data. Furthermore, to see whether the marginal sea modelling can advance the simulation of extreme climate events, the coupled model was used to reproduce six extreme snowband phenomena over the Baltic Sea in simulations driven by ERA-interim data. Last but not least, the role of the North and Baltic Sea model in improving long-term regional climate prediction was examined. Two sets of experiments with coupled and uncoupled models, each set has five independent decadal hindcasts forced by global climate model, were carried out.
All results were compared with observations and the stand-alone atmospheric model COSMO-CLM results. In all experiments, COSMO-CLM/NEMO showed good agreement with observations. Improvements compared with the uncoupled COSMO-CLM were also found. Coupling was found to affect the air temperature not only around the coupled sea region but also inland. The convective snowbands over the Baltic Sea were successfully reproduced by the coupled model. The high contrast of temperature in the air column, as well as considerably high amounts of surface heat fluxes exchanged between air and sea could not be simulated by COSMO-CLM without the help of reanalysis data. The coupled model also provided better forecasts in decadal scales compared with the uncoupled model and the global model. The added predictability came from the initialized regional seas and better simulated sea surface temperatures by the ocean model.
The impact of the North and Baltic Seas on the climate of the surrounding regions is in certain phases dominated by the North Atlantic Oscillation (NAO) activity. In this thesis, the relation between the NAO and the marginal sea influences was studied. It is confirmed by this study that, in strong phases, the NAO can overpower the impact of the local seas. During dominant phases of NAO, the European climate is mainly governed by large-scale circulation. On the other hand, the local seas play an important role in determining the European climate when NAO is in weak phases.
The added value of the coupled model raises promising perspectives for research in this field. It points to a potential benefit of using the coupled atmosphere-ocean-ice system for climate prediction in the region surrounding the North and Baltic Seas. Along with that, it is still a challenge to complete the model representation of the climate system by adding more climate components (such as a hydrological model). Further improvement of the coupled system can be achieved by coupling for a larger sea region, or by trying to reduce remaining low performance of the coupled model in some areas with a better configuration of the current system.
The Late Cretaceous is known to be mostly affected by warm periods interrupted temporarily by a number of cooling events. The reconstruction of the paleoclimatic conditions during a period of high concentration of CO2 in the atmosphere is of great importance for the creation of future climate models. We applied the recently developed method reconstructing the SST from the TEX86 (TetraEther indeX of tetraethers consisting of 86 carbon atoms).
The sample material used for the present study was obtained from the tropical Late Cretaceous southern Tethys upwelling system (Negev/Israel), lasting from the Late Santonian to the Early Maastrichtian (~ 85 to 68 Ma). On the core samples from the Shefela basin, representing the outer belt of the upwelling system and the outcrop profile from the open mine Mishor Rotem (Efe Syncline), representing the inner belt, various bulk geochemical and biomarker studies were performed in this thesis.
Derived from TEX86 data, a significant long-term SST cooling trend from 36.0 to 29.3 °C is recognized during the Late Santonian and the Early Campanian in the southern Tethys margin. This is consistent with the opening and deepening of the Equatorial Atlantic Gateway (EAG) and the intrusion of cooler deep water from the southern Atlantic Ocean influencing the global SSTs and also the Tethys Ocean. Furthermore, the cooler near shore SST usually found in modern upwelling systems could be verified in case of the ancient upwelling system investigated in the present study. The calculated mean SST in the inner belt (27.7 °C) represented in the Efe Syncline was 1.5 °C cooler in comparison to the more seaward located outer belt (Shefela basin).
Moreover, geochemical and biomarker analyses were used to identify both the accumulation of high amounts of phosphate in the PM and good preservation of organic matter (OM) in the lower part of the OSM section. Total organic carbon (TOC) contents are highly variable over the whole profile reaching from 0.6 % in the MM, to 24.5 % in the OSM. Total iron (TFe) varies from 0.1 % in the PM to 3.3 % in the OSM and total sulfur (TS) varies between 0.1 % in the MM and 3.4 % in the OSM. Different correlations of TS, TOC and TFe were used to identify the conditions during the deposition of the different facies types. Natural sulfurization was found to play a key role in the preservation of the OM particularly in the lower part of the OSM. Samples from the OSM and the PM were deposited under dysoxic to anoxic conditions and iron limitation lasted during the deposition of the OSM and the PM, which effected the incorporation of sulfur into OM.
Phosphorus is highly accumulated in the sediments of the PM with a mean proportion of 11.5 % total phosphorus (TP), which is drastically reduced to a mean value of 0.9 % in the OSM and the MM. From the correlation of the bulk geochemical parameters TOC/TOCOR ratio and TP a major contribution of sulfate reducing bacteria to the phosphate deposition is concluded. This interrelation has previously been investigated in recent coastal upwelling systems off Peru, Chile, California and Namibia. This was further supported by the analysis of branched and monounsaturated fatty acids indicating the occurrence of sulfate reducing and sulfide oxidizing bacteria during the deposition.
According to the results from the analysis of n-alkanes and C27- to C29-steranes up to 95 % of the OM was of marine origin.
Organic sulfur compounds (OSC) were a major compound class in the aromatic hydrocarbon fraction and n-Alkyl and isoprenoid thiophenes were the most abundant, with highest amounts found for 2-methyl-5-tridecyl-thiophene (28 µg/g TOC). The relatively high abundance of ββ-C35 hopanoid thiophenes and epithiosteranes is equivalent to an incorporation of sulfur during the early stages of diagenesis.
Moreover, the geochemical parameters δ13Corg, δ15Norg, C/N and the pristane/phytane (Pr/Ph) ratio, were studied for reconstruction of seafloor and water column depositional environments. The high C/N ratio along with relatively low values of δ15Norg (4 ‰ to 6 ‰) and δ13Corg (-29 ‰ to -28 ‰) are consistent with a significant preferential loss of nitrogen-rich organic compounds during diagenesis. Oxygen-depleted conditions lasted during the deposition of the PM and the bottom of the OSM, reflected by the low Pr/Ph ratio of 0.11–0.7. In the upper part of the OSM and the MM the conditions changed from anoxic to dysoxic or oxic conditions. This environmental trend is consistent with co-occurring foraminiferal assemblages in the studied succession and implies that the benthic species in the Negev sequence were adapted to persistent minimum oxygen conditions by performing complete denitrification as recently found in many modern benthic foraminifera.
Furthermore, the anammox process could have influenced the nitrogen composition of the sediments. In this anaerobically process nitrite and ammonia are converted to molecular nitrogen.
The Alborz Mountains are forming a ~100 km wide, E-W trending mountain chain where individual summits are up to 5000 m in elevation. The Alborz Mountains range are part of the Alpine orogen and are straddling a 2000 km wide area S of the Caspian Sea. The rocks of the Alborz Mountains consist of Neogen sediments, which are affected by folding and faulting. In the western part of the Alborz Mountains the folds and faults are trending NW-SE, whereas in the eastern part they are trending NE-SW. GPS data confirm N-S shortening including dextral strike-slip along ESE-WNW trending faults, and sinistral strike-slip along ENE-WSW trending faults. The present thesis is focusing on the active Garmsar salt nappe, the fragmented roof of which is pierced by rock salt which extruded near the front of the Alborz Mountains Range. During the past 5 m.y. the front of the Alborz chain migrated towards SSW on top of the salt of the Garmsar basin. The salt was squeezed towards SSW and took place at the Great Kavir. The extruded salt is forming the Eyvanekey plateau between the cities of Eyvanekey and Garmsar. Both the Garmsar salt nappe and the Eyvanekey plateau are dextrally displaced for ca. 9 km along the Zirab-Garmsar fault. Structural analyses of the Garmsar salt nappe indicate three different groups of joints which are trending perpendicular and parallel to the local mechanical anisotropy. The folds of the study area are congruent (type 2 and 3 after Ramsay) resulting from viscose inhomogeneous flow. InSAR-Investigations suggest the Alborz Mountains to be lifted up by ca. 1 cm/a, while horizontal shortening is active at a rate of 8 ±2 mm/a. These values are consistent with GPS data. Based on nine „Advanced Synthetic Aperture Radar“ (ASAR) scenarios, produced by the ENVISAT satellite of the European space agency between 2003 and 2006, we used interferograms to map the displacement via 22 increments during 2 – 18 months. The results suggest that the topographic height of the surface of the salt is changing at a rate which is controlled by the season. The displacement ranges from subsidence at -40 to -50 mm/a to uplift of 20 mm/a. In order to investigate the time-dependent deformation with high spatial resolution, we used algorithms which are based on data of small base lines (SBAS). The resulting interferometric SAR time series analyses also suggest that the study area is largely subsiding at a rate that is controlled by the seasons. The map with the averaged LOS deformation velocities, on the other hand, suggests the subsidence to increase from the upper part of the salt nappe towards deeper topographic 5 levels of the agricultural lowlands. The major part of subsidence is probably caused by the annual rainfall which results in subrosion of salt. The spatial changes in the subsidence rate are probably controlled by the distribution of fountains, mining activity at the margin of the salt glacier, and faults and fractures inside the salt. Striking seasonal imprints are obvious along the agricultural areas which are surrounding the Garmsar salt nappe. These areas are rapidly subsiding in summer and spring when groundwater is used for irrigations. The maximum rate of subsidence (40-50 mm/a) is located E and W of the Eyvanekey plateau, where large areas are irrigated. The maximum displacement is 20 mm/a in the farmland and 5 mm/a in the center of the salt nappe. Depth estimates using Euler deconvolution method for gravimetric and magnetic data suggest the salt to extrude from a depth less than ca. 2000 m. The gravity field of the study area is characterized by strong anomalies in the SW and weak anomalies in the NE. A considerable negative anomaly in the N indicates that the northern part subsided, whereas the southern part was lifted up. The seismic data show three major horizons inside the Miocene sediments: the Lower Red Formation, the Qom Formation, and the Upper Red Formation. The western part of the study area seems to be free from salt domes. The layers of the upper part of the Qom Formation show thinning along the NE and NW trending faults. In some areas the seismic reflectors indicate steep faults close the saddle of the folds. NE-SW-, NW-SE and E-Wtrending faults prevail. Analogue experiments have been carried out to extend our knowledge about the evolution of the Garmsar salt dome. We used a scaled model (34 cm * 25 cm * 2.5 cm) that was shortened perpendicular to its long side. The wedge shape of the Alborz Mountains was simulated by a wedge consisting of Styrofoam. Rock salt was simulated using Polydimethylsiloxan (PDMS), a linear viscous material with a viscosity of 2.3*104 Pa s and a density of 0.96 g/cm3 at room temperature. Other sediments were modeled using dry quartz sand. The experimental results can be used to simulate the structural evolution of the study area: The Alborz deformation front was emplaced on top of the salt rocks in the Garmsar area while migrating towards SSW. A salt basin and a salt extrusion have also been produced in the model. Cross sections through the wedge shaped analogue model indicate N- and S-dipping reverse faults, which are in line with the wedge shape of the Alborz chain. Moreover, ENE-WSW trending sinistral and ESE-WNW trending dextral strike-slip faults led to N-S shortening during the Miocene. Structural marker horizons, 6 which have been turned into Z-folds on the western fold limbs and to S-folds on the eastern fold limbs, are comparable with the folds of the study area. Solving the problem of waste is one of the central tasks of environmental protection. It is becoming increasingly difficult to find suitable sites that are acceptable to the public. Salt and salt formations have relevant properties to be utilizing as a repository for each kind of waste. The favorable properties make rock salt highly suitable as a host rock, in particular for nonradioactive and radioactive wastes. The Qom and Garmsar basins are the nearest salt diapirs to the Tehran province, and there are suitable repositories for waste disposal. Based on surface and subsurface data, the Garmsar salt diapir has been investigated as a case example for its suitability as a host and repository for various types of waste. The data used are based on field studies, interferometry, and geophysical investigations. The results of this study suggest the deep bedded salt of the Garmsar Salt Basin to be an appropriate host for the deposition of industrial waste. Rock salt of surficial layers or domes, on the other hand, is not regarded as an appropriate candidate for waste disposal.
The focus of this study were Celtic gold coins excavated from the Martberg, a Celtic oppidium and sanctuary, occupied in the first century B.C. by a Celtic tribe known as the Treveri. These coins and a number of associated coinages, were characterised in terms of their alloy compositions and their geochemical and isotopic signatures so as to answer archaeological and numismatic questions of coinage development and metal sources. This required the development of analytical methods involving; Electron Microprobe (EPMA), Laser Ablation-ICP-MS, solution Multicollector-ICPMS and LA-MC-ICP-MS. The alloy compositions (Au-Ag-Cu-Sn) were determined by EPMA on a small polished area on the edge of the coins. A large beam size, 50µm (diameter), was used to overcome the extreme heterogeneity of these alloys. These analyses were shown to be representative of the bulk composition of the coins. The metallurgical development of the coinages was defined and showed that the earlier coinages followed a debasement trend, which was superceded by a trend of increasing copper at the expense of sliver while gold compositions remained stable. This change occurred with the appearance of the inscribed "POTTINA" coinage, Scheers 30/V. Two typologically different coinages, Scheers 16 and 18 ("Armorican Types") were found to have markedly different compositions which do not fit into the trends described above. A Flan for a gold coin, which may indicate the presence of a mint at the Martberg, was found to have an identicle weight and composition as the Scheers 30/I coins, which preceeded the majority of the coins found at the Martberg in the coin development chronology. The trace element anaylses were made by Laser Ablation-ICPMS using an AridusTM desolvating nebuliser to introduce matrix matched solution standards to calibrate the measurements, which were then normalised to 100%. Quantitative results were obtained for the following elements: Sc, Ti, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Ru, Rh, Pd, Ag, Sb, Te, W, Ir, Pt, Pb, Bi. The remaining elements remain problematic as they produced incorrect standardisations mainly due to chemical effects in solution such as adsorption onto the beaker walls or oxidation : V, Fe, Ga, Ge, As, Mo, Sn, Re, Os, Hg. Changes in the sources of Au, Ag and Cu were observed during the development of the coinages through the variation of trace elements, which correlate positively with the major components of the coin alloys. Changes in the Pt/Au ratios show that the Scheers 23 coins contain distinctly different gold from the later coinages and that the Scheers 18 gold source was also different. Te/Ag was used to show that the Sch.23 coins also contained different silver and some subgroups were observed in the Sch. 30/V coins. A major change in copper source is indicated by the sudden increase of Sb and Ni with the introduction of the Sch. 30/V coins (POTTINA), which can be linked to a similar change in copper observed in the contemporary silver coinage, Sch. 55 (with a ring). Lead isotopic analyses were made by solution- and Laser Ablation - MC-ICP-MS, The laser technique proved to be in good agreement with the solution analyses with precisions between 1 and 0.1%o (per mil). The development of the laser method opens the way for easy and virtually non-destructive Pb isotopic determinations of ancient gold coins. The results showed that Sch. 23 is very different from the following coinages, Sch. 16 and 18 are also different, forming their own group, and all the later "Eye" staters (Sch. 30/I-VI) lie on a mixing line controlled by the addition of copper from a Mediterranean source, probably Sardinia or Spain. An indication of gold and silver sources should be possible with further analyses of the Sch. 23 and Rainbow Cup gold coins and the Sch. 54 and 55 silver coinages. Copper Isotopic analyses were made by solution- and Laser Ablation - MC-ICP-MS. Both techniques require further development to produce more reproducible results. The results show that there appears to be a trend to more positive d Cu65 values for the later coinages and that the link between the copper used in the Sch. 30/V (POTTINA) coins and the silver Sch. 55 (with a ring) coins is also shown by similarly postive d Cu65 values. The full suite of analyses were also made on samples of gold from the region. They were mostly composed of "placer gold", alluvial gold found in rivers. It was found that when a study is restricted to a limited number of deposits or areas then it is possible to distinguish between deposits based on the concentration of those elements which are least affected by transport related alteration processes. These elements include; the PGE's, due to their refractory nature, and those elements which are usually present in high enough concentrations to remain relatively unaffected, eg: Cu, Pb and Sb. Due to the nature of the coin alloy it is not possible to link the gold used in the coins studied here with gold deposits, as the large amounts of Ag and Cu, added to the coin alloys, have masked the Au signature. However, further Pb isotopic analyses of gold deposits should prove useful in determining from which regions Celtic gold was derived.
Terrestrial climate and ecosystem evolution during ‘Greenhouse Earth’ phases of the early Paleogene remain incompletely known. Particularly, paleobotanical records from high southern latitudes are giving only limited insights into the Paleocene and early Eocene vegetation of the region. Hence, data from continuous well-calibrated sequences are required to make progress with the reconstruction of terrestrial climate and ecosystem dynamics from the southern latitudes during the early Paleogene.
In order to elucidate the terrestrial conditions from the high southern latitudes during the early Paleogene, terrestrial palynology was applied in the present study to two well-dated deep-marine sediment cores located at the Australo-Antarctic region: (i) IODP Site U1356 (Wilkes Land margin, East Antarctica) and (ii) ODP Site 1172 (East Tasman Plateau, southwest Pacific Ocean). The studied sequence from IODP Site U1356 comprises mid-shelfal sediments from the early to middle Eocene (53.9 – 46 million years ago [Ma]). For the ODP Site 1172, the studied succession is characterized by sediments deposited in shallow marine environments of the middle Paleocene to the early Eocene (60.7 – 54.2 Ma).
Based on the obtained pollen and spores (sporomorphs) results from the studied sequences of Site U1356 and Site 1172, this study aims to: (1) decipher the terrestrial climate conditions along the Australo-Antarctic region from the middle Paleocene to the middle Eocene; (2) evaluate the structure, diversity and compositional patterns of forests that throve in the Australo-Antarctic region during the early Paleogene; (3) understand the response of forests from the high southern latitudes to the climate dynamics from the early Paleogene; (4) establish a connection between the generated terrestrial palynomorph data and published Sea Surface Temperatures (SSTs) from the same cores.
To decipher the terrestrial climatic conditions on the Australo-Antarctic region, this study relies on the nearest living relative (NLR) concept that assumes that fossil taxa have similar climate requirements as their modern counterparts. This approach was applied to the sporomorph results of Site U1356 and Site 1172, following mainly the bioclimatic analysis. With regard to the structure and diversity patterns of the vegetation from the same region, the present study presents combined qualitative (i.e., reconstruction of the vegetation based mainly on the habitats of the known living relatives) and quantitative (i.e., application of ordination techniques, rarefaction and diversity indices) analyses of the fossil sporomorphs results.
The overall results from the paleoclimatic and vegetation reconstruction approaches applied in the present study, indicate that temperate and paratropical forests during the early Paleogene throve under different climatic conditions on the Wilkes Land margin and on Tasmania, at paleolatitudes of ∼70°S and ∼65°S, respectively.
Specifically, the sporomorph results from Site U1356, suggest that a highly diverse forest similar to present-day forests from New Caledonia was thriving on Antarctica during the early Eocene (53.9 – 51.9 Ma). These forests were characterized by the presence of termophilous taxa that are restricted today to tropical and subtropical settings, notably Bombacoideae, Strasburgeria, Beauprea, Spathiphyllum, Anacolosa and Lygodium. In combination with MBT/CBT paleotemperature results, they provide strong evidence for near-tropical warmth at least in the coastal lowlands along the Wilkes Land margin. The coeval presence of frost tolerant taxa such as Nothofagus, Araucariaceae and Podocarpaceae during the early Eocene on the same record suggests that paratropical forests were thriving along the Wilkes Land margin. Due to the presence of this kind of vegetation, it is possible to suggest that forests in this region were subject to a climatic gradient related to differences in elevation and/or the proximity to the coastline.
By the middle Eocene, the paratropical forests that characterized the vegetation of the early Eocene on the Wilkes Land margin were replaced by low diversity temperate forests dominated by Nothofagus, and similar to present-day cool-temperate forests from New Zealand. The dominance of these forests and the absence of thermophilous elements together with the lower temperatures suggested by the MBT/CBT and the sporomorph-based temperatures indicate consistently cooler conditions during this time interval.
With regard to the sporomorph results of Site 1172, this study suggests that three vegetation types were thriving on Tasmania from the middle Paleocene to the early Eocene under different climatic conditions. During the middle to late Paleocene, warm-temperate forests dominated by Podocarpaceae and Araucariaceae were the prevailing vegetation on Tasmania. The dominance of these forests was interrupted by the transient predominance of cool-temperate forests dominated by Nothofagus and Araucariaceae across the middle/late Paleocene transition interval (~59.5 to ~59.0 Ma). This cool-temperate forest was characterized by a lack of frost-sensitive elements (i.e., palms and cycads) indicating cooler conditions with harsher winters on Tasmania during this time interval. By the early Eocene, and linked with the Paleocene Eocene Thermal Maximum (PETM), Paleocene temperate forests dominated by gymnosperms were replaced by paratropical rainforests with the remarkable presence of the tropical mangrove palm Nypa during the PETM and the earliest Eocene. The overall results from Site U1356 and Site 1172, provide a new assessment of the terrestrial climatic conditions in the Australo-Antarctic region for validating climate models and understanding the response of high-latitude terrestrial ecosystems to the climate dynamics of the early Paleogene on southern latitudes.
The climatic conditions in the higher latitudes during the early Paleogene were further unravelled by comparing the obtained terrestrial and marine results. The integration of the obtained sporomorph data with previously published TEX86-based SSTs from Site 1172 documents that the vegetation dynamics were closely linked with the temperature evolution from the Australo-Antarctic region. Moreover, the comparison of TEX86-based SSTs and sporomorph-based climatic estimations from Site 1172 suggests a warm-season bias of both calibrations of TEX86 (i.e., TEX86Hand TEX86H), when this proxy is applied to high southern latitudes records of the early Paleogene.
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.
NASAs Stardust Mission ist die erste Mission, die - nach den Apollo Missionen zum Mond - Material von einem extraterrestrischen Körper erfolgreich für die Untersuchung auf der Erde, zurückgebracht hat. Desweiteren konnten erfolgreich Proben von einem Interstellaren Partikelstrom aufgesammelt werden, der das Sonnensystem derzeit passiert. Die Mission erlaubt einen Einblick in die Beschaffenheit der Kometenpartikel, die Rolle von Kometen im Sonnensystem sowie den Eintrag von Staub in die Zodiakalwolke. Desweiteren erlaubt die Analyse der Kometenpartikel den direkten Vergleich zu bereits untersuchten Meteoriten und Interplanetaren Staub Partikeln (IDPs) die auf der Erde bzw. deren Stratosphäre gesammelt wurden. Stardust ist die vierte ”Discovery” Mission und wurde am 7. Februar 1999 gestartet. Während des Fluges zum Kometen 81P/Wild 2 wurde ein interstellarer Partikelstrom beprobt und der Asteroid Annefrank passiert. Nach fünf Jahren kam es zum Zusammentreffen mit dem Kometen 81P/Wild 2 und über fünf Minuten, wurden Proben mit einer Auffangvorrichtung eingesammelt. Es dauerte weitere zwei Jahre bis die Stardust Sonde die Proben erfolgreich zur Erde zurückgebracht hat und zur Untersuchung freigegeben wurden. Interstellare und kometare Partikel wurden mit einer tennisschlägerartigen Auffangvorrichtung eingefangen, die aus einer Vielzahl von Aerogel Zellen aufgebaut ist. Das für die Stardust Mission verwendete Aerogel besteht aus SiO2 dessen dendritische Struktur zu 99,8 % aus Luft (Poren) besteht. Dadurch erscheint es nahezu transparent, was die optische Suche mit Mikroskopen nach den Einschlagsspuren der Körner vereinfacht. Die jeweiligen Partikel wurden auf unterschiedlichen Seiten der Vorrichtung eingefangen, da unterschiedliche Eigenschaften des Aerogels notwendig waren und um sie später voneinander unterscheiden zu können. Die Seite, in der die Kometenpartikel eingefangen wurde, musste Körner mit unterschiedlichen Grössen, Morphologien und niedrigeren Geschwindigkeiten abbremsen, während auf der interstellaren Seite die Körner von wesentlich höheren Geschwindigkeiten abgebremst werden mussten. Die Aerogelzellen haben ein variierendes Dichteprofil: an der Oberfläche ist die Dichte geringer (5 mg/ml) und erhöht sich mit der Tiefe auf 30-50 mg/ml. Dieses Dichteprofil ist notwendig, da beim Einschlag der Körner auf das Auffangmedium ein hoher Druck entsteht, der umso geringer ist, je niedriger die Dichte im Moment des Auftreffens ist. Die Aerogelzellen für die Kometenpartikel haben drei Lagen mit unterschiedlichen Dichten, die Zellen für die interstellaren Körner haben zwei unterschiedliche Dichten (Tsou et al., 2003)....
Der neoproterozoische Faltengürtel Kameruns (NFBC) ist durch Zahlreiche Pan- Afrikanische Plutone charakterisiert, die von krustalen Scherzonen durchsetzt werden. Der NFBC resultiert aus der Konvergenz des Westafrikanischen und des Kongo/Saõ-Francisco Kratons. Die Borborema Provinz (BOP) in NE-Brasilien wird als Äquivalent des NFBC angesehen. Bisher vorliegende Daten legen nahe dass die Borborema Scherzonen in kontinentaler Kruste durch dextrale Extrusion der BOP enstanden sind. Letztere wurde durch differentielle Bewegungen (Rotation induziert durch Subduktion und Kollision) des Kongo/Saõ- Francisco und des Westafrika-Kratons ausgelöst. Die Aktivität der Scherzonen fällt mit einer Hochtemperatur-Mittel- bis Niederdruckmetamorphose zusammen, welche mit partieller Aufschmelzung und Intrusion krustaler sowie Mantelschmelzen einhergeht. Die Bewegungen entlang dieser Scherzonen begannen zwischen 590 und 570 Ma und hielten bei abnehmender Temperatur bis etwa 500 Ma an. Ob die Scherzonen der BOP tatsächlich in den NFBC hineinreichen, war bisher nicht eindeutig geklärt. Die tektonometamorphe und magmatische Entwicklung des NFBC ist aufgrund fehlender struktureller, petrologischer und geochronologischer Daten kaum verstanden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Platznahme und Deformation der Plutone im Bereich des westlichen NFBC in der Region von Bafoussam-Batcha. Es wurden strukturelle Untersuchungen sowie U-(Th)-Pb Datierungen von Zirkon und Monazit durchgeführt. Die gewonnenen Daten werden mit bisher vorliegenden Daten aus den benachbarten Arealen des NFBC und aus äquivalenten Arealen Brasiliens verglichen. Innerhalb des NFBC lassen sich drei wesentliche proterozoische Gesteinseinheiten unterscheiden: (1) hoch-gradige metamorphe Komplexe mit palaeoproterozoischem Alter (Eburnium), bestehend aus Metasedimenten und Metaplutoniten, welche im Pan-Afrikanischen Granit-Batholith von Zentral-Kamerun vorkommen (in der Region von Bafia und Adamaoua); (2) einen Schiefer-Gürtel neoproterozoischen Alters, der die Becken von Poli, Lom und Yaoundé beinhaltet, und (3) Pan-Afrikanische (Meta-)Granitoide. Untersuchungen im nördlichen (Region von Poli), südlichen (Region von Yaoundé) und östlichen (Region von Lom-Ngaoundere) zeigen, dass die geodynamische Entwicklung durch Überschiebungs und Blatterverschiebungstektonik charakterisiert ist. Im nördlichen NFBC existieren E-W streichende, flach einfallende Foliationen, welche während der Überschiebung des NFBC auf den Kongo-Kraton entstanden. Im westlichen NFBC existieren vor allem geochemische und petrologische Daten. Die regionale Geologie wird hier durch Pan-Afrikanisches grundgebirge bestimmt, welches aus Graniten und Metamorphiten besteht, die wiederum von känozoischen Magmatiten (Granite, Vulkanite) durchsetzt bzw. überlagert werden. Vorhandene Daten zu Pan-Afrikanischen Plutonen des Untersuchungsgebiets und angrenzenden Regionen zeigen, dass in vielen Regionen ein große Variabilität hinsichtlich des Gesteinschemismus vorliegt, welche von basischen bis hin zu granitischen Gesteinen reicht, wobei der geochemische Charakter i.d.R. kalkalkalin bis alkalin ist. Das initiale Strontium-Verhältnis und Sm-Nd Daten einiger Granite indizieren eine Aufschmelzung im Mantel bei anschließender Kontamination durch kontinentale Kruste. Aufgrund der Anfälligkeit der Rb-Sr Methode existieren kaum verlässliche Alter von Granitoiden des NFBC. Durch die großen Fehler der Rb-Sr Alter sind neben den Platznahmealtern auch die Zeitpunkte der vorhandenen Wiederaufschmelzung weit gehend unbekannt. Durch detaillierte Geländearbeit gelang eine Gliederung des Areals in verschiedene Teilkomplexe. Diese sind der Migmatit-Komplex von Foumbot (MCF), der Bangwa-Komplex (BC), der Komplex von Chepang (CC) und der jüngeren Batié-Pluton (BP), welcher die übrigen Komplexe diskordant durchschlägt. Der BP selbst wird vom känozoischen Batcha Pluton durchsetzt. Innerhalb des MCF existiert eine bedeutende ENE-WSW streichende Scherzone. Im zentralen und südlichen Arbeitsgebiet reichen NE-SW streichende Scherzonen in den BP sowie in den CC und den BC hinein. Der MCF besteht aus Diatexit, Metatexit und Amphibolit. Merkmale wie Scherfaltung älterer Gefüge entlang ENE-WSW streichender Scherflächen und progressive Leukosombildung im Bereich der Faltenscharniere machen deutlich, dass partielle Aufschmelzung mit zunehmender Deformation einhergeht. Bereiche mit hoher Strain-magnitude zeigen koaxiale Plättung an. Die ENE-WSW verlaufende Scherzone weist dextrale Kinematik auf, wobei ältere sinistrale Bewegungen nicht ausgeschlossen werden können. Einzelzirkone von Diatexiten der MCF wurden mittels LA-ICPMS datiert. Mindestens drei Altersdomänen wurden dabei identifiziert: (a) elongierte bis gerundete Zirkon-Kerne mit Altern um 671 ±6 Ma; (b) oszillierend zonierte Zirkon-Mäntel, wahrscheinlich magmatischen Ursprungs, mit einem Alter von 639 ±5 Ma, interpretiert als das Intrusionsalter des Diatexits; (c) rekristallisierte Zirkon-Ränder mit einem Alter von 597 ±6 Ma, welches vermutlich die Metamorphose und Anatexis datiert. Der BC setzt sich aus unterschiedlich stark deformiertem Quarz-Diorit, Granodiorit, Syenogranit, Leucogranit und Monzonit zusammen. Quarz-Diorit und Granodiorit erscheinen in Form von cm- bis m-mächtigen foliierten Körpern. Die Foliation ist im Osten subhorizontal, gen Westen aber fällt sie zunehmend steil nach NE ein. Syenogranit und Leukogranit bilden größere Körper und weisen eine steile, nach NE einfallende, submagmatische Foliation auf. Innerhalb der (Syeno)granite weisen kristallplastische Verformung und Rekristallisation von Feldspat sowie vorhandene S-C Gefüge auf eine Deformation im Subsolidusbereich, d.h. während der Abkühlung, hin. Die aus den Mikrogefügen abgeleiteten Deformationsmechanismen charakteristischer Minerale der Quarz-Diorite und Granodiorite deuten hingegen auf Verformung unter Bedingungen einer hoch- und niedriggradigen Metamorphose hin. Innerhalb NE-SW verlaufender Mylonite am Kontakt BC/BP wird ein dextraler Schersinn durch S-C Gefüge angezeigt. In den zentralen Bereichen des BC sind Überprägungen sinistraler durch dextrale Scherzonen hingegen nur lokal sichtbar. Die Phengit-Zusammensetzung deformierter Gesteine deutet auf Scherung bei einem Maximaldruck von ca. 4.5 kbar bei T = ca. 500 °C hin. Die östlichen Nebengesteine des BC in der Region von Maham sind Migmatite, deren subhorizontale Foliation in zunehmendem Maße in wenige cm bis einige m mächtige ENE-WSW streichende Scherzonen übergeht. Die Gefüge der Migmatite der Region von Maham und (grano)dioritischer Gesteine des BC deuten auf eine regionale Überschiebungstektonik mit SSE gerichtetem Deckentransport hin. Die Zirkon- und Monazitalter deuten auf zwei Altersgruppen innerhalb des BC hin mit jeweils unterschiedlichen Platznahmealtern. Die ältere Gruppe besteht aus Quarzdiorit (643 ±5 Ma und 641 ±4 Ma, LA-ICPMS Daten, U-Pb Zirkonalter) und Granodiorit (638 ±2 Ma, IDTIMS Daten; 641 ±8 Ma und 641 ±2 Ma, LA-ICPMS Daten; U-Pb Zirkonalter), die jüngere Gruppe umfasst Syenogranit (598 ±21 Ma, 605 ±11 Ma, EMP Daten, U-Th-Pb Monazitalter) und Leukogranit (607 ±3 Ma und 603 ±4 Ma, LA-ICPMS Daten; U-Pb Zirkonalter). 206Pb/238U Alter zwischen 656 ±9 Ma und 718 ±13 Ma wurden an Zirkonkernen des Granodiorits bestimmt. Eine Regressionsgerade durch alle analysierten Kerne ergibt ein oberes Schnittpunktalter von 672 ±8 Ma. Der CC wird von im m-Maßstab wechselnden Lagen dioritischer und granitischer Zusammensetzung aufgebaut. Eine mylonitische Foliation streicht NE-SW. S-L-gefüge und Quarz-[c]-Achsen Verteilungen weisen auf Plättung unter hochgradigen Bedingungen (T = 650 °C) hin. Phengit-Barometrie mylonitisierter Granite ergibt einen Maximaldruck von 6 kbar bei T = ca. 500°C. Radiometrische Untersuchungen des mylonitischen Granits des CC wurden mittels LAICPMS an Zirkon und Monazit sowie mit Elektronenstrahlmikrosonde (EMP) an Monazit durchgeführt. Das EMP Monazit Alter (621 ±33 Ma) und LA-ICPMS Alter (622 ±13, oberes Schnittpunktalter; 611 ±4 und 608 ±6 Ma, gewichtete Mittelwerte der 208Pb/232Th und 207Pb/238U Alter) stehen im Einklang mit dem konkordanten LA-ICPMS Zirkonalter (611 ±5 Ma). Letzteres wird als Intrusionsalter des Granits interpretiert. Der BP wird im Wesentlichen von mittel- bis grobkörnigem Syenogranit aufgebaut. Speziell im Randbereich werden magmatische Gefüge (Fließgefüge, Aggregate von xenomorphem Quarz) durch submagmatische Gefüge überprägt und schließlich ersetzt (kristallplastische Deformation und Rekristallisation von Quarz und Feldspat, Bildung von Myrmekiten und S-C Gefügen). Sowohl die vom magmatischen bis in das Subsolidus-Stadium anhaltende Deformation, als auch die Parallelität der steil einfallenden postmagmatischen Foliation im Randbereich des BP und den angrenzenden BC, CC und MCF weisen auf eine synkinematische Platznahme des BP entlang krustaler Blattverschiebungen hin. Ein Konkordiaalter von 602 ±1.4 Ma wurde mit der ID-TIMS Methode erhalten. Mittels LAICPMS wurde ein Alter von 599 ±13 Ma (oberes Schnittpunktalter) bestimmt, welches im Fehler dem ID-TIMS Konkordia-Alter gleicht. Letzteres wird als Platznahmealter interpretiert. Die Kombination geochronologischer und struktureller Daten erlaubt die Unterscheidung von insgesamt drei tektono-magmatischen Abschnitten: Phase I ist durch die Platznahme dioritischer und granodioritischer Gesteine des BC sowie der Protolithe der Migmatite des MCF bei etwa 640 Ma charakterisiert. Während Phase II bei ca. 607 Ma intrudierten Syenogranit und Leukogranite in den BC und der Granits des CC. Gleichzeitig unterlagen die 640 Ma alten Granite einer hochgradigen Metamorphose. Die Intrusion der 607 Ma alten Plutonite geht einher mit einem Wechsel von Überschiebungstektonik hin zu sinistraler Blatterverschiebungstektonik. Die Platznahme des porphyritischen Syenogranits von Batié vor ca. 600 Ma, welche dextrale Bewegungen im Randbereich des BP und unmittelbar angrenzender Nebengesteine auslöste, stellt die dritte tektono-magmatische Phase dar. Alter von 700 bis 660 Ma, bestimmt an Zirkonkernen der Migmatite des MCF und der Granodiorite des BC, indizieren eine Platznahme der ältesten Granite in Pan-Afrikanischem Basement. Einige ererbte Zirkonkerne paläoproterozoischen Alters innerhalb des Leukogranits des BC deuten auf die Beteiligung Eburnischer Kruste in der Entwicklung der Pan-Afrikanischen Granite hin. Die neuen Daten bestätigen bisherige Vermutungen, dass der westliche NFBC ein afrikanisches Äquivalent zur Borborema Provinz Brasiliens darstellt. Auffällig sind geochronologische Übereinstimmungen bei den (Meta)granitoiden und den prä- bis synkinematischen Brasiliano Granitoiden der Borborema Provinz. Auf der anderen Seite ist speziell in der späten Entwicklung ab ca. 600 Ma die Kinematik blattverschiebender Bewegungen teilweise unterschiedlich. Eine mögliche Ursache sind lokale Variationen im Stressfeld, bedingt durch die Platznahme der syn- bis spät-tektonischen Magmatite.
This thesis aims to analyse in a first step the physical and chemical properties of soil profiles along pedomorphological transects in different land used conditions (protected, partly protected as well as cultivated and pastured areas) in North West Benin and in South East Burkina Faso. The information about soils, which are carried out in consideration of the pedogenesis processes like weathering types, saprolitisation, formation of laterite crusts and denudation within the planation surfaces are therefore correlated in a second step with the structure and dynamic of woody plant around individual soil profiles. The relationship soil properties and woody plant is investigated in order to assess the reciprocal influence between the diversity of woody plants and soil characteristics within a small scale study and under different land use conditions.
A common vertical and lateral differentiation of physical and chemical properties regardless of the partly protected, protected and cultivated status of the sites can be noticed. Thus, in the cultivated site of Kikideni and in the partly protected zone of Natiabouani (South East Burkina Faso) sandy loam and sandy clay loam soil surfaces are widespread because of the occurrence of similar erosion processes like sheet wash, rill and gully erosion while in the central part of the Pendjari National Park loamy soil textures are prevailing. In fact, the steepness of the relief and the length of the slopes in the Pendjari Park seem to limit the development of some erosion forms as gully. Furthermore, the classification of soils reflects the variation of pedological processes along the transects and thus the occurrence of different soil types. The status of the sites may play an insignificant role in the differentiation of soil properties within the scale of small pedomorphological transects. A direct comparison of the vegetation type in the land use respectively partly protected and in the total protected sites (National Park of Pendjari) reveals a transition from the shrub savanna to the tree savanna. In conclusion it is important to insist on the fact that the variations of soil parameters within small slopes and the different sites are more conditioned by varying erosion processes and drainage conditions than the status protected or land use sites while the composition and diversity of plants is influenced by the status of the sites, the prevailing management tools, the pedogenetic conditions as well as the presence of wild animals like elephants. The ordination diagram shows that the organic matter is better correlated to the subgroup representing principally the sites of the hunting zone of the Pendjari Park and might be an explaining factor to the distribution of these sample sites groups. CEC ratios in the partly protected site of Natiabouani represent the highest measured in all sites. Nevertheless, statistical analysis of the CCA (canonical correspondence analysis) indicates generally a low correlation. This tendency is consolidated by the Monte Carlo test (p=0.14) which is a good indicator of species and environmental conditions. The detailed analysis of soil properties and the vegetation dynamic as well as their relationship within small pedomorphological transects represent an important pedological and botanical data collection involving different compartments. This thesis contributes to the better understanding of the savanna landscapes of West Africa and may provide essential scientific background for each development project directed towards interdisciplinary and integrative researches.
Für eine möglichst vollständige analytische Beschreibung werden in der statistischen Klimatologie beobachtete Klimazeitreihen als Realisation eines stochastischen Prozesses, das heißt als eine Folge von Zufallsvariablen verstanden. Die Zeitreihe soll im wesentlichen durch eine analytische Funktion der Zeit beschrieben werden können und die Beobachtung nur durch Zufallseinflüsse von dieser Funktion abweichen. Diese analytische Funktion setzt sich aus der Summe zeitlich strukturierter Komponenten zusammen, welche aus klimatologischem Blickwinkel interpretierbar erscheinen. Es werden Funktionen zugelassen, die den Jahresgang, Trends, episodische Komponenten und deren Änderung beschreiben. Die Extremereignisse sind als eine besondere weitere Komponente in die Zeitreihenanalyse aufgenommen und als von Änderungen in den Parametern der Verteilung unabhängige, extreme Werte definiert. Die Zufallseinflüsse sollen zunächst als Realisierungen unabhängiger normalverteilter Zufallsvariablen mit dem Erwartungswert Null und im Zeitablauf konstanter Varianz interpretiert werden können. In diesem Fall beschreibt die analytische Funktion der Zeit, die Summe detektierter strukturierter Komponenten, den zeitlichen Verlauf des Mittels. Ein zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich beobachteter Wert kann dann als eine mögliche Realisation einer Zufallsvariablen interpretiert werden, die der Gaußverteilung mit dem Mittelwert µ(t) zur Zeit t und konstanter Varianz genügt. Da die zugrundeliegenden Annahmen, unter Verwendung klimatologisch interpretierbarer Basisfunktionen, in der Analyse von Klimazeitreihen, die nicht die Temperatur betreffen, zumeist nicht erfüllt sind, wird in eine Verallgemeinerung des Konzepts der Zeitreihenzerlegung in einen deterministischen und einen statistischen Anteil eingeführt. Zeitlich strukturierte Änderungen werden nun in verschiedenen Verteilungsparametern frei wählbarer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen gesucht. Die gängige Beschränkung auf die Schätzung einer zeitlich veränderlichen Lokation wird aufgehoben. Skalenschätzer sowie Schätzer fär den Formparameter spielen ebenso relevante Rollen fär die Beschreibung beobachteter Klimavariabilität. Die Klimazeitreihen werden wieder als Realisation eines Zufallprozesses verstanden, jedoch genügen die Zufallsvariablen nun einer frei wählbaren Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion. Die zeitlich strukturierten Änderungen in den Verteilungsparametern werden auf Basis der gesamten Zeitreihe für jeden Zeitpunkt geschätzt. Die aus der Analyse resultierende analytische Beschreibung in Form einer zeitabhängigen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ermöglicht weiterhin die Schätzung von Über- und Unterschreitungswahrscheinlichkeiten beliebig wählbarer Schwellenwerte für jeden Zeitpunkt des Beobachtungszeitraums. Diese Methode erlaubt insbesondere eine statistische Modellierung monatlicher Niederschlagsreihen durch die Zerlegung in einen deterministischen und einen statistischen Anteil. In dem speziellen Fall von 132 Reihen monatlicher Niederschlagssummen deutscher Stationen 1901-2000 gelingt eine vollständige analytische Beschreibung der Reihen durch ihre Interpretation als Realisation einer Gumbel-verteilten Zufallsvariablen mit variablem Lage- und Streuparameter. Auf Basis der gewonnenen analytischen Beschreibung der Reihen kann beispielsweise im Westen Deutschlands auf Verschiebungen der jährlichen Überschreitungsmaxima des 95%-Perzentils von den Sommer- in die Wintermonate geschlossen werden. Sie werden durch relativ starke Anstiege in der Überschreitungswahrscheinlichkeit (bis 10%) in den Wintermonaten und nur geringe Zunahmen oder aber Abnahmen in den Sommermonaten hervorgerufen. Dies geht mit einer Zunahme der Unterschreitungswahrscheinlichkeit in den Winter- und einer Abnahme in den Sommermonaten einher. Monte-Carlo-Simulationen zeigen, daß jahreszeitlich differenzierte Schätzungen von Änderungen im Erwartungswert, also gebräuchliche Trends, auf Basis der Kleinst-Quadrate-Methode systematischen Bias und hohe Varianz aufweisen. Eine Schätzung der Trends im Mittel auf Basis der statistischen Modellierung ist somit ebenso den Kleinst-Quadrate-Schätzern vorzuziehen. Hinsichtlich der Niederschlagsanalysen stellen jedoch aride Gebiete, mit sehr seltenen Niederschlägen zu bestimmten Jahreszeiten, die Grenze der Methode dar, denn zu diesen Zeitpunkten ist eine vertrauenswürdige Schätzung einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion nicht möglich. In solchen Fällen ist eine grundsätzlich andere Herangehensweise zur Modellierung der Reihen erforderlich.
The stable isotope geochemistry of pedogenic and lacustrine carbonate and fossil herbivore tooth enamel is a powerful tool to study the evolution of terrestrial paleoenvironments. This thesis aims to reconstruct Neogene ecosystems in the Karonga Basin in the southern part the East African Rift (EAR) and the Central Anatolian Plateau (CAP).
Karonga Basin: Understanding the development of East African savanna biomes is crucial for reconstructing the evolution, migration and dietary behaviors of early hominins. These rift ecosystems range from closed woodland to open grassland savanna and vary widely in fraction of woody cover. Here I present Plio-Pleistocene carbon (δ13C) and oxygen (δ18O) records from pedogenic carbonate and fossil herbivore tooth enamel collected from the Malawi Rift. This is the first southern hemisphere long-term record in the East African Rift.
The studied ca. 4.3 Ma to 0.6 Ma deposits of the Chiwondo Beds (Karonga Basin) are home to two hominin fossil finds, a maxillary fragment of Paranthropus boisei and a mandible of Homo rudolfensis, both dated to ca. 2.4 Ma. The study site is situated between the well-known hominin-bearing localities of eastern and southern Africa and hence fills an important geographical gap for early hominin research.
The δ13C values of pedogenic carbonate (n = 321) and of enamel from 14 different large-bodied herbivorous mammal taxa (suid, equid, bovid, elephant an hippopotamus; n = 122) permit assessment of the evolutionary history of C3 and C4 biomass, which is closely linked to climate patterns. The reconstruction of C4-grassland development offers insights into the retreat of tree cover and the distribution and seasonality of precipitation. δ18O values reflect hydrological patterns, and we supplement the data of fossil proxy material with analyses of modern meteoric water to evaluate influences of seasonality and evaporation.
Consistent δ13C values around -9‰ and δ18O values of ca. 24‰ of the pedogenic carbonate from 14 sections spanning the last 4.3 Ma indicate a relatively mesic and persistent climate with C3-dominated woodland savannas in the Karonga Basin. The data from tooth enamel of suid, elephant, and hippo taxa complement these findings with constantly low δ13C and δ18O values, demonstrating intake of mainly C3 biomass and water from sources which are only very limited affected by evaporation.
In contrast, Karonga Basin equid and bovid taxa reflect much more complex dietary patterns, ranging from mixed C3/C4-feeders to strongly C4-influenced diets. Intra-tooth δ18O values also show large variations, indicating water intake from resources that differ in their isotopic composition and therefore experienced different hydrological settings.
Overall, the stable isotope data reflect a mostly C3-dominated mesic paleoecosystem, which comprises patches of more open C4-grasslands within the range of migrating mammals. Supplementary analyses of δ18O values of modern meteoric water (precipitation, lake, river and groundwater; n = 111) show a similar magnitude to the fossil herbivore oxygen isotopic values. Expected 18O values of the drinking water calculated from herbivore enamel of animals with a mixed- or C3-diet indicate water intake from barely evaporated sources. Specialized feeders with a high C4-consumtion, however, reflect s|||||||||||||||||||||values of 16O-depleted reservoirs, similar in δ18O |||||||||||| to modern evaporated lakes.
The absence of long-term trends towards more positive δ13C and δ18O values in the Karonga Basin contrasts the increasing role of C4-grasslands since ca. 2.5 Ma in the Eastern Rift. Our data hence point to regional differences in climate and vegetation dynamics during the Plio-Pleistocene. Therefore, regions that are home to early hominins such as H. rudolfensis and P. boisei may have had a different environmental history when compared to the Eastern Rift. This suggests that hominin adaptation is not necessarily directly linked to the emergence of open landscapes.
Central Anatolian Plateau: The development of relief and climate patterns in the Central Anatolian Plateau is long-standing debate in modern paleoecological studies. This thesis presents long-term δ13C and δ18O records on five lacustrine successions, which are widely distributed across the CAP. Also, new 40Ar/39Ar geochronological data from volcanic ashes are established in addition to existing biostratigraphic and paleomagnetic data.
Field relationships combined with stable isotope data of 230 lacustrine carbonates indicate a Late Oligocene environment that was characterized by large, temporally open freshwater lakes in a relatively humid subtropic climate. In the middle Aquitanian, an increase in lake δ18O values reflects more arid settings and an overall increasing dominance of closed saline lakes. This time was probably characterized by frequent climatic fluctuations, recording the influence of seasonality, topography and the waxing and waning of aridity.
Die Chemie und der Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre werden durch die nur in relativ geringen Konzentrationen vorhandenen Spurengase und Aerosolpartikel beherrscht. Mit den zunehmenden anthropogenen Emissionen von atmosphärischen Spurengasen, verursacht durch die wachsende Weltbevölkerung und die zunehmende Industrialisierung, wurde in den letzten Dekaden ein globaler Wandel bei der Zusammensetzung der Erdatmosphäre festgestellt: Konzentrationen von atmosphärischen Spurenstoffen verändern sich nicht mehr auf vergleichsweise langsamen geologischen Zeitskalen, sondern mit viel höheren Geschwindigkeiten, in einzelnen Fällen von bis zu einem Prozent pro Jahr. Die wohl bekanntesten Folgen dieser Veränderungen sind die globale Erwärmung durch die ansteigenden Emissionen von Treibhausgasen und der mit dem antarktischen 'Ozonloch" entdeckte drastische Ozonverlust in der Stratosphäre durch anthropogene Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW). Die Verteilung der für Ozonchemie und Klima relevanten Spurengase in der Atmosphäre hängt dabei nicht nur von der Verteilung ihrer Quellen und Senken ab, sondern wird maßgeblich durch verschiedene Transportprozesse beeinflußt. Der Austausch zwischen der mit anthropogenen Emissionen belasteten Troposphäre und den höheren Atmosphärenschichten Stratosphäre und Mesosphäre spielt dabei eine zentrale Rolle. Im Rahmen der Dissertation wurde zum besseren Verständnis von Stratosphären-Troposphären-Austauschprozessen die Verteilung von langlebigen Spurengasen in den beiden atmosphärischen Kompartimenten Troposphäre und Stratosphäre untersucht. Dazu wurde bei einer Meßkampagne im Sommer 1998 im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojektes STREAM 98 der flugzeuggetragene Gaschromatograph GhOST (Gas chromatograph for the Observation of Stratospheric Tracers) an Bord einer Cessna Citation II der TU Delft in Höhen bis 13 km eingesetzt. Dabei konnten bei zwanzig Meß- und Transferflügen über Kanada, dem Atlantik und Westeuropa umfangreiche Messungen der langlebigen Spurengase N20, F11 und F12 in der oberen Troposphäre und der Untersten Stratosphäre durchgeführt werden. Unter Flugbedingungen wurde mit GhOST während der Kampagne eine Reproduzierbarkeit (1 o) von besser als 0,6 % und eine absolute Genauigkeit von besser als 2 % für alle nachgewiesenen Spurengase erreicht. Diese hohe Meßpräzision konnte durch zahlreiche Vergleichsmessungen mit anderen Meßgeräten und Meßverfahren - im Flugbetrieb und im Labor sichergestellt werden; die Linearität des Geräts wurde zudem mit Hilfe einer barometrisch hergestellten Verdünnungsreihe untersucht. Die mit GhOST bei STREAM 98 gewonnenen Meßwerte wurden zusammen mit Messungen und Modelldaten der am Projekt beteiligten Arbeitsgruppen zur Untersuchung von Spurengasverteilungen und Stratosphären-Troposphären-Austauschprozessen herangezogen. Untersucht wurden dabei unter anderem die Verteilung und Variabilität von N20, F11 und F12 in der Troposphäre und in der Untersten Stratosphäre der mittleren Breiten, Austausch- und Mischungsprozesse in der Tropopausenregion und die Variabilität von Tracer/Tracer-Korrelationen in der Untersten Stratosphäre. Aufbauend auf den Erfahrungen bei STREAM 98 wurde für das vom BMBF geförderte Projekt SPURT im Rahmen dieser Doktorarbeit der in-situ-Gaschromatograph GhOST II entwickelt. Unter Beibehaltung der gaschromatographischen Komponenten von GhOST wurden zur Messung der Spurengase SF6 und CO zwei zusätzliche Detektoren integriert und zahlreiche technische Verbesserungen durchgeführt. Für die vollautomatische rechnergestützte Elektronik zur Steuerung des neuen Gerätes wurden zusammen mit der institutseigenen Elektronikwerkstatt verschiedene Baugruppen zur Signalführung und -verarbeitung, zur Temperaturmessung und zur Ansteuerung von Leistungskomponenten entwickelt. Während einer Testkampagne im April 2001 wurde GhOST II erfolgreich mechanisch und elektrisch auf einem Learjet 35A integriert und kam bei zwei Meßflügen der Meßkampagne SPURT 1 im November 2001 zum Einsatz.
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.
In vorliegender Studie wurde lebend und tot gesammeltes Schalenmaterial der Europäischen Flussperlmuschel Margaritifera margaritifera verschiedener Lokalitäten in Schweden, Finnland und Deutschland (bzw. Frankreich) sklerochronologisch und isotopengeochemisch untersucht. Sauerstoffisotopen-Zeitreihen, trendbereinigte und standardisierte stabile Kohlenstoffisotopen-Zeitreihen (SSCI) sowie jährliche Zuwachsraten (SGI-Zeitreihen) jeder der acht Populationen sind zu Compound-Chronologien zusammengefasst und auf Zusammenhänge mit Temperatur, Sonnenflecken-Zyklen und Niederschlag untersucht sowie auf Korrelationen mit verschiedenen Klimaindizes (z.B. dem Dipol der Meeres-Oberflächenwasser Temperatur-Anomalien im Nordatlantik, NADP-SST, und der Nordatlantischen Oszillation, NAO) getestet worden. Im Vergleich ergaben sich für die geglätteten Zeitreihen (25-Jahresfilter) Korrelationskoeffizienten von r = 0,57 (SGI Master-Chronologie und NAO) bzw. r = 0,59 (Master-Chronologie) und NADP-SST. Obwohl weder Isotopendaten noch Zuwachschronologien der Muscheln auf hochfrequenten Signalen hohe Korrelationen mit instrumentellen Messdaten aufweisen, sind dekadische Klimaoszillationen deutlich repräsentiert. Mit zunehmendem Lebensalter nimmt der Schalenzuwachs exponentiell ab. Gleichzeitig nähern sich die d13C-Werte der Schale dem d13CDIC-Wert des Wassers, der bei den hier untersuchten Lokalitäten zwischen -9,3 ‰ und -12,7 ‰ lag. Erst im hohen Lebensalter findet also die Schalenbildung nahezu im kohlenstoffisotopischen Gleichgewicht mit dem umgebenden Medium statt. In der Jugend der Tiere hingegen wirken sich lokalitätsspezifische Trends aus. Extrinsische Faktoren führen zu drei Mustern: 1) Trends hin zu stärker negativen d13C-Werten (um etwa -4,5 ‰) in den Bächen Nuortejaurbäcken (NJB) und Grundträsktjärnbäcken (GTB), 2) Trends hin zu weniger stark negativen d13C-Werten (um etwa +4,5 ‰) in den großen Flüssen (GJ: Görjeån, NWS: Tarn/Frankreich) und 3) Schwankungen um etwa ±1,5 ‰ um einen Mittelwert (RG: Regnitz). Der Einfluss auf die d13C-Trends könnte möglicherweise in Veränderungen der Bioproduktivität begründet sein, da sich diese unmittelbar auf den DIC-Pool des umgebenden Milieus und des Habitats auswirkt. In den Sauerstoffisotopen spiegelte sich die geographische Herkunft des untersuchten Materials wider. Die Chronologien der am nördlichsten gelegenen Populationen wiesen d18OMittelwerte von -11,5 ‰ (GJ), bzw. -9,5 ‰ (NJB, GTB) auf, die RG-Chronologie von -7,9 ‰ und die Zeitreihe der NWS von -5,3 ‰. Im Gegensatz zu anderen Arbeiten zeigten die untersuchten Individuen jedoch keinen statistischen Zusammenhang mit annuellen Temperaturdaten. Als beeinflussende Faktoren kommen die Schneeschmelze und die isotopengeochemische Ausprägung des Habitats (See, Fluss, Bach) in Frage. Eine sehr hohe Korrelation von r = -0,74 (25-Jahresfilter) wurde zwischen der Görjeån-Chronologie (d18OAragonit) und Niederschlagsraten für das in der Nähe des Flusses gelegene Jokkmokk festgestellt.
Indian Ocean came into existence with the breakup of Gondwana in the Mesozoic era. The presence of complex aseismic ridges and plateaus in the Indian Ocean makes it the least-understood of all the oceans. Mascarene Plateau, apart from Central Indian Ridge (CIR) running north-south between 2◦N and 25◦S in the Indian Ocean, is one such complex feature in the Indian Ocean that consists of Seychelles microcontinent in the north and the volcanic islands of Mauritius, La Réunion and Rodrigues in the south.
Most of the previous seismological studies on the islands of Mauritius, Rodrigues and Seychelles are restricted as each of them has only one operational permanent station. In the current study, I present the results obtained from the investigations of the seismological data obtained from the deployment of temporary seismic network on Mauritius (November, 2012–August, 2014) and Seychelles (March, 2013–March, 2015) under Réunion Hotspot and Upper Mantle–Réunions Unterer Mantel (RHUM–RUM) project and later in Rodrigues (September, 2014–June, 2016) under a collaborative project between Goethe-Universität, Frankfurt, Germany and Mauritius Oceanography Institute (MOI), Mauritius. Additional data from the permanent stations were also used in this study. The investigations and results are presented under three themes, namely: (1) crustal structure beneath Mauritius, (2) upper mantle anisotropy below Mauritius, Rodrigues and Seychelles and (3) intraplate seismicity in the Rodrigues–CIR region.
Upper mantle anisotropy in south-west Indian Ocean region are very limited, especially from the islands of Mauritius and Rodrigues. With the new data from the seismic stations deployed in Mauritius and Seychelles, under RHUM–RUM, and permanent stations in Rodrigues, I constrain the upper mantle flow pattern beneath these islands. From the joint-splitting analysis, I obtain fast-polarisation direction (φ) dominant in N80◦E and delay time (δt) of ≈0.85 s for Mauritius and φ tending east–west in Rodrigues with δt of ≈1.1 s. Parabolic asthenospheric flow model explains the orientation of the fast-polarisation direction beneath Mauritius, whereas deep mantle circulation patterns best explain the horizontal alignment of the fast-polarisation direction in Rodrigues. From Seychelles data, the results show φ trending NE and δt ≈0.74 s, even for the island close to Amirante Ridge, suggesting an asthenospheric deformation induced by relative motion between the plate and the deep mantle flow.
It has recently been suggested that the volcanic island of Mauritius may be underlain by a remnant of continental origin termed “Mauritia.” To constrain the crustal thickness beneathMauritius, I analysed data from 11 land stations, 10 of which were deployed recently under the RHUM–RUM project. From the recordings, I obtained 382 P-receiver functions. On the obtained receiver functions, I applied the H–κ stacking technique and derived the crustal thickness of ≈10–15 km. I observe a considerable variation in the VP/VS ratio caused by a lack of clear multiples. Using forward modelling of receiver functions, I show that the lack of clear multiples can be explained by a transitional Moho, where the velocity increases gradually. The modelling further indicates that the thickness of this gradient zone is estimated to be ≈10 km. I argue that my findings suggest oceanic crust thickened by crustal underplating due to the mantle plume currently located beneath La Réunion.
Seismicity around Rodrigues Island is generally associated with events recorded by the global networks along the CIR. Using seismological array techniques on the data collected by the temporary deployment of seismic array on Rodrigues Island for a period of 22 months (September, 2014–June 2016), 62 new events were located, which were not reported by any global network. Determination of backazimuth and apparent velocity were performed by applying array methods in the time-domain instead of the more conventional frequency-domain analysis. Event distances were calculated using a 1-D velocity model and the measured travel-time differences between S- and P-wave arrivals. Local magnitudes of the events were obtained by removing the velocity response from the seismographs and then convolving with Wood–Anderson transfer function to obtain ground motion in nanometers. Most of the newly-detected events are located off the ridge axis and can be classified as intraplate events. Three different seismic clusters were observed around the island. Most of the events were localised in the north-east of Rodrigues at a distance of ≈138 km from the reference station. A distinguishable swarm of earthquakes was observed on the west of the spreading segment from March to April 2015. The local magnitudes (ML) of the events varied between 1.6 and 3.7.
Die Ergebnisse zur Sedimentologie, Taphonomie und Paläoökologie der Dinotheriensande des Urrheins in Rheinhessen geben weiteren Aufschluß über die tektonosedimentäre und paläoökologische Entwicklung des Urrheins. Die als Dinotheriensande bekannten Ablagerungen des Urrheins, deren Bildung nach biostratigraphischen Kleinsäugerfunden ins Obermiozän (Vallesium, MN 9, ca. 10,5 - 11 Ma.) gestellt werden, zeichnen sich durch fossile Wirbeltierfragmente teils großer Säugetiere sowie grober Gerölle überwiegend an der Basis, in einigen Bereichen auch aus Grobsand sowie größtenteils aus Fein- bis Mittelsand bestehenden fluviatilen Sedimenten aus. Der im heutigen Raum von Eppelsheim unter einer Ca. 3 m mächtigen Lössschicht liegende ehemalige Flusslauf des Urrheins floß von Worms und Westhofen aus dem Süden kommend entlang einer tektonisch bedingten Schwächezone in Eppelsheim nach Norden über Bermersheim Richtung Wißberg und Sprendlingen weiter nach Bingen. Dabei räumte die anfänglich sehr starke Strömung die durch tektonische Bewegung und eventuelle Verkarstung geschwächten Kalke der Inflata-Schichten (Aquitanium, Unter Miozän) und den Oberen Cerithienschichten (Chattium, oberstes Ober Oligozän bis Aquitanium, Unter Miozän) zu einem Flussbett aus. Die dabei durch die starke Strömung mitgeführten gut gerundeten, max. 170 mm großen Gerölle und Wirbeltierfragmente wurden an der Basis der Dinotheriensande über den abdichtenden Tonen der oligozänen Süßwasserschichten, in Verbindung mit glimmerfreien Grobsanden, abgelagert. Neben den Grobsanden (0,63 - 2 mm) an der Basis zwischen den großen Geröllen bestehen die Dinotheriensande überwiegend aus Feinsand (0,06 - 0,2 mm) und Mittelsand (0,2 - 0,63 mm), teils in gradierter Schichtung. In einigen Bereichen kommen immer wieder auch Grobsande und kleine bis mittelgroße Gerölle bis zum Top vor. Dabei erreichen die aus mehreren Schichtkörpern bestehenden Ablagerungen der Dinotheriensande bei Eppelsheim eine Gesamtmächtigkeit von 6,96 m. Die einzelnen Schichtkörper dieser Ablagerungen zeigen überwiegend Schrägschichtung, wobei die einzelnen Schichtungsblätter tangentiale Schrägschichtung erkennen lassen. Die Auswertung der Vorschüttungsrichtung aus Schrägschichtungsmessungen ergeben für die Hauptrichtung der Paläoströmung über der Basis eine Strömung aus SSE kommend, wobei die Strömung im weiteren Verlauf der Ablagerungen im Grabungsbereich von Eppelsheim von SE bis hin zum Top der Dinotheriensande von SSW kommend wechselt. Dabei lassen sich in den Ablagerungen der Dinotheriensande mit einer Gesamtmächtigkeit von 6,96 m schwerpunktmäßig von der Basis bis zum Top drei Fossilhorizonte erkennen. Hierbei variiert die Höhe des 2. Fossilhorizontes, von der Basis des 1. Fossilhorizontes in den Dinotherie~sandenü ber dem Ton der Süßwasserschichten gemessen, bei Ca. 140 - 150 Cm, sowie die Höhe des 3. Fossilhorizontes bei Ca. 400 - 410 cm. Neben der Anreicherung von fossilen Wirbeltierresten und den großen Geröllen an der Basis befinden sich in den Dinotheriensanden auch bis zu 50 mm große Gerölle, die überwiegend in dem 2. und 3. Fossilhorizont abgelagert wurden. Die Analyse von 10000 unterschiedlichen Geröllen ergab eine Zusammensetzung von gut gerundeten Quarzarten, Quarzite, Sandsteine, Kieselschiefer, Hornsteine, unterschiedliche Variationen von Chalzedon sowie Karneol, Rhyolith und Granit von der Basis bis zum Top der Dinotheriensande. Zwischen den Sanden eingeschaltete große Tonlinsen machen den Eindruck ehemaliger abgebrochener Uferbruchstücke, zumal sie teilweise mit großen Geröllen sedimentiert wurden. Die eigentlichen Sande bestehen aus überwiegend gut bis kantengerundetem Quarzsand, mit einem Glimmer-Anteil von Muskovit, etwas Biotit und im geringem Maße Phlogopit. Das Schwermineralspektrum setzt sich aus Granat, Apatit, Amphibol, Staurolith, Turmalin, Zirkon, Alterit, Hypersthen, Spinell, Siderit, Rutil, Topas, Gips und Augit sowie einem hohen Gehalt an opaken Mineralen zusammen. Die fossilen Wirbeltierfragmente, von Proboscidae, Rhinocerotidae, Equidae, Suidae, Cervidae, Bovidae, Tragulidae, Anthracotheriidae, Tapiroidae, Castoridae, unterschiedliche Arten von Carnivora sowie von Primaten und Insectivora stammend, bestehen zum größten Teil aus deren Zahnen und Zahnfragmenten. Weitere craniale und postcraniale Fragmente kommen gegenüber den Zähnen in geringerem Umfang vor. Fast alle Fragmente sind leicht bis stark abgerollt (Abrollungsgrad). Der größte Teil der Knochenfragmente zeigt ein einheitliches Bruchmuster, welches sich durch eine sägezahnförmige Fraktur mit scharfen Bruchkanten kennzeichnet. Einige Spuren in Form von Oberflächenmarken an den fossilen Knochen und Zähnen zeigen neben Bißspuren von Carnivora auch postmortale Spuren von Insekten und Nagern. Trockenrisse deuten auf eine mehr oder weniger längere Liegezeit der Kadaver bzw. der Skelette, Teilskelette oder vereinzelter Knochen an der Erdoberfläche vor der eigentlichen Sedimentation in den Dinotheriensanden hin. Auffallend finden sich die fossilen Wirbeltierreste in den Dinotheriensanden fast immer in unartikulierter und vereinzelter Fundlage, ausgenommen im Strömungsschatten größerer Objekte, wie zum Beispiel der große Kalkklotz im Grabungsbereich von Eppelsheim. Dabei handelt es sich um eine durchmischte Ansammlung von unartikulierten Wirbeltier-Fragmenten (Voorhies-Gruppen). Seit Beginn des 19. Jahrhunderts kamen die durch Zufall ausgegrabenen fossilen Wirbeltierreste aus den sogenannten Sandkauten Rheinhessens durch Ankauf ins Hessische Landesmuseum von Darmstadt (HLMD) und, neben anderen Instituten im In- und Ausland sowie einigen Privatsammlungen, ins Naturhistorische Museum von Mainz (NHMM). Die seit 1996 jährlich laufenden wissenschaftlichen Grabungen des Forschungsinstituts Senkenberg / Frankfurt a. Main (FIS) und im Anschluss des NHMM in Eppelsheim lieferten zu diesen historischen Sammlungen weitere Funde. Derzeit sind im HLMD 3217, im NHMM 5432 und im FIS 2278 fossile Funde aus den Dinotheriensanden von Rheinhessen inventarisiert (Stand: Frühjahr 2006). Die bei der Auswertung gewonnenen Daten der bestimmbaren, teilbestimmbaren und unbestimmbaren Funde aller drei Museen (HLMD, NHMM U. FIS) lieferten neben den schon erwahnten Daten über Abrollungsgrad, Bruchmuster, Oberflächenmarken und Voorhies- Gruppen, auch die über die orientierten Zähne ermittelbaren Werte der Mindestanzahl von Individuen aus den bekannten Fundorten in Rheinhessen. Über den Abkauungsgrad der Zähne, in Verbindung mit ihrer natürlichen Position, ließ sich das Altersspektrum dieser Individuen erstellen. Daneben wurde die Fossilienfarbe erfasst, mit deren Hilfe man die Funde in den historischen Sammlungen zur nachträglich Bestimmung des Fundhorizontes benutzen kann, da durch postsedimentäre Ausfällungen die Dinotheriensande, inklusive der darin befindlichen Fossilien, von der Basis bis zum Top unterschiedlich gefärbt sind. Schließlich wurde über die durchschnittlichen Gewichtsdaten der rezenten Vertreter der hier zu behandelten Tierarten eine Verteilungsübersicht in den drei bekannten Museen (HLMD, NHMM u. FIS) erstellt.
This PhD thesis has been carried out within an interdisciplinary cooperational project between the Deutsches Bergbau-Museum Bochum and the Goethe-Universität Frankfurt, which is dedicated to ancient Pb-Ag mining and metal production in the hinterland of the municipium Ulpiana in central Kosovo. Geochemical analysis (OM, XRD, EMP, MC-ICP-MS) of ores, metallurgical (by-) products and metal artefacts allowed to reconstruct the local chaîne opératoire and to decipher significant chronological differences between presumably Roman/late antique and medieval/early modern metallurgical processing. Pb isotope provenance studies documented the relevance of local metal production within the Roman Empire and confirmed the actual existence of a Metalla Dardanica district, which until now solely has been suspected on basis of epigraphy.
The predominant abundance of the by-products matte (Cu, Pb, Fe and Zn sulphides) and speiss (ferrous speiss: Fe-As compounds; base metal speiss: ~(Cu,Ni,Fe,Ag )x(Sb,Sn,As )y ) at smelting sites with a preliminary Roman/late antique dating points to treatment of complex polymetallic ore. Pb isotope analysis demonstrated that the mining district of Shashkoc-Janjevo (partially) supplied six of the ten investigated metallurgical sites. In this mineralisation, parageneses with elevated Cu, As and Sb abundances comprise significant proportions of particularly tennantite-tetrahedrite minerals, chalcopyrite, arsenopyrite and were generated during the early and main stages of ore formation. Later precipitated ore in contrast is marked by a significantly less versatile mineralogy and consists almost exclusively of galena, sphalerite and pyrite/marcasite. Besides increased Cu, As and Sb contents, ore from the main formation stage also exhibits generally higher Ag abundances, which are mainly hosted by fahlore and locally abundant secondary Cu sulphides (chalcocite, digenite and covellite) and oxidised phases (e.g. malachite, azurite). The higher precious metal grades of this ore type, whose geochemical signature (i.e. higher proportions of Cu, As and Sb) is mirrored by the abundance of the metallurgical by-products matte and speiss (almost exclusively found at potentially Roman/late antique smelting sites; see above), presumably were a pivotal factor leading to its preferential exploitation in earlier times. Matte and base metal-rich speiss contain notable amounts of Ag, which are mainly present in Cu-(Fe) sulphides and particularly antimonides ((Cu,Ni)2Sb, Ag3Sb), respectively. While the speiss compounds due to their close association with Pb bullion presumably were cupelled automatically, the metallurgical treatment of matte could not have been proven unambiguously, but overall certainly is highly likely.
The beneficiated ore (i.e. crushed and sorted, potentially also treated by more lavish techniques such as grinding, sieving or wet-mechanical methods) possibly was partially roasted and subsequently together with fluxes and charcoal submitted to the furnaces. The working temperatures approximately ranged between 1100 and 1400 °C. Slags from all presumably Roman/late antique dated and few of their potentially medieval/early modern analogues were produced from smelting of (partially roasted) ore with charcoal and added siliceous material, thus resulting in fayalite-dominant phase assemblages or rarely observed glassy parageneses. Even though several subtypes of fayalite slags have been established on basis of the abundance of Fe-rich oxide phases (i.e. spinel ss and wüstite), late clinopyroxene and the general solidification sequence of the slags, the process conditions (i.e. temperature, fO2, added fluxing agents) must have been widely similar; chemical variations could be explained by varying degrees of interaction of the slag melt with charcoal ash and furnace material. The other investigated metallurgical remains indicate employment of a calcareous flux, which led to formation of Ca-rich olivine-, olivine+clinopyroxene-, clinopyroxene- or melilite-type slags. These types as well as glassy slags were generated at more oxidising conditions outside the fayalite stability field (FMQ buffer equilibrium, cf. Lindsley, 1976) than their olivine-dominant analogues. Conclusions on the furnace construction could be drawn on basis of the typology of the slags, which mostly were tapped into a basin located outside the furnace, but partially (at two presumably medieval/early modern sites) also accumulated in a reservoir within the smelter.
Lead artefacts excavated in Ulpiana could be isotopically related to ores from mineralisations in its vicinity and demonstrate that the resources were at least utilised for local metal production. However, also ship wreck cargo from Israel - including several lead ingots with the inscription 'MET DARD' (Raban, 1999) - and late antique lead-glazed pottery from Serbia and Romania (Walton & Tite, 2010) could be related to a possible Kosovarian/Serbian provenance of the raw material and thus indicate flourishing trade of metal from the Metalla Dardanica district within the Roman Empire.
References:
Lindsley, D. H. (1976). Experimental studies of oxide minerals. In D. Rumble, III (Hrsg.), Oxide minerals (61-88). Reviews in Mineralogy, Volume 3. Washington, DC: Mineralogical Society of America.
Raban, A. (1999). The lead ingots from the wreck site (area K8). Journal of Roman Archaeology, Supplementary Series, 35, 179-188.
Walton, M. S., & Tite, M. S. (2010). Production technology of Roman lead-glazed pottery and its continuance into late antiquity. Archaeometry, 52(5), 733-759.
The present work was devised to address the systematic analysis of samples from a range of Roman non-ferrous metal artefacts from different archaeological contexts and sites in the Roman provinces of Germania Superior. One of the focal points of this study is the provenancing of different lead objects from five important Roman settlements between 15 BC and the beginning of fourth century AD. For this purpose, measurements were made on lead and copper ore samples from the Siegerland, Eifel, Hunsrück and Lahn-Dill area in Germany and supplemented with data from the literature to create a data bank of lead isotope ratios of European deposits. Compositional analysis of lead objects by Electron Microprobe analysis showed that Romans were able to purify lead from ore up to 99%. Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass-Spectrometry was used to determine the source of lead, which played an important role in nearly all aspects of Roman life. Lead isotope ratios were measured for ore samples from German deposits from the eastern side of the Rhine (Siegerland, Lahn-Dill, Ems) and the western side of the Rhine (Eifel, Hunsrück), which contained enough ore reserves to answer the increasing local demand and are believed to have been mined during the Roman period. This data together with those from Mediterranean ore deposits from the literature was used to establish a data bank. The Mediterranean ore deposits range from Cambrian (high 207Pb/206Pb) to tertiary (lower 207Pb/206Pb) values. In particular, the Cypriot deposits are younger, while the Spanish deposits fall either with the younger Sardic ores or close to the older Cypriot ores. The lead isotope ratios of most German ore deposits fall in between the 208Pb/206Pb vs. 207Pb/206Pb ratios of Sardinia and Cyprus, where the lead isotope signature of ore deposits from France and Britain are also found. Over 240 lead objects were measured from Wallendorf (second century BC to first century AD) Dangstetten (15-8 BC), Waldgirmes (AD 1-10), Mainz (AD 1-300), Martberg (first to fourth centuries AD) & Trier (third to fourth centuries AD). Comparing the lead isotope ratios of lead objects and those from German ores shows that the source of over 85 percent of objects are Eifel ore deposits, but the Roman’s had also imported lead from the Southern Massif Central and from Great Britain. A further topic of this work was the systematic study of the variation of copper isotope ratios in different copper minerals and the mechanisms, which controls copper isotope fractionation in ores deposits. For this purpose, copper isotope analyses were made by Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass-Spectrometry from a series of hydrothermal copper sulphides and their alteration products. Copper and lead isotope ratios were measured in coexisting phases of chalcopyrite and malachite and also coexisting malachite and azurite. No significant fractionation was observed in malachite-azurite phases, but in chalcopyrite-malachite coexisting phases, malachite always shows a positive fractionation to heavier isotope values. Zhu et al. and Larson et al. showed that isotopic variations in copper principally reflect mass fractionation in response to low temperature processes rather than source heterogeneity. The low temperature ore formation processes are mostly represented by weathering of primary sulphide ores to produce secondary carbonate phases and therefore are usually observed on the surface of ore deposits, which were probably removed during the early Bronze Age. Using this concept, copper isotope ratios were measured in some Early Bronze Age copper alloys and Roman copper alloys. However, no large copper isotope fractionation has been observed. Lead and copper isotope ratios were measured on samples from the Kupferschiefer. Two profiles were investigated; 1) Sangerhausen, which was not directly influenced by the oxidizing brines of Rote Fäule and 2) Oberkatz, where both Rote Fäule-controlled and structure-controlled mineralization were observed. Results from maturation studies of organic matter suggest the maximum temperature affecting the Kupferschiefer did not exceed 130°C. delta-65-Cu ranges between -0.78-+0.58‰, shows a positive correlation with copper concentration. Maximum temperature in the Kupferschiefer profile from Oberkatz is supposed to be around 150°C. delta-65Cu in this profile ranges between -0.71-+0.68‰. The pattern of copper isotope fractionation and copper concentration is same as the for profile of Sangerhausen. Origina lead isotope ratios are strongly overprinted by high concentrations of uranium in bottom of both profiles causing more radiogenic lead.
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.
Das Ziel dieser Studie ist es, die Möglichkeiten und Grenzen von hochauflösenden Klimaprojektionen in orographisch beeinflussten Gebieten an den Beispielen der europäischen Alpen und des Himalajas zu prüfen. Insbesondere wird die Fragestellung untersucht, ob beobachtete regionale Muster in den höher aufgelösten Daten besser wiedergegeben werden als in den antreibenden großskaligen Daten. Dazu werden regionale Klimasimulationen des COSMO-CLM Modells und Daten von zwei statistischen Regionalisierungsmethoden mit ERA40 Reanalysen sowie Daten des globalen Atmosphäre-Ozean Modells ECHAM5/MPIOM für verschiedene Parameter des Klimasystems verglichen. Ein Vergleich mit den Reanalysen anhand täglicher Niederschlagsstatistiken ergibt, dass die COSMO-CLM Niederschlagsdaten auf der 0.5° Skala vergleichbar sind mit ERA40 Niederschlägen und mit statistisch regionalisierten ERA40 Niederschlägen. Eine zusätzliche Fehlerkorrektur der COSMO-CLM Niederschläge liefert gute Ergebnisse. Dabei sind jedoch etwa 500 Regentage notwendig, um eine robuste Fehlerabschätzung zu gewährleisten. Für das südasiatische Gebiet ist eine realistische Wiedergabe des indischen Sommermonsuns (ISM) in den Modellen von hoher Relevanz. Betrachtet man nur die Mittelwerte und zeitlichen Variabilitäten von verschiedenen Indizes des ISM, so liefert das COSMO-CLM keinen Mehrwert im Vergleich zu den antreibenden Daten. Allerdings werden die räumlichen Strukturen von Niederschlag und vertikaler Windscherung, sowie die zeitliche Korrelation der modellierten Indizes gegenüber dem ECHAM5/MPIOM Modell verbessert. Die durchgeführten COSMO-CLM Projektionen für die Jahre 1960 bis 2100 zeigen negative Trends des ISM für die SRES Szenarien A2, A1B und B1. Die negativsten Trends sind dabei im Szenario A2 zu finden, gefolgt von A1B und B1. Fast keine Trends zeigen sich im commitment Szenario. Trotz großen zeitlichen Variabilitäten sind die Abnahmen in Niederschlagsmengen, ausgehender langwelliger Strahlung und Windscherung statistisch signifikant in großen Regionen des Simulationsgebietes. Für Nordwest-Indien weisen die Projektionen teilweise einen Rückgang der Monsunniederschläge von über 70% in 100 Jahren auf. Der Rückgang der Windscherung ist hauptsächlich auf Veränderungen in der oberen Troposphäre bei 200 hPa zurück zu führen. Während in den COSMO-CLM Projektionen alle Indizes des ISM synchrone Negativtrends aufweisen, sind die Trends für den Monsunregen über Indien im globalen ECHAM5/MPIOM Model positiv. Gemäß den Definitionen der verschiedenen Indizes, sind jedoch synchrone Trends wahrscheinlicher und das COSMO-CLM liefert zu den globalen ISM Projektionen ebenfalls einen Mehrwert. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass das COSMO-CLM wertvolle regionale Zusatzinformationen zu den globalen Modellen in den beiden untersuchten Regionen liefert. Für die Einzugsgebiete der oberen Donau und des oberen Brahmaputra liefern die COSMO-CLM Projektionen einen signifikanten Anstieg der Temperatur für alle Jahreszeiten der Jahre 1960 bis 2100. Die Werte sind generell höher im Brahmaputragebiet, mit den größten Trends in der Region des tibetanischen Plateaus. Im Niederschlag zeigen die saisonalen Anteile ebenfalls klare Trends, beispielsweise eine Zunahme des Frühjahrsniederschlags im Einzugsgebiet der oberen Donau. Die größten Trends werden wiederum in der Region des tibetanischen Plateaus projiziert mit einem Anstieg von bis zu 50% in der Länge der Trockenperioden zwischen Juni und September und einem gleichzeitigen Anstieg von etwa 10% für die maximale Niederschlagsmenge an fünf aufeinander folgenden Tagen. Für die Region Assam in Indien, zeigen die Projektionen zudem eine Zunahme von 25% in der Anzahl der aufeinander folgenden trockenen Tage während der Monsunzeit
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. ...
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.
This thesis addresses the reconstruction of the topographic evolution and the climate dynamics of the Early Cenozoic North American Cordillera through integrated geochronology, sedimentology, stable isotope, and clumped isotope thermometry studies. It encompasses the scientific disciplines of geochemistry, tectonics, and Earth surface processes.
Für die Analyse klimagesteuerter terrestrischer und mariner Ökosystemdynamik im Spätglazial und Holozän des Ägäisraums wurden terrestrische (Pollen und Sporen) und marine Palynomorphe (organischwandige Dinoflagellatenzysten) aus einem marinen Kern des Berg-Athos-Beckens hochauflösend (d.h. in einer zeitlichen Auflösung zwischen ~30 und ~200 Jahren) untersucht. Darüber hinaus wurden Pollen und Sporen eines terrestrischen Kerns aus dem Drama-Becken (nördliches Hinterland der Ägäis) analysiert. Neben der qualitativen Analyse wurden mit Hilfe der Technik der modernen Analoge quantitative Rekonstruktionen der Paläotemperaturen und -niederschläge im terrestrischen Raum vorgenommen. Für den marinen Kern wurden außerdem Sedimenthelligkeit, Sauerstoffisotopie und magnetische Suszeptibilität untersucht. Über die Entwicklung eines konsistenten Altersmodells für beide Kerne konnten Aussagen über eine regionale, klimagesteuerte Differenzierung zwischen der Vegetationsentwicklung im Küstenbereich und der Vegetationsentwicklung in intramontanen Ökosystemen getroffen werden. Während des Pleniglazials (~21 ka bis ~14,7 ka BP) herrschten im nördlichen Ägäisraum kühle und vor allem trockene Bedingungen vor. Offen liegende Schelfflächen wurden von einer Pinus-dominierten Vegetation besiedelt, bis der Schelf während des anschließenden Meiendorf-Bølling-Allerød-Interstadialkomplexes (~14,7 ka bis ~12,7 ka BP) durch den Schmelzwasserpuls MWP-1A überflutet wurde. Während des Meiendorf-Bølling-Allerød-Interstadialkomplexes herrschten im nördlichen Ägäisraum etwas humidere Bedingungen als während des Pleniglazials. In der anschließenden Jüngeren Dryas (~12,7 ka bis ~11,7 ka BP) war das Klima hingegen mindestens ebenso arid und die Oberflächenwassertemperaturen in der Nordägäis fast ebenso gering wie während des Pleniglazials. Das lokale Klima im Drama Becken war von ~21 ka BP bis zum Ende der Jüngeren Dryas generell trockener als die allgemeinen Klimabedingungen im nördlichen Ägäisraum. Die Vegetationsentwicklung im nördlichen Ägäisraum wurde während des Spätquartärs vor allem durch die zur Verfügung stehende Feuchtigkeit gesteuert. Auch nach der Jüngeren Dryas war die Humidität im Ägäisraum zu gering, um eine Wiederbewaldung zu ermöglichen, wie sie in Mitteleuropa und dem westlichen Mittelmeergebiet bereits ab ~11,6 ka BP stattfand. Ein Vegetationsrückschlag um ~11,0 ka BP korreliert mit der aus Mitteleuropa bekannten präborealen Oszillation bzw. dem 11,2-ka-Klimaereignis. Die holozäne Wiederbewaldung setzte im östlichen Ägäisraum erst ab 10,2 ka BP ein; sie wurde durch einen sukzessiven Anstieg der Winterniederschläge von ~225 auf über ~300 mm/Jahr ermöglicht. Sowohl dieser Anstieg der Winterniederschläge als auch ihr Rückgang nach 7,0 ka BP sind eng mit der Ablagerung des Sapropels S1 (zwischen ~9,6 ka und ~7,0 ka BP) verknüpft. Die relativ humiden und milden Winterbedingungen während der Ablagerung des S1 wurden von durch Vegetationsrückschläge dokumentierten, kurzfristigen Klimaereignissen bei ~9,3 ka, ~8,7 ka, ~8,2 ka und ~7,6 ka BP unterbrochen. Diese kurzfristigen Klimaereignisse gehen mit Unterbrechungen bzw. Abschwächungen der S1-Bildung einher. Besonders ausgeprägt ist der regionale Ausdruck des 8,2-ka-Ereignisses, welches für die am stärksten ausgeprägte und auch aus anderen Bereichen des östlichen Mittelmeers überlieferte Unterbrechung des S1 zwischen ~8,4 ka und ~8,0 ka verantwortlich zeichnet. Während der Bildung des S1 wurde die Klimaentwicklung im Ägäisraum generell weniger vom Klimasystem der hohen Breiten beeinflusst als vielmehr vom Monsunsystem der niederen Breiten. Allerdings war die Intensität des Sibirischen Hochs während des frühen Holozäns und nach dem S1-Intervall ein wichtiger Faktor für das Winterklima. Auch während des Holozäns wurden Klimaschwankungen im Drama-Becken deutlicher von der lokalen Vegetation reflektiert als von der Vegetation des nördlichen Ägäisraums im Allgemeinen. So wirkte sich z.B. das 8,2-ka-Ereignis sehr stark auf die Vegetationsentwicklung im Drama Becken aus; es verursachte einen Rückgang der Sommer- und Wintertemperaturen um mehr als 3° C. Dieser starke Temperatureinbruch ist auf lokale mesoklimatische Effekte zurückzuführen. Die Vegetation in den Randbereichen der Ägäis erfuhr weitere Rückschläge bei ~6,5 ka, ~5,6 ka und ~4,3 ka BP. Die Einbrüche bei ~5,6 ka und ~4,3 ka BP sind mit rapiden Klimaänderungen in großen Teilen der Nordhemisphäre korrelierbar, die ebenso wie die Jüngere Dryas und das 8,2-ka-Klimaereignis Einfluss auf Hochkulturen in Nordostafrika und im Mittleren Osten hatten. Die aus dem Holozän überlieferten Klimadaten machen deutlich, dass dieser Zeitraum von einer weitaus stärkeren Klimavariabilität geprägt wurde als noch bis vor kurzem angenommen.
Since the discovery of the ozone hole [Farman et al., 1985], the dynamics of the stratosphere and the transport of anthropogenic trace gases from the surface to the higher atmosphere has come into the focus of interest. In the tropics, air rises high into the stratosphere and is transported poleward. Trace gases like the CFCs1, photochemically stable in the troposphere, are thus transported into regions where they are photolyzed. The products of the photolysis reactions (eg. Cl, Br) interact in the catalytic ozone cycles and lead to enhanced ozone depletion. Regarding the transport of trace gases, the so-called lowermost stratosphere (LMS) is a very interesting region, where the troposphere and the stratosphere directly interact and air masses out of both regions are mixed. It is the lowest part of the stratosphere between the tropopause and the 380 K isentrope. Tropospheric air can enter this region directly via isentropic transport across the extra-tropical tropopause whereas stratospheric air descends across the 380 K isentrope via the mean meridional circulation. Stratosphere-troposphere exchange (STE) controls the chemical composition of the LMS as well as of the tropopause region and thus has an important effect on the radiative and chemical balance of these regions and the climate system. STE exhibits a strong seasonality [Holton et al., 1995]. While downwelling of stratospheric air across the 380 K isentrope is the dominant process in winter, troposphere-to-stratosphere transport (TST) gains importance in summer, when the downwelling from the stratosphere is only weak. Isentropic transport across the extra-tropical tropopause occurs in regions where the tropopause is strongly disturbed and is connected to tropopause folds, streamer events, frontal zones, polar and subtropical jets, warm conveyor belts and cut-off low systems. A short introduction into STE, the LMS region, and methods to study atmospheric transport is given in Chapter 1. One useful tool to analyse the motions of air and transport processes are longlived trace gases. Since the lifetimes of these tracers are longer than the time scale of the transport processes they are involved in, the distribution of tracers in the atmosphere is mostly determined by dynamics. In the context of this thesis, measurements of such long-lived tracers were performed and used to study transport into the LMS region in the northern hemisphere. During the Vintersol/EuPLEx and ENVISAT validation campaigns in winter 2003, long-lived tracers such as N2O, CH4, CFC-12, CFC-11, H-1211, H2, SF6 and CO2 were measured with the High Altitude Gas Analyser (HAGAR), a two channel in-situ gas chromatograph combined with a CO2 instrument, based on nondispersive infrared absorption. Combined with measurements taken during campaigns in Forli/Italy (ENVISAT validation) in July and October 2002, tracer data were gathered from the tropopause up to altitudes around 20 km during 25 flights on board the Russian high-altitude aircraft M55 Geophysica. Thus, a substantial set of high quality tracer data has been obtained covering the polar vortex region as well as the mid latitudes of the northern hemisphere. Chapter 2 gives an overview of the HAGAR instrument and necessary improvements of the instrumental set up (implementing a CH4 channel) that were performed in the context of this thesis, and review data processing, the measurement campaigns. In order to study transport into the LMS it is assumed that air basically enters the LMS via three different pathways: a) quasi-isentropic transport from the troposphere, b) downward advection from the middle stratosphere through the 380 K surface and c) in the polar vortex region subsidence of air from of the polar vortex. Fractions of air originating in each of these source regions are determined with a simple mass balance calculation by using observations of a subset of the above species with distinct lifetimes (N2O, CH4, CFC-11, H-1211, H2 and O3) yielding complementary constraints on transport from each region. Details of the mass balance calculation and the results are presented in Chapter 3. During the mid-latitude measurement campaigns in Forlí the passing of a cut-off low system associated with an elongated streamer over Europe was observed. The impacts of this event on the trace gas mixing ratios in the LMS are examined in Chapter 4. Finally, a summary is given in Chapter 5.
In dieser Arbeit wurden zwei Idealkristallsysteme und drei Systeme, die im weitesten Sinne als Domänenkristalle zu bezeichnen sind, mit quantenmechanischen Methoden untersucht, die auf Dichte-Funktional-Theorie basieren. Dabei wurden je nach System unterschiedliche Eigenschaften der jeweiligen Kristalle betrachtet. Zusätzlich wurden die berechneten Domänenkristalle jeweils mit entsprechenden Idealkristallen bezüglich ihrer Stabilität verglichen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass sich die hier verwendeten Rechenmethoden sehr gut zur Untersuchung von Grundzuständen und Strukturen unter hydrostatischem Druck sowie von Bindungseigenschaften eignen. Desweiteren lieferten die Ergebnisse starke Hinweise darauf, dass Kristalle mit Strukturgradienten nur dann existieren können, wenn sie sich vom Idealkristall um sehr geringe Energien unterscheiden, die unter der Fehlergrenze der hier angewendeten Methode (2-3 kJ/Mol) liegen.
In this thesis the Quadrupole Electrical Resistivity Tomography (QERT) method is presented as a new measurement concept for profile-based geoelectric field measurements. The concept is based on a tensorial formulation of the apparent resistivity in order to make three-dimensional statements about the underground conductivity structure. For a simple application of the method a number of similarities to the classical dipole-dipole method were made, such as the presentation of the measurement data in a pseudo-section. The added value of the method compared to the classical profile-based methods is especially the differentiation of lateral structures. Anomalies, which are located laterally to the profile, can be detected with respect to their position (left-right) as well as their conductivity contrast. For the practical implementation of the concept a measuring device was developed and constructed, the CR Device. The device uses 64 channels for simultaneous signal recording of voltage and current time series with up to 1 kHz sampling rate. The current injection is freely programmable and allows any survey design. The measurement of the voltages is performed against a common reference (CR) electrode and thus allows the reconstruction of any dipole voltage by difference formation. A complementary, Matlab-based software package completes the measuring system. An evaluation module allows the raw data of the CR device to be read in, processed and displayed in a suitable form. An inversion module allows the inversion of measurement data into a three-dimensional subsurface model. With a modeling module, measurements over any subsurface situation can be simulated and subsequently analysed. A field measurement on a volcanic maar in the Eifel region, Germany, demonstrates the benefits of the method. A QERT profile was set-up tangentially to a conductive anomaly in the centre of the maar. The measurement data were successfully inverted into a geologically coherent 3D resistivity model.
Aerosolpartikel sind in der Atmosphäre insbesondere für die Strahlungsübertragung und die Wolkenbildung von wichtiger Bedeutung. Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer, der Variabilität ihrer Quellen und Senken und ihrer Einbindung in den atmosphärischen Wasserkreislauf sind Partikel in allen ihren Eigenschaften sehr veränderlich. Die Zusammenhänge dieser Variabilität mit den meteorologischen Bedingungen und ihre Auswirkungen in der meteorologischen Anwendung sind bisher nur ungenügend durch Meßdaten belegt, so daß die Ergebnisse von Modellen, in denen die meteorologischen Wirkungen von Partikeln berücksichtigt werden (z.B. Klimamodelle), mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Ziel dieser Arbeit war es, auf der Grundlage von Messungen einen Beitrag zur Charakterisierung der bodennahen troposphärischen Aerosolpartikel zu leisten. Im Hinblick auf die meteorologischen Anwendungen wurden die chemische Zusammensetzung und die Masse der Partikel in Abhängigkeit von ihrer Größe gemessen, da sie wesentliche Einflußgrößen für die Strahlungswirkung von Partikeln und die Wasserdampfkondensation in der Atmosphäre sind. Auf der Basis eines Datensatzes der physikalisch-chemischen Partikeleigenschaften und meteorologischer Meßgrößen wurde zunächst die Abhängigkeit der Partikeleigenschaften und ihrer Variabilität von den meteorologischen Umgebungsbedingungen analysiert sowie die Bedeutung der Variabilität der Partikeleigenschaften in der meteorologischen Anwendung untersucht. Dazu wurden Absorptionskoeffizienten der Partikel und Erwärmungsraten durch Absorption solarer Strahlung durch Partikel sowie das Wachstum der Partikel mit der relativen Feuchte in Abhängigkeit von ihrer chemischen Zusammensetzung berechnet. Die Messungen fanden während fünf drei- bis achtwöchiger Meßkampagnen 1991, 1993 und 1994 in Melpitz bei Torgau (Sachsen) und 1993 und 1994 auf dem Hohen Peißenberg (Oberbayern) statt. Mit einem Berner-Impaktor wurden die Partikel gesammelt. Es wurden die Konzentrationen der Gesamtmasse der Partikel sowie der Ionen in Abhängigkeit von ihrer Größe bestimmt. Die Rußkonzentrationen wurden mit einem Aethalometer gemessen. Parallel zu den Partikelmessungen fanden Messungen von Temperatur, relativer Feuchte, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Globalstrahlung und diffuser Himmelsstrahlung statt. Die Messungen liefern folgende Ergebnisse: Bei allen Messungen waren Nitrat, Sulfat und Ammonium die Hauptkomponenten der kleinen Partikel, und die Massenkonzentrationen der kleinen Partikel (0,04 µm < aed < 1,72 µm) waren wesentlich größer als die der großen Partikel (1,72 µm < aed < 21µm). Die Partikel sind also überwiegend anthropogener Herkunft. Die großen Partikel enthielten zusätzlich Natrium und Kalzium, lediglich bei einzelnen Messungen in Melpitz wurde auch Chlorid als Hinweis auf Seesalzpartikel gefunden. Die Massenkonzentrationen aller Partikelbestandteile waren in Melpitz in der Regel etwas größer als auf dem Hohen Peißenberg, da die Partikelkonzentrationen mit zunehmender Höhe abnehmen und da Melpitz näher an Ballungsräumen liegt als der Hohe Peißenberg. Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Meßkampagnen an einem Ort sind jedoch größer als die zwischen den beiden Orten. Die Variabilität sowohl der Massenkonzentrationen der Partikelbestandteile als auch der Gesamtmasse liegt im Bereich von zwei Größenordnungen und ist damit wesentlich größer als die Unterschiede zwischen den Meßkampagnen. Der mittlere Anteil der löslichen Masse an der Gesamtmasse beträgt für die kleinen Partikel 57 %, für die großen 30 %. Dieser Anteil variiert sehr stark (10-100 % bzw. 5-80 %). Ruß hat einen mittleren Anteil von 5 % an der Gesamtmasse (1-18 %). Wesentliche Parameter, die zu Veränderungen der Partikeleigenschaften führen, sind: - Luftmassen unterschiedlicher Herkunft und Geschichte - Veränderungen der Mächtigkeit und Struktur der atmosphärischen Grenzschicht - Emissionen lokaler Quellen - lokale meteorologische Parameter (Temperatur, Windrichtung, -geschwindigkeit) Die unterschiedliche Häufigkeit und Ausprägung dieser Einflußfaktoren führt zu Unterschieden zwischen den Ergebnissen der einzelnen Meßkampagnen. Die einzelnen Faktoren sind nicht voneinander unabhängig, da durch die großräumige Wettersituation und die Luftmassen die Ausprägung der lokalen Parameter bestimmt wird. Um eine Zusammenfassung von Messungen unter vergleichbaren meteorologischen Bedingungen zu erreichen, wurde eine Klassifikation der Daten auf der Basis von Rückwärtstrajektorien vorgenommen. Es wurden fünf Klassen unterschieden: vier Klassen umfassen Richtungssektoren mit jeweils 90 ° um die Haupthimmelsrichtungen (Nord, Ost, Süd, West), einer fünften (X) werden kurze Trajektorien zugeordnet. Dieser Ansatz wurde gewählt, weil ähnliche Luftmassen und damit meteorologische Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Feuchte, Stabilität und Luftbeimengungen meistens durch ähnliche Trajektorien gekennzeichnet sind, die eine Aussage über die Herkunft und den Weg der Luft ermöglichen, die wiederum für die Ausprägung der Partikeleigenschaften maßgeblich sind. Eine weitere Unterteilung nach Tageszeiten (morgens, mittags, abends) wurde vorgenommen, da einige Meßgrößen deutliche Tagesgänge zeigten. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die Klassifikation der meteorologischen Meßgrößen liefert sowohl im Hinblick auf die Charakterisitika der Trajektorienklassen (Herkunft der Luft) als auch für die Tagesgänge meteorologisch sinnvolle Ergebnisse. Die Lage der Stationen in einer Ebene und auf einem Berg führt zu einer unterschiedlichen Ausprägung von Tagesgängen der Temperatur und der Windgeschwindigkeit besonders während stabiler Hochdruckwetterlagen. Es zeigt sich, daß bedingt durch die Entwicklung der Grenzschicht auf dem Hohen Peißenberg vor allem bei Hochdruckwetterlagen im Tagesverlauf in zwei verschiedenen Atmosphärenschichten gemessen wird. Die starke Streuung der lokalen Windrichtungen innerhalb einer Trajektorienklasse führt dazu, daß der Einfluß lokaler bzw. regionaler Quellen durch die Klassifikation nur bedingt erfaßt wird, und liefert einen Hinweis auf die lokale Wetterlage. Die Klassifikation der Partikelmeßdaten liefert meteorologisch sinnvolle Ergebnisse, da die Konzentrationsunterschiede zwischen den einzelnen Klassen mit der Wetterlage und dem Einfluß regionaler Quellen zu begründen waren. Die Absolutwerte ließen sich allerdings nicht vergleichen, und es wurden im Detail meßkampagnenspezifische Begründungen gefunden. Es ergab sich jedoch für alle Meßkampagnen die Unterteilung in Klassen mit antizyklonalen Wetterlagen und kontinentaler Luft mit hohen Konzentrationen (Klassen Ost, Süd, West) und zyklonalen Wetterlagen und maritimer Luft mit geringeren Konzentrationen (Klassen Nord, West). Abweichungen von dieser Einteilung waren vor allem mit der geographischen Lage der Meßorte zu begründen. Ausgeprägte Tagesgänge mit Maxima bei den Morgenmessungen ergaben sich nur für Nitrat, bei einigen Messungen auch für Chlorid in den kleinen Partikeln durch temperaturabhängige Gleichgewichtsreaktionen instabiler Partikelkomponenten mit der Gasphase sowie für Ruß durch die Anreicherung von Emissionen lokaler Quellen bei geringer Grenzschichthöhe. Während sich die mittleren absoluten Konzentrationen in den einzelnen Klassen erheblich unterscheiden, ist die mittlere relative chemische Zusammensetzung der Partikel in allen Klassen ähnlich; die Variabilität der Anteile ist aber ebenfalls sehr groß. Mit Ausnahme der Advektion von Seesalzpartikeln sowie der temperaturbedingten Verschiebung der Anteile von Nitrat und Sulfat, lassen sich Unterschiede zwischen den Klassen nicht mit den durch die Klassifikation erfaßten Einflußfaktoren oder geographischen Besonderheiten begründen. Durch die Klassifikation nimmt die Variabilität sowohl der meteorologischen Meßgrößen als auch der Partikeleigenschaften ab. Für die meteorologischen Meßgrößen verringert sich die Variabilität durch die Klassifikation nach Trajektorien weniger als durch die nach Tageszeiten, für die Konzentrationen der Partikelbestandteile und der Masse führt hingegen die Klassifikation nach Trajektorien zu einer größeren Verminderung der Variabilität als die nach Tageszeiten. Die Anwendung beider Klassifikationskriterien führt zu einer Abnahme der Variabilität um im Mittel 55 % für die meteorologischen Meßgrößen und um 50 % bzw. 25 % für die Konzentrationen der Bestandteile und der Masse der kleinen bzw. der großen Partikel. Die Variabilität der Werte in einer Klasse bleibt jedoch auch nach Klassifikation größer als Unterschiede zwischen den Klassen. Sie wird vor allem durch die spezifische meteorologische Situation bedingt. Um die Auswirkungen der Variabilität der Partikeleigenschaften in meteorologischen Anwendungen abschätzen zu können, wurden aus den Meßdaten der Absorptionskoeffizient der Partikel und die daraus resultierenden Erwärmungsraten sowie das Partikelwachstum mit der relativen Feuchte berechnet und wie die Meßdaten klassifiziert. Die Ergebnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Für die Absorptionskoeffizienten der trockenen Partikel wurden Werte zwischen 0,1·10-6/m und 97·10-6/m berechnet. Für die beiden Meßkampagnen im Herbst (Melpitz 1993 und 1994) ergaben sich etwa um den Faktor 2 größere mittlere Absorptionskoeffizienten als für die Meßkampagnen im Sommer, die maximalen Absorptionskoeffizienten waren in Melpitz aufgrund der starken lokalen Quellen um den Faktor 2-3 größer als auf dem Hohen Peißenberg. Für die maximalen Erwärmungsraten wurden Werte zwischen 0,003 und 0,128 K/h, für die Gesamterwärmung über die Tageslichtperiode zwischen 0,02 K und 0,81 K berechnet. Die Partikel liefern in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen selbst während Meßkampagnen an zwei ländlichen Orten in Mitteleuropa einen vernachlässigbar geringen bis deutlichen Beitrag zum Strahlungsantrieb. In Melpitz waren sowohl die maximalen Erwärmungsraten als auch die Gesamterwärmung im Mittel um den Faktor 1,5 geringer als auf dem Hohen Peißenberg, da die maximalen Absorptionskoeffizienten zu einer Zeit bestimmt wurden, als das Strahlungsangebot noch gering war, während auf dem Hohen Peißenberg die Maxima von Absorptionskoeffizient und Strahlungsangebot zeitlich näher zusammenliegen. Die Klassifikation nach Rückwärtstrajektorien ergab deutliche Unterschiede (Faktor 3-5) zwischen den einzelnen Klassen, da in Klassen mit den höchsten Rußkonzentrationen auch das Strahlungsangebot am höchsten war und in Klassen mit niedrigen Rußkonzentrationen meistens starke Bewölkung vorherrschte. Zwischen maximaler Erwärmungsrate und Gesamterwärmung über die Tageslichtperiode wird ein linearer Zusammenhang gefunden, der sich aber aufgrund der verschiedenen Tagesgänge des Absorptionskoeffizienten für die Meßkampagnen in Melpitz und auf dem Hohen Peißenberg unterscheidet. Sowohl für den exponentiellen Massenzuwachskoeffizienten bei unendlicher Verdünnung als auch für das Partikelwachstum bei fester relativer Feuchte ergeben sich im Mittel nur geringe Unterschiede zwischen kleinen und großen Partikeln sowie einzelnen Klassen durch die chemische Zusammensetzung des wasserlöslichen Anteils der Partikel. Unterschiede sind vielmehr durch den Anteil der wasserlöslichen Masse an der Gesamtmasse bedingt. Es ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem exponentiellen Massenzuwachskoeffizienten bei unendlicher Verdünnung und dem Anteil der wasserlöslichen Masse an der Gesamtmasse der Partikel. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Klassen lassen sich nicht auf einzelne meteorologische oder geographische Einflußfaktoren zurückführen. Sowohl für die Absorption solarer Strahlung als auch für das Wachstum der Partikel mit der relativen Feuchte ist die Variabilität der abgeleiteten Größen geringer als die der Ausgangsgrößen, sie ist aber immer noch mindestens so groß wie die Unterschiede zwischen den einzelnen Klassen. Zusammenfassend läßt sich festhalten, daß in dieser Arbeit ein Datensatz aus Messungen von meteorologischen Parametern und Partikeleigenschaften zusammengestellt wurde, der zusammen mit der Klassifikationsmethode nach Rückwärtstrajektorien und Tageszeiten eine Untersuchung der Zusammenhänge zwischen der Variabilität der Meßgrößen und den meteorologischen Bedingungen ermöglicht und eine Abschätzung der Auswirkungen der Variabilität der Partikeleigenschaften, insbesondere der chemischen Zusammensetzung, in meteorologischen Anwendungen zuläßt. Der Klassifikationsansatz nach Rückwärtstrajektorien ist prinzipiell geeignet, um die Abhängigkeit der Partikeleigenschaften von den meteorologischen Bedingungen zu beschreiben. Es ist jedoch nicht möglich, einen Einflußfaktor als den wichtigsten hervorzuheben oder sogar quantitative Beziehungen zwischen Partikeleigenschaften und meteorologischen Parametern herzustellen. Die Herkunft der Luft liefert einen Hinweis auf die zu erwartenden meteorologischen Bedingungen und Partikeleigenschaften, die lokale meteorologische Situation bestimmt jedoch die genaue Ausprägung der Meßgrößen. Eine Berücksichtigung des Einflusses der lokalen Wetterlage sowie lokaler bzw. regionaler Quellen könnte durch die Einbeziehung der Windrichtung vorgenommen werden. Auf der Basis längerer Meßreihen sollte überprüft werden, ob die Unterteilung in fünf Trajektorienklassen modifiziert werden muß. Der große Einfluß der spezifischen Wetterlage auf die Meßergebnisse führt dazu, daß die Ergebnisse von Meßkampagnen weder für einen längeren Zeitraum noch für ein größeres Gebiet repräsentativ sein können. Ebenso ist die Verwendung von Mittelwerten über längere Zeiträume ist nicht sinnvoll, da die Variabilität der Meßgrößen während eines Tages sowie von Tag zu Tag sehr groß ist. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge zwischen Partikeleigenschaften und meteorologischen Bedingungen erscheint es unbedingt nötig, längere Meßreihen aller wichtigen Aerosoleigenschaften durchzuführen, damit statistisch belastbare Daten über eine hinreichend große Zahl von Messungen unter verschiedensten meteorologischen Bedingungen zu allen Jahreszeiten vorliegen, die Aussagen über Zusammenhänge mit Witterungsbedingungen, Tagesgänge, Jahresgänge aber auch die Vertikalverteilung der Partikeleigenschaften zulassen. Dabei ist es wichtig, alle interessierenden Größen gleichzeitig zu messen, da nur dann eine Untersuchung des Einflusses der Variabilität verschiedener Parameter auf die für die Anwendung wichtigen Größen möglich ist.
Delthyridoid spiriferids are characterized by a global abundance and fast evolution during Silurian and Devonian, and, therefore, are used as important biostratigraphical and palaeobiogeographical tools. In this work, delthyridoid brachiopod faunas from different regions of today’s world, resp., of different palaeobiogeographical units, are compared side-by-side to investigate their phylogenetic relationships and to improve, in a second step, the palaeobiogeography from Late Silurian to Early Eifelian time. A new systematics of Delthyridoidae is established which is more complicated than hitherto assumed. The results of this study are mainly based on direct comparison of articulated and isolated brachiopod shells, external and internal moulds, as well as latex casts and serial sections. The computer supported cladistic analyses have turned out not to be useful due to different kinds of preservation resulting in an incomplete matrix which is insufficient for reliable cladograms. A further problem in terms of cladistical analyses are various convergences during the evolution of spiriferids. Many characters evolved independently from each other at different times in each lineage so that autapomorphies are hardly or not at all recognizable. As a result, families and genera are only definable by a combination of characters rather than by a single or a few autapomorphies. As a new method, 3D reconstruction from serial sections is introduced which made it possible for the first time to compare directly mouldic and shelly material. Preliminary results are presented herein. Statistical analyses of measurements taken from new taxa are made but regarded as a descriptive argument rather than a deciding factor for taxonmy due to incomplete preservation and/or tectonic deformation. Brachiopods, especially type material, from collections of different institutions and museums are studied as well as personal material, whenever possible collected from topotype outcrops. Emended diagnoses, if necessary, from family to species level are given. During this work several new taxa have been erected: 7 new families: Australospiriferidae, Murchisonispiriferidae, Orientospiriferidae, Otospiriferidae, Patriaspiriferidae, Rostrospiriferidae, and Trigonospiriferidae; 6 new genera, 1 of these in open nomenclature: Cyclopterospirifer, Hallispirifer, Parlinispirifer, Murchisonispirifer, Shujiapingensispirifer, and gen. nov. B; and 3 new species: Patriaspirifer merriami, Patriaspirifer johnsoni, and Murchisonispirifer feldmani; 1 taxon is defined as nomen novum: Orientospirifer nakaolingensis wani. In the framework of this project, 2 families: Filispiriferidae and Multispiriferidae; 1 subfamily: Multiplicatispiriferinae, 6 genera, 1 of them in open nomenclature: Frequentispirifer, Leonispirifer, Multiplicatispirifer, Ovetensispirifer, Turcispirifer, and Gen. A; and 9 new species, 3 of them in open nomenclature: Filispirifer hamadae, Leonispirifer leonensis, Multiplicatispirifer foumzguidensis, Oventensispirifer novascotianus, Quiringites arensentiae, Turcispirifer turciae, Multiplicatispirifer cf. foumzguidensis, Quiringites cf. arensentiae, and ?Turcispirifer sp. A which have already been established are also described in this work. The brachiopod faunas studied consist of externally very similar spiriferids which have been identified as same genera, species, or even subspecies in earlier times. These forms are considered as 6 distinct morphotypes Howellella-, Arduspirifer-, Acrospirifer-, Euryspirifer-, Paraspirifer-, and Multiplicatispirifer-like morphotypes, which are briefly introduced. The new systematics is characterized by different clades, the European/North African delthyridoid spiriferid clade, the North American delthyridoid spiriferid clade, the Asian delthyridoid spiriferid clade, the Malvinokaffric delthyridoid spiriferid clade, and the delthyridoid multiplicated spiriferid clade. Each of them is described in a cladistic and in a phylogenetic way. Their phylogenetic relationship sheds new light on palaeobiogeographical interpretations for the different stages from Late Silurian to early Middle Devonian time. A tendency for increasing endemicity is seen until the end of the Early Emsian, which is interrupted by short term regional faunal exchange within a province or within a realm, followed by a loss of endemicity resulting in global distribution of brachiopod genera until the end of Givetian time. The Old World Realm is re-defined due to the lack of phylogenetic relationship between its faunas and subdivided into the European Realm, consisting of the Gondwanan and Avalonian provinces, and the Asian Realm, consisting of the Siberian, Sino, and Mongolian provinces. A reconstruction of Lower Devonian palaeobiographical map is introduced.
Partial melting of crustal and mantle rocks under pressure from impedance spectroscopy measurements
(2004)
The purpose of this work is to achieve a better understanding of the physical properties of rocks during partial melting processes. The electrical conductivity of some crustal and upper mantle rocks was measured prior and above the melting under pressure. The variations of the electrical conductivity were compared with the distribution of melt in partially molten rock samples. The electrical conductivity was estimated from the impedance spectroscopy at temperatures between 800 and 1450˚C and at pressures between 0.3 and 2 GPa. These measurements were performed in a piston cylinder apparatus. At temperatures above the melting, samples were equilibrated during a long time and subsequently quenched. Thin sections were prepared and topology, volume fraction and chemical composition of melt was analyzed by using a microprobe. Above the solidus temperature, the electrical conductivity increases for about 1 to 2 orders of magnitude in comparison with non-melted rocks. The "melt effect" seems to reflect the formation of an interconnected network of melt. When a complete melt connectivity is established, the charge transport follows the network of the formed melt films at grain boundaries. Usually, it takes a long time in order to reach a steady state of the electrical resistance in partially molten rocks. Only when a steady state of the electrical resistance is achieved, the bulk conductivity of a sample can be measured properly. The time-independent electrical conductivity were found only after 200 h of annealing time at a desired temperature.
Usually, the measurements of a dihedral angle on grain-liquid interfaces in rocks show that the wetting of grain faces start to develop at temperatures slightly above the solidus temperature. The development of these faces should lead to a continuous melt network even at small melt fractions of few wt.%. This result is not confirmed by our electrical conductivity measurements. The complete interconnection of the melt phase, which was mark by an increase of the electrical conductivity, corresponds to a temperature significantly above the solidus temperature, for at least 30-50˚C. The development of these faces stimulate a significant increase of the electrical conductivity, and corresponds to the occurence of at least 5 wt.% of a melt fraction. This result could be explained by deviations from the textural equilibrium of a melt phase topology in partially molten samples due to heterogeneous grain size distribution, misorientation of grains and anisotropy of the superficial energy of adjacent grain boundaries.
Some mixing models that allow to calculate the electrical conductivity of a composite as a function of a melt fraction were examined and the results of these calculations are discussed.
The experimental results were compared to the conductivity data obtained from magnetotelluric and electromagnetic measurements in the Northern part of mid-Atlantic ridge where a series of magma chambers are presumably located. There is a good agreement between our conductivity values for a melt fraction of 10-13 the conductivity estimated in the Reykjanes ridge zone.
Enhanced aridification of Central Asia driven by the combined effects of orogenic surface uplift, Paratethys retreat, changes in atmospheric moisture transport and global cooling is one of the most prominent Cenozoic climate change events of the Northern Hemisphere. Deciphering regional long-term patterns of Central Asian hydrology is, therefore, a key element in understanding the role of Northern Hemisphere mid-latitude drying in the global hydrological system. Pedogenic carbonates record information of the paleoecosystem, the paleogeography, hydrology, tectonic and climatic conditions as well as the sedimentary regime during the time in which they formed. The calcrete-bearing paleosols in continental sedimentary basins yield the possibility for understanding these processes, mechanisms and controlling factors. This study characterizes long-term paleoenvironmental conditions between the late Oligocene and early Miocene in SE Kazakhstan based on stable isotopes, elemental geochemistry and laser ablation U-Pb geochronology from alluvial, fluvial and pedogenic deposits. The main topics addressed in this thesis are paleosol and calcrete formation processes in the light of geochemistry, tectonic and climatic influences on both, as well as the paleoenvironmental and hydrological conditions which led to these processes.
The sedimentological succession of the 14 km-long Kendyrlisai Valley in the Ili Basin, SE Kazakhstan in Central Asia, yields exceptional well-developed paleosols which provide an insight into the relationship between tectonics and sedimentation as well as soil formation processes. The valley accommodates more than 600 m of siliciclastic sediments deposited in a fluvial to alluvial environment in the lower part which grade into lacustrine to fluvial deposition with minor gypsum accumulation in the upper part. The yet undated sediments of Kendyrlisai Valley are compared with a biostratigraphically dated and well described succession in an adjacent location. The correlation of the two successions revealed a proximal-distal relation with the Kendyrlisai Valley succession represents the basin margin position with coarse alluvial-fluvial sediments. The calcrete nodules in Kendyrlisai Valley paleosols give the opportunity of U-Pb dating with LA-ICP-MS which uses the variation in both U and Pb to directly date the calcite. The U-Pb dating revealed a late Oligocene-early Miocene age for the investigated section. The analysis of facies and geochemistry of the paleosol profiles in Kendyrlisai Valley gives insight into calcretization stages, pedogenic processes and landscape stability. Kendyrlisai Valley paleosols show a low to moderate weathering intensity with the highest weathering intensity between 0.5 and 0.8 m depth in the paleosol profile. The comparison between acid leachable and non-acid leachable fraction indicate an incorporation of Ca and Ba in incipient calcrete calcite, whereas clay minerals adsorb Mg and Sr. During the evolution from early to more mature calcrete stages, i.e. calcrete nodules, Ba is lost by dissolution and subsequently adsorbed on clay minerals. The nodules consist almost exclusively of pure calcium carbonate with rare substitution of Ca by Mg indicating a constant supply of Ca by weathering and solution during calcrete formation. The occurrence of Mg-bearing clay minerals indicates high evaporative conditions with alkaline waters (pH >9).
Sampled calcrete nodule cross sections reveal more than one weathering and calcrete formation phase with a higher supply of Ca, Mg and Fe during early phases. The organic and inorganic carbon isotope composition of the calcrete nodules reflects C3 metabolism under occasionally moisture stress, resulting in higher δ13C values and lower respiration rates. This study also presents calculated atmospheric pCO2 values from the calcrete nodules with the equation from Cerling et al. (1999). The average calculated CO2 concentration for Kendyrlisai Valley paleosols is 313 ± 110 ppmv. The comparison with data from other studies during the late Oligocene–early Miocene reveal lower values for Kendyrlisai Valley paleosols, which may stem from an underestimation of the plant-respired CO2.
The knowledge of the variability within the paleosols and calcrete nodules enables a reliable paleoclimatic interpretation for the Kendyrlisai Valley and beyond the Ili Basin. Sedimentary facies and geochemical weathering indices suggest an increased surface and groundwater discharge fed by orographically-enhanced precipitation in the Tien Shan hinterland. In contrast, pedogenic stable isotope data and elevated rates of Mg fixation in clay minerals mirror enhanced rates of evaporation in the vadose zone due to protracted aridification. This study posits that pronounced surface uplift of the Tien Shan Mountains during the Oligocene–Miocene transition promoted regionally increased orographic precipitation and the development of fluvial discharge systems.
The comparison with other studies in adjacent basins creates a precipitation pattern for Central Asia during the late Oligocene to early Miocene. The westerlies supplied Central Asia with atmospheric moisture from the West, possibly from the Eastern Paratethys. The uplifting Tien Shan Mountain ranges captured this moisture on their luv-side, resulting in a pronounced orographic rainfall in the adjacent Ili and Issyk Kul Basins. The Tarim Basin and the Valley of Lakes experienced drier conditions due to the rain shadow effect on the lee-side of the Tien Shan and Altai Mountains. In course of this findings, the thesis highlights the crucial role the Tien Shan Mountains play and had been playing in former times as an orographic barrier for the distribution of atmospheric moisture across Central Asia.
Forty two samples of the Late Eocene Kiliran oil shale, Central Sumatra Basin, Indonesia were collected from a 102 m long drill core. Palynofacies and geochemical analyses have been carried out to reconstruct the paleoenvironmental conditions and paleoecology during deposition of the oil shale. Amorphous organic matter (AOM) is very abundant (>76%). B. braunii palynomorph is present (3-16%) as the only autochtonous structured organic matter and generally more abundant in middle part of the profile. The stable carbon isotopic composition of organic matter (δ13C) varies from -27.0 to -30.5‰ and is generally more depleted in middle part of the profile. The ratio of total organic carbon to sulfur (TOC/S), used as salinity indicator, ranges from 2.5 to 15.8 and shows variations along the profile. Relatively less saline environments are observed in the middle part profile. Fungal remains are generally present only in middle part of the profile with distinct peak of abundances. The presence of fungal remains is regarded as an indication for a relatively warmer climate during deposition of middle part of the profile. The warmer climate is thought to influence the establishment of a thermocline, limiting the supply of recycled nutrients to the epilimnion. Consequently, the primary productivity in the Kiliran lake decreased during deposition of the middle part of the profile as indicated by the relatively depleted δ13C and the blooming of B. braunii. The chemocline was also shoaling during deposition of the middle part of the profile according to the higher abundance of isorenieratene derivatives of green sulfur bacteria origin. The warmer climate affected also to increase of water supply and thus less saline environments.
Tectonic subsidence is also thought to be a significant factor for the development of the Kiliran lake. The Zr/Rb ratio, an indicator for grain size, ranges from 0.4 to 1.3 and generally increases upwards along the profile. Three sudden decreases of the ratio are observed, indicating rapid change to finer grain size. These decreases are interpreted to indicate rapid deepening events of the lake due to mainly periodic subsidence. During deposition of lower part of the profile, the subsidence rates might have been relatively higher than sediment and water supply rates, resulting in a higher autochtonous fraction in the oil shale. During deposition of middle part of the profile, the sediment and water supply rates were relatively higher promoting distinct progradational sedimentation. Subsequently, the lake became more shallow and smaller during deposition of the upper part of the profile, leading to a relatively higher terrigenous input to the oil shale.
Norneohop-13(18)-ene and neohop-13(18)-ene derived from methanotrophic bacteria are the dominant hopanoid hydrocarbons. The sum of their concentrations varies from 40.6 to 360.0 μg/g TOC. The δ13C of these compounds are extremely depleted (-45.2 to -50.2‰). The occurrence of abundant bacteria including methanotrophic bacteria was responsible for the recycling of carbon below the chemocline of the lake. The effect of the recycling of carbon is observed by the presence of a concomitant depletion (about 7-9‰) in 13C of some specific biomarkers derived from organisms dwelling in the whole phototrophic zone.
4-Methylsterane and 4-methyldiasterene homologues occur in the oil shale as the predominant biomarkers. The sum of the concentrations of all homologues are about 40.3-1,009.2 μg/g TOC with generally higher values in uppermost and lower parts of the profile. Ca accounts as the predominant element in the oil shale, ranging from 5.0 to 16.7%. This element shows generally parallel variation with the 4-methylsterane homologues along the profile. This suggests that the 4-methylsteranes were derived from biological sources favoring more alkaline and more trophic environments. On the other hand, these compounds were less abundant in middle part of the profile which is consistent with less alkaline and less trophic environments promoting B. braunii to bloom.
The 4-methylsterane homologues are considered to originate from Dinoflagellates. Alternation between Dinoflagellates and B. braunii in Paleogene lake systems due to water chemistry changes are known from previous studies. Moreover, freshwater Dinoflagellates have been frequently reported to occur in the basin depocenters. In the present case, distinct alternation between B. braunii abundances and concentrations of 4-methylsterane homologues along the studied oil shale profile suggest that the 4-methylsterane homologues were derived from freshwater Dinoflagellates although dinosterane is not present in the sediment extracts. Water alkalinity and trophic level changes were most likely responsible for the alternation of Dinoflagellates and B. braunii blooming.
Forty two samples of the Late Eocene Kiliran oil shale, Central Sumatra Basin, Indonesia were collected from a 102 m long drill core. The oil shale core represents the deposition time of about 240.000 years. Palynofacies and geochemical analyses have been carried out to reconstruct the paleoenvironmental conditions and paleoecology during deposition of the oil shale. Amorphous organic matter (AOM) is very abundant (>76%). B. braunii palynomorphs are present (3-16%) as the only autochtonous structured organic matter and generally more abundant in the middle part of the profile. The stable carbon isotopic composition of bulk organic matter (13C) varies from -27.0 to -30.5‰ and is generally more depleted in the middle part of the profile. The ratio of total organic carbon to sulfur (TOC/S), used as salinity indicator, ranges from 2.5 to 15.8 and shows variations along the profile. Slightly less saline environments are observed in the middle part of the profile. Fungal remains are generally present only in this part with a distinct peak of abundance. The presence of fungal remains is regarded as an indication for a relatively warmer climate during deposition of the middle part of the profile. The warmer climate is thought to influence the establishment of a thermocline, limiting the supply of recycled nutrients to epilimnion. Consequently, the primary productivity in the Kiliran lake decreased during deposition of the middle part of the profile as indicated by the relatively depleted 13C values and the blooming of B. braunii. The chemocline was also shoaling during the deposition according to the higher abundance of total isorenieratane and its derivatives originated from green sulfur bacteria dwelling in the photic zone euxinia. The warmer climate is also thought to influence the slightly decrease of water salinity during deposition of the middle part of the profile. The occurrence of B. braunii in Kiliran lake is also recognized from organic geochemical data. The distribution of n-alkanes is characterized by the unusual high amount of C27 n-alkane relative to the other long-chain n-alkanes. The concentrations of C27 n-alkane vary from 30.1 to 393.7 μg/g TOC and are generally in parallel with the abundances of B. braunii palynomorphs along the profile. The 13C values of this compound are about -31‰ and up to 2‰ enriched relative to those of the adjacent long-chain n-alkanes. B. braunii race A can thus be regarded as the significant biological source of the C27 n-alkane. Lower amounts of lycopane are observed in many oil shale samples (0 to 54.7 μg/g TOC). The 13C value of this compound is 17.2‰. This strong enrichment of 13C suggests that the lycopane was derived from B. braunii race L. The concentrations of lycopane develop generally in opposite with those of C27 μalkane. It is likely that both B. braunii races bloomed in alternation in the lake, probably due to changes on specific water chemistry. Norneohop-13(18)-ene and neohop-13(18)-ene derived from methanotrophic bacteria are the dominant hopanoid hydrocarbons. The sum of their concentrations varies from 40.6 to 360.0 μg/g TOC. The 13C of these compounds are extremely depleted (-45.2 to -50.2‰). The occurrence of abundant bacteria including methanotrophic bacteria was responsible for the recycling of carbon below the chemocline of the lake. The effect of the recycling of carbon is observed by the presence of a concomitant depletion (about 7-9‰) in 13C of some specific biomarkers derived from organisms dwelling in the whole phototrophic zone. 4-Methylsterane and 4-methyldiasterene homologues occur in the oil shale as the predominant biomarkers. The sum of the concentrations of all homologues are about 40.3-1,009.2 μg/g TOC with generally higher values in the uppermost and lower parts of the profile. Calcium (Ca) accounts as the predominant element in the oil shale, ranging from 5.0 to 16.7%. This element shows generally parallel variation with the 4-methylsterane and 4-methyldiasterene homologues along the profile. This suggests that these compounds were derived from biological sources favoring more alkaline and more trophic environments. On the other hand, these compounds were less abundant in the middle part of the profile which is consistent with less alkaline and less trophic environments promoting B. braunii to bloom. Alternation between Dinoflagellates and B. braunii in ancient lacustrine environments due to water chemistry changes have been known from previous studies. In the present case, distinct alternation between B. braunii abundances and concentrations of 4-methylsterane and 4-methyldiasterene homologues along the studied oil shale profile suggest a hypothesis that these compounds were derived from freshwater Dinoflagellates although dinosterane is not present in the sediment extracts. Water alkalinity and trophic level changes were most likely responsible for the alternation of Dinoflagellates and B. braunii blooming.
Within the present study the occurrence and fate of the organophosphorus flame retardants and plasticizers tris(2-chloroethyl) phosphate (TCEP), tris(2-chloro-1-methylethyl) phosphate (TCPP), tris(1,3-dichloro-2-propyl) phosphate (TDCP), tris(2-butoxyethyl) phosphate (TBEP), tri-iso-butyl phosphate (TiBP), and tri-n-butyl phosphate (TnBP) in precipitation, lake water, surface runoff and groundwater from urban and remote areas in Germany was investigated between June 2007 and October 2009. 255 samples of precipitation, 210 samples of lentic surface water and 72 samples of groundwater were analyzed for the six organophosphates (OPs) by solid phase extraction followed by gas chromatography-mass spectrometry. The research focused on aspects concerning (1) the atmospheric washout of OPs by precipitation, (2) the temporal variation of OP concentrations in precipitation and in lentic surface waters as well as (3) the pollution of groundwater by OPs. The results of the study emphasize the importance of precipitation as an all-season entry-pathway for OPs in the aquatic environment, particularly in densely populated urban environments with high traffic volume and abundant usage of flame-protected products. No seasonal trends were observed for all analytes in precipitation at the urban sampling site. TCPP dominated in all precipitation and storm water holding tank (SWHT) water samples with maximum levels exceeding 1 µg/L. An accumulation of OPs deposited in SWHTs was observed with concentrations often exceeding those observed in wet precipitation. Median concentrations of TCPP (880 ng/L), TDCP (13 ng/L), and TBEP (77 ng/L) at the urban SWHT were more than twice as high as those measured at the urban precipitation sampling site (403 ng/L, 5 ng/L, 21 ng/L) located close to the SWHT. OP levels in more remote lakes were often below or close to the limits of quantitation (LOQ). Nevertheless, TCPP was the substance with the highest median concentration in rural volcanic lakes (7–18 ng/L) indicating an atmospheric transport of the compound. At urban lakes the median OP concentrations were in the range of 23–61 ng/L (TCEP), 85–126 ng/L (TCPP), <LOQ–53 ng/L (TBEP), 8–10 ng/L (TiBP), and 17–32 ng/L (TnBP). In laboratory experiments, TBEP, TiBP, and TnBP were photochemically degraded in spiked lake water samples upon exposure to sunlight. In the SWHT a seasonal trend with decreasing concentrations in summer/autumn was evident for TiBP and TnBP but not for the chlorinated OPs. The decreasing concentrations can be explained by in-lake photodegradation. Results have also shown that the occurrence of OPs in groundwater is depending on the anthropogenic impact during groundwater recharge/natural replenishment. Infiltration of precipitation was found to be no important entry-pathway for OPs into aquifers at rural sites. Highest OP concentrations (>0.1 µg/L) were determined in groundwater polluted by percolating leachate from contaminated sites or groundwater recharged via bank filtration of OP-loaded recipients. Concentrations of TCEP, TCPP, TiBP and TnBP in groundwater decreased rapidly (89–97%) during bank filtration with increasing distance from the recipient due to adsorption processes and/or biotransformation. Although TCEP and TCPP are stable within the aquifer, they are not suitable as conservative organic tracers in groundwater.
The purpose of this study was to reconstruct the depositional environment, the genesis and the composition of Miocene coals in the Kutai Basin, East Kalimantan, Indonesia and to improve our understanding of the factors controlling the organic and inorganic composition, variation of biomarkers, and the peat forming vegetation of the coals. To achieve the aim methods belonging to three different disciplines were applied: 1. Coal petrology (chapter 3) 2. Inorganic geochemistry: sulfur, pyrite and mineral matter distributions (chapter 4) 3. Organic geochemistry of saturated, aromatic hydrocarbon fractions and stable carbon isotopic composition (chapter 5 and 6) Coal petrology Coal developes from peat deposited in mires, mainly in swamps and raised bogs. It is therefore necessary to consider how peat was formed in the past. Coal contains a variety of plant tissues in different degrees of preservation. Tissues of distinct origin are microscopically identifiable and can frequently be related to certain parts of the plant, such as cuticles, woody structures, spores, algal, resin, etc. Together with the particles of less certain origin they are termed macerals which are the petrographic components of coal. During and after deposition of plant remains in sedimentary basins, the organic matter will undergo a sequence of physical, biochemical and chemical changes, which finally results in the formation of coals of increasing rank depending mainly on the temperature influence. The process of coalification begins with practically unaltered plant material and peat, and continues with increasing rank through brown coal, bituminous coal, and finally to anthracite as well as graphite. Coal petrography provides valuable of data of maceral and mineral percentages with reflectance values, which can be used to reconstruct the depositional environment and the coalification processes. In lower rank coals, the material is represented by a group of macerals called huminite, and in bituminous and anthracite coals by a group of macerals called vitrinite. Coal petrography analyses have been carried out on samples from some Miocene coal seams from Kutai Basin. The study has shown that huminite reflectance values of coal samples from ...
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.
Physical soil properties feature high spatial variabilities which are known to affect geophysical measurements. However, these variations are not considered in most cases. The challenging task is to quantify the influence of soil heterogeneities on geophysical data. This question is analysed for DC resistivity and GPR measurements which are frequently used for near-surface explorations. To determine the pattern of electric soil properties in situ with the required high spatial resolution, geophysical measuring techniques are methodically enhanced. High-resolution dipole-dipole resistivity measurements are used to determine the electric conductivity distribution of the topsoil. Due to the small electrode separations, the actual electrode geometry has to be considered and an analytic expression for geometric factors is derived instead of assuming point electrodes. Two methods are used to determine soil permittivity with GPR:(i) the coefficient of reflection at the interface air-soil is measured with an air-launched horn antenna, (ii) the velocity of the groundwave is measured with a new setup using two receiver antennas enhancing the lateral resolution from in the best case 0.5 m for standard techniques to approximately 0.1 m with the new technique. With the optimised measuring techniques, the electric properties of sandy soils are determined in the field. Conductivity and permittivity show high spatial variability with correlation lengths of a few decimetres. Geostatistical simulation techniques are used to generate synthetic random media featuring the same statistical properties as in the field. FD calculations are carried out with this media to provide realistic synthetic data of resistivity and GPR measurements. Conductivity variations as determined in the field generate significant variations of simulated Schlumberger sounding curves resulting in uncertainties of the inverted models. Even in pedologically homogeneous sandy soil, moisture pattern and resulting permittivity variations cause strong GPR diffractions as demonstated by FD calculations. This influences the detectability of small objects such as e.g. landmines or of large reflectors as e.g. the groundwater table. Conductivity variations as typical for soils showed to have a minor effect on GPR measurements than variations of permittivity. In summary, geostatistical analysis and simulation provide a powerful tool to simulate geophysical measurements under field conditions including soil heterogeneity which can be used to quantify the uncertainty of field measurements by geologic noise.
Die Wechselwirkung zwischen zwei verschiedenartigen Wellenphänomenen in einer Höhe von ca. 10 bis 100 km, der mittleren Atmosphäre, ist das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit. Schwerewellen entstehen durch Oszillationen der Luft in einer stabil geschichteten Atmosphäre. Durch die Vielzahl von Schwerewellen-Paketen, die in der Troposphäre durch Gebirge, Gewitter, Fronten und andere dynamische Prozesse angeregt werden, wird Energie und Impuls in die mittleren Atmosphäre transportiert. Durch den turbulenten Zerfall von brechenden Schwerewellen wird auf die mittlere Strömung eine Kraft ausgeübt, welche im Bereich der Mesopause bei ca. 90 km maximal wird. Daraus resultiert die sogenannte interhemispherische residuelle Zirkulation, die in der Mesosphäre den Sommer- mit dem Winterpol verbindet und die beeindruckend kalte Sommer-Mesopause mit Temperaturen von unter −140°C verursacht. Thermische Gezeiten sind ein weiterer wichtiger Teil in der Dynamik der mittleren Atmosphäre. Sie werden durch die Erwärmung der Tagseite der Erde angeregt und sind globale Schwingungen mit Perioden von 24 Stunden und harmonischen Vielfachen. Mit Wind- und Temperatur-Amplituden von bis zu 50 m/s und 30 K dominieren sie die Tagesvariabilität im Mesopausen-Bereich.
In der Mesosphäre wird die Wechselwirkung zwischen Schwerewellen und thermischen Gezeiten wichtig. Dort wird durch die Gezeitenwinde das Brechen von Schwerewellen zeitlich moduliert und eine periodische Kraft erzeugt, welche auf die Gezeiten rückwirkt. Doch selbst unter Zuhilfenahme modernster Hochleistungsrechner kann in komplexen Zirkulationsmodellen nur ein Bruchteil des turbulenten sowie des Wellen-Spektrums aufgelöst werden. Der Effekt der nichtaufgelösten Skalen, wie Turbulenz und Schwerewellen, muss somit in effizienter Weise parametrisiert werden. Üblicherweise wird in Schwerewellen-Parametrisierungen die horizontale und zeitliche Variation des Hintergrundmediums vernachlässigt. Es entsteht eine vertikale Säule, in der sich stationäre Schwerewellen-Züge instantan nach oben ausbreiten. Es ist jedoch äußerst fraglich, inwieweit eine solche Beschreibung, auf der ein Großteil früherer Untersuchungen basiert, für das Ergründen der Schwerewellen-Gezeiten-Wechselwirkung hinreicht. Für diese Arbeit wurde deswegen das Ziel gesetzt, die Defizite der konventionellen Beschreibung der Schwerewellen-Ausbreitung in realistischen Gezeiten zu quantifizieren.
Die "Ray Tracing"-Methode wird auf die Problemstellung der Schwerewellen-Gezeiten-Wechselwirkung angewendet. In der "Ray Tracing"-Methode werden Schwerewellen-Pakete entlang ihrer Ausbreitungspfade explizit verfolgt und Veränderungen der Schwerewellen-Eigenschaften durch den Einfluss der Hintergrundströmung berücksichtigt. Vom Autor wurde das globale "Ray Tracing"-Modell RAPAGI (RAy PArameterization of Gravity-wave Impacts) entwickelt und mit realistischen Gezeitenfeldern aus dem Zirkulationsmodell HAMMONIA (HAmburg MOdel of the Neutral and Ionized Atmosphere) betrieben. In verschiedenen "Ray Tracing"-Experimenten wird für ein einfaches Schwerewellen-Ensemble gezeigt, wie horizontale Gradienten des Hintergrundmediums sowie dessen Zeitabhängigkeit wesentlichen Einfluss auf die Ausbreitung und Dissipation von Schwerewellen nehmen. Zum einen führt die durch Gezeitenwellen hervorgerufene Transienz zu einer tageszeitlichen Modulation der absoluten Schwerewellen-Frequenz.
Die dadurch induzierten Variationen der horizontalen Phasengeschwindigkeit der Schwerewellen können die anfängliche Phasengeschwindigkeit um bis zu eine Größenordnung übertreffen und folgen dem Verlauf des Hintergrundwindes. Die kritische Filterung von Schwerewellen wird durch diese Modulation abgeschwächt, was im Vergleich zu konventionellen Schwerewellen-Parametrisierungen zu einer im Mittel um 30 % geringeren Kraftwirkung auf die Gezeiten führt. Zum anderen werden durch horizontale Gradienten in der gesamten Hintergrundströmung Schwerewellen-Pakete horizontal abgelenkt. Wellen, die gegen die Hintergrundströmung laufen, werden in der Stratosphäre in die Maxima der Wind-Jets hineingeführt. Durch dieses Verhalten wird analog zum Fermatschen Prinzip der geometrischen Optik die Laufzeit der Schwerewellen in der mittleren Atmosphäre minimiert. Es entsteht eine Fokussierung von Schwerewellen-Feldern, bei gleichzeitiger Zunahme der horizontalen Wellenzahl in den Experimenten im Mittel um ca. 10 %. Dadurch reduziert sich der Schwerewellen-Impulsfluss und die mittlere und ebenfalls die periodische Kraft auf die Hintergrundströmung im Mittel um weitere 20 % bis 30 %. Konventionelle Schwerewellen-Parametrisierungen scheinen somit die Kraftwirkung von brechenden Schwerewellen zu uberschätzen. Aus den Ergebnissen der Arbeit wird klar, dass Schwerewellen-Parametrisierungen nicht "blind" für jede Untersuchung genutzt werden können. Alle Annahmen und Näherungen in Parametrisierungen müssen je nach Zielstellung neu getestet werden.
Despite mounting evidence of the anthropogenic influence on the Earth's climate, underlying mechanisms of climate change often remain elusive. The investigation of periods of rapid climate change from geological archives may provide crucial information about magnitude, duration, teleconnections of and regional responses to global and hemispheric scale climate perturbations. Thus, paleoclimate reconstructions may help in mitigating and adapting to the challenges of the coming decades. The '8.2 kyr B.P. climatic event' has previously been proposed as a possible analogue for the future climatic scenario of a reduced Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). The catastrophic drainage of the Laurentide meltwater lakes through the Hudson Bay and into the Labrador Sea, that occurred ca. 8.47 kyr B.P., caused the slowdown of the AMOC around 8.2 kyr B.P.. Subsequently, reduced heat transfer towards Europe triggered a substantial decline in (winter) temperature and pronounced changes in atmospheric circulation patterns in many regions of the northern hemisphere, especially the North Atlantic realm and Europe. Among the regions affected by the 8.2 kyr B.P. climatic event, the Eastern Mediterranean region is of particular interest for both past and future climate developments. Traditionally characterized as a region highly sensitive to variations in the climate systems of the high and low latitudes, abrupt climate changes have the potential to strongly alter atmospheric circulation patterns and thus precipitation distribution in the region that may have severe socioeconomical consequences. The analysis of stable hydrogen (δD) and oxygen isotopes (δ18O) in precipitation is an excellent tool to trace changes in atmospheric circulation. Here, we present a comparative study of δD and δ18O in precipitation from the Eastern Mediterranean region both in a present day scenario and during the 8.2 kyr B.P. climatic event. We analyze the influences of topography, air mass trajectory, climate and seasonality among others the stable isotopic compositions of meteoric waters from the Central Anatolian Plateau (CAP), Turkey, in order to create a first-order template which may serve as a reference against which paleoenvironmental proxy data may be more accurately interpreted and tested. Further, we employ a multiproxy approach on the early Holocene peat deposits of the classical site of Tenaghi Philippon (TP), NE Greece, to investigate paleoenvironmental responses to northern hemisphere cooling during the 8.2 kyr B.P. climatic event and aim to determine changes atmospheric circulation from δD of leaf wax n-alkanes (δDwax).
Based on δD and δ18O data from more than 480 surface water samples from the CAP, we characterize moisture sources affecting the net isotopic budget of precipitation, manifesting in a systematic north-south difference in near-sea level moisture compositions. Rainout, induced by the major orographic barriers of the plateau, the Pontic Mountains to the north and the Taurus Mountains to the south, strongly shape the modern patterns of δD and δ18O. Stable isotope data from the semi-arid plateau interior provide clear evidence for an evaporitic regime that drastically affects surface water compositions. Strong evaporative enrichment contrasts rainfall patterns along the plateau margins, in part obfuscating the effects of topography and air mass trajectory.
Consequently, in order to address possible influences of evaporation on δD and δ18O in paleoprecipitation from TP, we analyze n-alkane abundances and distributions along with stable carbon isotope compositions of total organic carbon (δ13CTOC) and palynological data to estimate surface moisture conditions during the early Holocene (ca. 8.7 - 7.5 kyr B.P.) and especially during the 8.2 kyr B.P. climatic event. A period of relatively dry surface conditions from ca. 8.7 to 8.2 kyr B.P., indicated by low values of the 'aquatic index' (Paq ) and by elevated Average Chain Length (ACL) values, in concert with elevated δ13CTOC values, precedes the 8.2 kyr B.P. climatic event. The event itself is characterized by slightly wetter, more humid conditions, as suggested by an increase in Paq values as well as reduced ACL and δ13CTOC values between ca. 8.2 and 7.9 kyr B.P.. In the upper section of the core, a distinct change in paleohydrology becomes. A steep increase in Paq and a decrease in ACL values as well as variations in δ13CTOC from 7.9 kyr B.P. onwards imply considerably elevated surface moisture levels, likely caused by the increased activity of the karstic system of the surrounding mountains. Collectively, the biomarker proxies presented here, reveal a concise picture of changing moisture conditions at TP that is consistent with palynological data and provide detailed paleoenvironmental information for the analysis of δDwax as a paleoprecipitation proxy. The long-term decline in δDwax values characterizes the lower section of the core until ca. 8.2 kyr B.P.. The 8.2 kyr B.P. climatic event itself is connected to two distinct positive hydrogen isotope excursions: a minor shift in δDwax around 8.2 kyr B.P. and a major shift in δDwax between ca. 8.1 and 8.0 kyr B.P.. The upper part of the section shows a progressive trend towards higher δDwax values. With no indication of increased evaporitic conditions at TP during the 8.2 kyr B.P. climatic event, as evident in biomarker proxies and pollen data, we link shifts in δDwax to changes in Mediterranean air mass trajectories supplying precipitation to northeastern Greece, with variations in the relative contributions of northerly derived, D-depleted moisture and southerly-derived, D-enriched moisture. Possible control mechanisms include changes in the influence of the Siberian High and differences in the influence of the African and Asian monsoon circulations on anticyclonic conditions in the Mediterranean region as well as regional inflow of moist air from the Aegean Sea.
The objective of the present doctoral thesis was to investigate the occurrence, distribution, and behaviour of six hydrophilic ethers: ethyl tert-butyl ether (ETBE), 1,4-dioxane, ethylene glycol dimethyl ether (monoglyme), diethylene glycol dimethyl ether (diglyme), triethylene glycol dimethyl ether (triglyme), and tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme) in surface-, waste-, ground- and drinking water samples. Solid phase extraction and gas chromatography/mass spectrometry were used to analyze the six hydrophilic ethers. Altogether more than 150 surface water samples, almost 100 of each groundwater and wastewater samples, and 10 raw and drinking water samples were analyzed during the research project.
Initially, the method was validated in order to simultaneously determine the analytes of interest in various aquatic environments. A solid phase extraction method that uses coconut charcoal (Resprep® activated coconut charcoal, Restek) or carbon molecular sieve material (SupelcleanTM Envi-CarbTM Plus, Supelco) for analyte absorption were found suitable for determination of ETBE, 1,4-dioxane, and glymes in surface-, drinking-, ground- and wastewater samples. Precision and accuracy of both methods was demonstrated for all analytes of interest. The recovery of target compounds from the ultrapure water spiked at 1.0 µg L−1 was between 86.8 % and 98.2 %, with relative standard deviation below 6 %. The samples spiked at 10.0 µg L−1 gave slightly higher recovery of 90.6 % to 112.2 % with a relative standard deviation below 3.4 % for each analyte. Detection and quantification limits in ultrapure water and surface waters were furthermore established. The limit of quantitation (LOQ) in ultrapure water ranged between 0.024 µg L−1 to 0.057 µg L−1 using Restek cartridges, and 0.030 µg L−1 to 0.069 µg L−1 using Supelco cartridges. In the surface water samples the calculated LOQ was 0.032 µg L−1 to 0.067µg L−1 using coconut charcoal material and 0.032 µg L−1 to 0.052 µg L−1 using the carbon molecular sieve material. Moreover, stability of the unpreserved and preserved water samples as well as the extracts was determined. Preservation of samples with sodium bisulfate (at 1 gram per Liter) resulted in much better stability of the ethers in water samples. Subsequently, 27 samples obtained from seven surface water bodies in Germany (Rivers Rhine, Lippe, Main, Oder, Rur, Schwarzbach and Wesel-Datteln Canal) were analyzed for the six hydrophilic ethers. ETBE was present in only two surface waters (Rhine River and Wesel-Datteln Canal) with concentrations close to the LOQ (up to 0.065 µg L−1). 1,4-Dioxane was detected in all of the water samples at concentrations reaching 1.93 µg L–1. Monoglyme was identified only in the Main and Rhine Rivers at the maximum concentration of 0.114 µg L–1 and 0.427 µg L–1, respectively. Very high concentrations (up to 1.73 µg L−1) of diglyme, triglyme, and tetraglyme were detected in the samples from the Oder River. These glymes were also detected in the Rhine River; however the concentrations did not exceed 0.200 µg L–1. Furthermore, tetraglyme was detected in the Main River at an average concentration of 0.409 µg L–1 (n = 6) and in one sample from the Rur River at 0.192 µg L–1.
Four sampling campaigns were conducted at the Oderbruch polder between October 2009 and May 2012, in order to study the behavior of the hydrophilic ethers and organophosphates during riverbank filtration and in the anoxic aquifer. Moreover the suitability of these target compounds was assessed for their use as groundwater organic tracers. At the time of each sampling campaign, concentrations of triglyme and tetraglyme in the Oder River were between 20–185 ng L–1 (n = 4) and 273¬–1576 ng L–1 (n = 4). Monoglyme, diglyme, and 1,4-dioxane were analyzed only during the two last sampling campaigns. At that time, the concentration of diglyme in Oder River was 65¬–94 ng L-1 (n = 2) and 1,4-dioxane 1610¬–3290 ng L–1 (n = 2). In the drainage ditch, following bank filtration, concentrations of ethers ranged between 1090 ng L–1 and 1467 ng L–1 for 1,4-dioxane, 23¬ng L–1 and 41 ng L–1 for diglyme, 37 ng L–1 and 149 ng L–1 for triglyme, and 496 ng L–1 and 1403 ng L–1 for tetraglyme. In the anoxic aquifer, 1,4-dioxane showed the greatest persistence during the groundwater passage. At the distance of 1150 m from the river and an estimated groundwater age of 41.9 years, a concentration above 200 ng L−1 was detected. A positive correlation was found for the inorganic tracer chloride (Cl−) with 1,4-dioxane and tetraglyme. Similarities in the behavior of Cl− and the organic compound suggested that 1,4-dioxane and tetraglyme are controlled by the same hydraulic process and therefore can be used as additional tracers to study the dynamics of the groundwater system. These results show that high concentrations of ethers are present in the surface water and are not removed during bank filtration processes. Moreover, the hydrophilic ethers persist in the anoxic aquifer and little or no degradation is expected, supporting, their possible application as organic tracers.
A separate sampling project was conducted for 1,4-dioxane that focused primarily on its fate in the aquatic environment. This study provided missing information on the extent of water pollution with 1,4-dioxane is Germany. Numerous waste-, surface-, ground- and drinking water samples were collected in order to determine the persistence of 1,4-dioxane in the aquatic environment. The occurrence of 1,4-dioxane was determined in wastewater samples from four municipal sewage treatment plants (STP). The influent and effluent samples were collected during weekly campaigns. The average influent concentrations in all four plants ranged from 262 ± 32 ng L−1 to 834 ± 480 ng L−1, whereas the average effluents concentrations were between 267 ± 35 ng L−1 and 62,260 ± 36,000 ng L−1. The source of increased 1,4-dioxane concentrations in one of the effluents was identified to originate from impurities in the methanol used in the postanoxic denitrification process. Spatial and temporal distribution of 1,4-dioxane in the river Main, Rhine, and Oder was also examined. Concentrations reaching 2,200 ng L−1 in the Oder River, and 860 ng L−1 in both Main and Rhine River were detected. The average load during the sampling was estimated to be 6.5 kg d−1 in the Main, 34.1 kg d−1 in the Oder, and 134.5 kg d−1 in the Rhine River. In all of the sampled rivers, concentrations of 1,4-dioxane increased with distance from the mouth of the river and were found to negatively correlate with the discharge of the river. In order to determine if 1,4-dioxane can reach drinking water supplies, samples from a Rhine River bank filtration site and potable water from two drinking water production facilities were analyzed for the presence of 1,4-dioxane in the raw water and finished potable water. The raw water (following bank filtration) contained 650 ng L−1 to 670 ng L−1 of 1,4-dioxane, whereas the concentration in the finished drinking water fell only to 600 ng L−1 and 490 ng L−1, respectively.
During the final project, investigations of the source identification of high glyme concentrations in the Oder River were carried out. During four sampling campaigns between January, 2012 and April, 2013, 50 samples from the Oder River in the Oderbruch region and Poland were collected. During the first two samplings in the Oderbruch polder, glymes were detected at concentration reaching 0.07 µg L-1 (diglyme), 0.54 µg L−1 (triglyme) and 1.73 µg L−1 (tetraglyme) in the Oder River. The extensive sampling campaign of the Oder River (about 500 km) in Poland helped to identify the area of possible glyme entry into the river. During that sampling the maximum concentrations of triglyme and tetraglyme were 0.46 µg L−1 and 2.21 µg L−1, respectively. A closer investigation of the identified area of pollution, helped to determine the possible sources of glymes in the Oder River. Hence, the final sampling focused on the Kaczawa River, a left tributary of the Oder River and Czarna Woda, a left tributary of Kaczawa River. Moreover, samples from an industrial wastewater treatment plant were collected. Samples from Czarna Woda stream and Kaczawa River contained even higher concentrations of diglyme, triglyme, and tetraglyme, reaching 5.18 µg L−1, 12.87 µg L−1 and 80.81 µg L−1, respectively. Finally, three water samples from a wastewater treatment plant receiving influents from a copper smelter were analyzed. Diglyme, triglyme, and tetraglyme were present at an average concentration of 569 µg L−1, 4300 µg L−1, and 65900 µg L−1, respectively in the wastewater. Further research helped to identify the source of the glymes in the wastewater. The gas desulfurization process – Solinox implemented in the nearby copper smelter uses glymes as physical absorption medium for sulfur dioxide.
Results of this doctoral research provide important information about the occurrence, distribution, and behavior of hydrophilic ethers: 1,4-dioxane, monoglyme, diglyme, triglyme, and tetraglyme in the aquatic environment. A method capable of analyzing a wide range of ether compounds: from a volatile ETBE to a high molecular weight tetraglyme was validated. 1,4-Dioxane and tetraglyme were found to be applicable as organic tracers, since they are not easily attenuated during bank filtration and the anoxic groundwater passage. The extent of water pollution with 1,4-dioxane was shown in waste-, surface-, ground-, and drinking waters. One source of extremely high concentrations of 1,4-dioxane in a municipal sewage treatment plant applying postanoxic denitrification was identified, however more information is needed on the entry of 1,4-dioxane into surface waters. Moreover, 1,4-dioxane was present in drinking water samples from river bank filtration, which demonstrates its persistence in the aquatic environment and its low degradation potential during bank filtration and subsequent water treatment. Furthermore, this was the first study that focused primarily on identifying sources of glymes in surface waters. Glymes find a widespread use in industrial sectors, hence establishing their origin in the surface water is difficult (as with 1,4-dioxane). In this work, a gas desulphurization process was identified to be a dominating source of glyme pollution in the Oder River.
Occurrence and sources of 2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol (TMDD) in the aquatic environment
(2011)
The aim of the present study was to identify the sources of 2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol (TMDD) into the aquatic environment and to investigate its occurrence in rivers and wastewater treatment plants (WWTPs). Therefore, TMDD was analyzed in 441 wastewater samples from influents and effluents of 27 municipal WWTPs, in 6 sludge samples, in 52 wastewater samples from 3 sewage systems of municipal WWTPs, in 489 surface samples from 24 rivers, in 9 wastewater samples of 3 paper-recycling industries and in 65 groundwater samples. TMDD was also analyzed in household paper products, in 23 samples of toilet
papers, in 5 types of paper towels and in 12 types of paper tissues. The samples were collected between 2007 and 2011. The water samples were extracted with solid phase extraction (SPE) and the household paper samples with Soxhlet extraction. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was used for quantification purposes. Between November 2007 and January 2008, TMDD was detected in the river Rhine at Worms with permanent high concentrations (up to 1330 ng/L). The results showed that TMDD is uniformly distributed across the river at Worms. An increase of the mean TMDD concentration from approximately 500 ng/L to 1000 ng/L was registered in January 2008. Due to the minor fluctuations of the TMDD concentration during the sampling period it is expected that the input of TMDD into the river is continuous. Therefore, TMDD might rather originate from effluents of municipal WWTPs than from temporal sources. The mean TMDD load based on the analysis of 147 water samples collected in the River Rhine was 62.8 kg/d which is equivalent to 23 t/a suggesting that TMDD must be used and/or produced in high quantities in order to be found in those high concentrations. To determine if TMDD is discharged by effluents of municipal WWTPs into the rivers, 24 hours influent and effluent samples of four municipal WWTPs in the Frankfurt/Rhine-Main metropolitan region were collected during November 2008 and February 2010 and analyzed for TMDD. The TMDD influent concentrations varied between 134 ng/L and 5846 ng/L and the effluent concentrations between <LOQ (limit of quantitation) and 3539 ng/L. The TMDD elimination rates in the four WWTPs varied between 33% and 68%. The results showed that effluents of municipal WWTPs are an important source of TMDD in the aquatic environment because TMDD is not completely removed from the sewage during the wastewater treatment. Weekly and daily variations of the TMDD concentration in the influents of two municipal WWTPs indicated that both private households and indirect industrial dischargers contribute to the introduction of TMDD into the municipal sewage systems. A more detailed study of the TMDD elimination rate in the different wastewater treatment stages was carried out in the WWTP Niederrad/Griesheim in Frankfurt am Main. The results showed that the removal of TMDD is mainly carried out during the aerobic biological treatments, where the elimination rate was 46%. In contrast, during the anoxic treatment the removal efficiency was only 1.4% and during the mechanical treatment the elimination rate was 19%. To determine the sources of TMDD in the sewage, household paper products (paper tissues, toilet papers and paper towels) were analyzed for TMDD using Soxhlet extraction. TMDD was detected in 83% of the samples (n=40). The highest mean TMDD concentrations were found in recycled toilet paper (0.20 μg/g) and in paper towels (0.11 μg/g). In paper tissues and non-recycled toilet paper the mean TMDD concentrations were lower 0.080 μg/g and 0.025 μg/g respectively. According to these results the high TMDD influent concentrations found previously in municipal WWTPs (mean 1.20 μg/L) cannot be explained due to migration of TMDD from the household paper products into the sewage. Thus indirect industrial dischargers are the cause of the high influent TMDD concentrations. Effluents of municipal WWTPs with different indirect industrial dischargers (textile-, metal processing-, food processing-, electroplating-, paper-recycling- and printing ink factories) were analyzed. The highest mean TMDD concentrations were found in the effluents of municipal WWTPs that have paper-recycling (71.3 μg/L) and printing ink factories (138 μg/L) as indirect industrial dischargers. These results were confirmed by analyzing process wastewater of three paper-recycling factories located in Germany. High TMDD concentrations were detected and fluctuated between 1.83 μg/L and 113 μg/L. TMDD was also analyzed in the wastewater of a non-recycling-paper factory but its concentration was much lower (0.066 μg/L) indicating that TMDD is introduced into the processing water during the papermaking process due to the use of waste paper. Analyses of wastewater samples from different parts of the sewage pipes of a municipal WWTP in Hesse, which receives the wastewater from a printing ink factory, were carried out. The TMDD concentration in the wastewater sample from the sewage pipe of the printing ink factory was much higher (3,300 μg/L) than the TMDD concentration detected in the other wastewater samples from the sewage system (0.030 μg/L – 0.89 g/L). These results confirm the printing ink production as one of the principal sources of TMDD in the sewage. Analysis of surface water samples of the River Modau downstream from the effluent of the WWTP Nieder-Ramstadt showed TMDD concentrations of up to 28.0 μg/L. These high TMDD concentrations might be caused by the indirect wastewater discharges of a paint factory connected to the municipal sewage system. These results indicate that TMDD is introduced into the municipal WWTPs principally by indirect industrial dischargers and they are mainly paint and printing ink factories. The paper-recycling factories also represent an important source of TMDD in municipal WWTPs but indirectly. According to statements given by the representatives of two paper recycling factories neither TMDD or any other TMDD containing product is used or added during the papermaking process. Therefore, TMDD is washed out from the printing inks of the coloured waste paper and concentrated in the process wastewater in the closed water circuits of paper-recycling factories reaching rivers and municipal WWTPs. The occurrence and distribution of TMDD in surface waters in Germany was also studied. The results showed that TMDD is widely distributed across different rivers systems in the federal states of Hesse, North-Rhine-Westphalia, Bavaria, Baden-Wuerttemberg and Rhineland-Palatinate. In Hesse, TMDD was detected in the some of main rivers with mean concentrations of 812 ng/L (Schwarzbach, Hessian Ried), 374 ng/L (Kinzig), 393 ng/L (Main, at Frankfurt), 539 ng/L (Werra), 326 ng/L (Fulda), 151 ng/L (Emsbach) and 161 ng/L (Nidda). In small rivers (creeks) the mean TMDD concentrations varied between <LOQ (Diemel, Urselbach) and 1890 ng/L (Darmbach). The results showed that the TMDD concentrations in creeks are highly influenced by both effluents of WWTPs and by the distance between the sampling point and the nearest WWTP. Surface samples from sampling locations downstream from WWTPs dischargers showed higher TMDD concentrations (mean 518 ng/L) than sampling locations upstream from WWTPs dischargers (mean 35.1 ng/L). The behavior of TMDD during bank filtration was investigated at two locations, at a water utility company at the Lower River Rhine (urban area) and at the Oderbruch polder (rural area). The results indicated that TMDD is removed from the surface water by bank filtration at both sampling locations. The removal process is probably carried out in the first meters of the aquifer (hyporheic zone) by biodegradation processes, since TMDD does not tend to be absorbed by sediments and it was not found in the groundwater of monitoring wells. In groundwater samples from the Hessian Ried (n=23) TMDD was found only in five samples and the highest TMDD concentration was 135 ng/L. According to these results, TMDD does not represent a concern for drinking water in Germany, since it does not reach the groundwater with high concentrations and it has a low toxicity potential. The input of TMDD into the North Sea was estimated to be 60.7 t/a by considering the mean transported loads of TMDD by the River Rhine at Wesel (58.3 t/a) and Meuse in the Netherlands (2.40 t/a). The estimated discharge of TMDD by German municipal WWTPs (8.19 t/a) and paper-recycling factories (9.24 t/a) into rivers seems to be too low considering that the mean TMDD load in the River Rhine downstream from Wesel is 58.3 t/a. However, due to the high density of population and industries at the Lower Rhine it is expected that more relevant sources of TMDD are located along the Rhine River increasing the transported load. According to the results of this PhD project TMDD is a non-ionic surfactant contained in products, which are applied on surfaces (printing inks and paints) and has the potential to reach the aquatic environment. Therefore, TMDD should fulfill the requirement of a biodegradability of 80% established by the “Law on the Environmental Impact of Detergents and Cleaning Products” in Germany. However, due to the partial elimination rates of TMDD obtained in municipal WWTPs (between 33% and 68%) and to the absence of information about the execution of the biodegradation test on TMDD, it is unknown if TMDD is in accordance with this law. Otherwise, its use as surfactant in such products is questionable.
In dieser Arbeit wird die erstmals von Stevenson et al. (89, GRL) beschriebene spannungsangetriebene Schmelzsegregation, die Kanalisierungsinstabilität, numerisch mit Hilfe des 2D Finite-Differenzen-Codes FDCON (Schmeling, 00, Kluwer) untersucht. Diese Untersuchung stellt eine Weiterführung der numerischen Experimente von Richardson et al. (96, JGR) und Hall et al. (00, GRL) dar, so dass die Erforschung der Kanalisierungsinstabilität erweitert wird um den Aspekt ihres Verhaltens bezüglich eines äußeren Spannungsfeldes bei verschiedenen initialen Porositätsverteilungen, der Untersuchung der Kanalisierungsinstabilität bei großen Dehnungen und der damit verbundenen Analyse der entstehenden Strukturen, des Einflusses des Auftriebs auf die Ausbildung von Kanalnetzwerken und um die abschließende Prüfung, ob durch ein durch die Kanalisierungsinstabilität ausgebildetes Kanalnetzwerk die Möglichkeit besteht, Schmelze zu einem MOR zu fokussieren. Die Kanalbildung wird derzeit von Holtzman et al. (03, G3) (Hochdruckexperimente an synthetischem Olivin+MORB), Spiegelman et al. (03, G3) (theoretische Untersuchung der Kanalisierungsinstabilität) und Rabinowicz et al. (04, JGR) (numerische Simulation und theoretische Betrachtung der Kanalisierungsinstabilität) intensiv untersucht, die Fokussierung der Schmelze behandeln Sparks et al. (94, Academic Press), Hall et al. (03, G3) sowie Kühn (05, in-press). Viskositätsunterschiede in einer schmelzgefüllten porösen Matrix verursachen bei deren Deformation einen Druckgradienten, welcher die Schmelze in Richtung der maximalen Hauptspannung anreichert und zur Ausbildung von Kanälen, welche eine inhomogene Schmelzverteilung aufweisen, führt. Die Wachstumsrate Alpha dieser Kanäle weist zur Wellenzahl k eine Proportionalität von Alpha ~ ak^2/(1+bk^2) auf. Dieser Zusammenhang hat zur Folge, dass sich ab einer bestimmten Wellenzahl alle Schmelzverteilungen größerer Wellenzahl gleich verstärken. Bei anhaltender Dehnung kann beobachtet werden, dass die ausgebildeten Kanäle an den verarmten Kanalstellen auseinander gerissen werden. Nachfolgend verbinden sich die hierdurch entstandenen Schmelzlinsen unter der Bildung von en-echelon arrays wieder, wodurch sich wiederum ein langer, in etwa um 45° ausgelenkter (linksdrehendes Koordinatensystem, mit 0° gleich der Vertikalen) Kanal bildet. Diese Beobachtungen fanden unter der Bedingung, dass kein Auftrieb zwischen Schmelze und Matrix existiert, statt. Wird dieser Auftrieb hinzugefügt, so ist erkennbar, dass eine Kombination zwischen den die Kanalisierungsinstabilität und den Auftrieb bestimmenden Parametern existiert, bei der sich Solitonen ausbilden. Diese Solitonen folgen bei ihrem schnelleren Aufstieg dem Verlauf der schmelzgefüllten Kanäle und passieren dabei, ohne ihre Form zu verändern, andere kleine Solitonen, die ihren Weg kreuzen. Die durchschnittliche Aufstiegsgeschwindigkeit der Solitonen entspricht einem Vielfachen der Aufstiegsgeschwindigkeit der Schmelze aufgrund von Segregation. Weiterhin deckt sich die Solitonaufstiegsgeschwindigkeit mit der von Schmeling angegebenen. Bisher konnte in die Theorie für trockene (wasserfreie) Medien kein frühzeitiger Abfall der Wachstumsrate bei großen Wellenzahlen implementiert werden. Lediglich unter dem Gesichtspunkt der Diffusion von Wasser zwischen der Matrix und der Schmelze und des erweichenden Effekts von Wasser konnte bei einer spezifischen Wellenzahl eine maximale Wachstumsrate gefunden werden (Hall et al., 2000, GRL). Der Versuch der Anwendung der bisher erzielten Ergebnisse auf die Interaktion eines aufsteigenden Plumes mit einer spreizenden Kruste erbrachte keine direkte Fokussierung der Schmelze zum MOR hin. Die Spannungsverteilung dieser Experimente zeigt, dass der Plumestamm aufgrund eines defokussierenden Kanalnetzwerks im Stamm sowie eines nahezu vertikal verlaufenden Kanalnetzwerks am Rand des Plumestammes von einer Zone erhöhter Schmelzkonzentration ummantelt sein könnte. In dieser Ummantelung steigt die Schmelze dann in vertikal verlaufenden Kanälen auf, wobei sie in den hier vorgestellten Experimenten (Plumekopfausdehnung ~150 km) in einer Entfernung von ~100 km zum MOR auf die Lithosphärenunterseite (Tiefe ~50 km) treffen würde. Aufgrund der Lithosphärenstruktur (Wurzel-t-Gesetz) könnte die Schmelze an der schrägen Lithosphärenunterseite zum MOR hin strömen (Sparks et al., 94, Academic Press sowie Hall et al., 03 G3). Diese Prozesse (Kanalisierungsinstabilität (Stevenson et al., 89, GRL), Entlangströmen der Schmelze an der Lithosphärenunterseite (Sparks et al., 94, Academic Press sowie Hall et al., 03, G3) und der Recyclingprozess der Schmelze) stellen das Erklärungsmodell dieser Arbeit dar, wie eine Fokussierung von Schmelze zum MOR bei einer Interaktion von diesem mit einem Plume aussehen könnte.
Das Thema dieser Arbeit war die Untersuchung der natürlichen Variationen von den zwei primordialen Uranisotopen (238U und 235U) mit einem Schwerpunkt auf Proben, die (1) die kontinentale Kruste und ihre Verwitterungsprodukte (d.h. Granite, Shales und Flusswasser) repräsentieren, (2) Produkte der hydrothermalen Alteration vom mittelozeanischen Rücken widerspiegeln (d.h. alterierte Basalte, Karbonatgänge und hydrothermales Wasser) und (3) aus abgegrenzten euxinischen Becken (d.h. Proben aus der Wassersäule und den dazugehörigen Sedimenten) stammen. Das allgemeine Ziel war das Verständnis, unter welchen Bedingungen und Mechanismen eine Fraktionierung der zwei häufigsten Uranisotope (238U und 235U) in der Natur erfolgt, zu verbessern.
Die untersuchten Haupt- und Nebenflüsse unterscheiden sich sowohl in Ihrer Urankonzentration (c(U)) als auch in Ihrer Uranisotopenzusammensetzung (δ238U), wobei die Nebenflüsse eine geringere Urankonzentration (0.87 nmol/kg bis 3.08 nmol/kg) und eine schwerere Uranisotopenzusammensetzung aufweisen (-0.29 ‰ bis +0.01 ‰ im δ238U) im Vergleich zu den Hauptflüssen (c(U) = 5.19 nmol/kg bis 11.69 nmol/kg und d238U = -0.31 ‰ bis +0.13 ‰) aufweisen. Die untersuchten Gesteinsproben fallen alle in einen recht schmalen Bereich von δ238U, zwischen -0.45 ‰ und -0.21 ‰, mit einem Durchschnittswert von -0.30 ‰ ± 0.04 ‰ (doppelte Standardabweichung). Deren Uranisotopenvariationen sind unabhängig von der Urankonzentration (11.8 µg/g bis 1.3 µg/g), dem Alter (3.80 Ga bis 328 Ma), der Probenlokalität und Grad der Differenzierung. Basierend auf den Ergebnissen der Hauptflüsse, die die Uranhauptquelle für den Ozean darstellen, schlagen wir für zukünftige Berechnungen in der Massenbilanz des Urans einen neuen Wert als beste Abschätzung für die Quelle des Urans im Ozean vor, δ238U = -0.23 ‰.
Die Produkte der hydrothermalen Alteration, alterierte Basalte und Kalziumkarbonatgänge, zeigten etwas stärkere Isotopenvariationen (δ238U zwischen -0.63 ‰ und +0.27 ‰) als erwartet und die hydrothermalen Fluide wiesen eine etwas leichtere Uranisotopenzusammensetzung als Meerwasser ((-0.43 ± 0.25) ‰ vs. (-0.37 ± 0.03) ‰) auf. Diese Ergebnisse sind in Übereinstimmung mit einem Modell, dass annimmt, dass die beobachtete Isotopenfraktionierung hauptsächlich ein Ergebnis von Redoxprozessen ist, z.B. die partielle Reduktion von löslichem UVI aus dem Meerwasser während der hydrothermalen Alteration, was zu einer Anreicherung der schweren Uranisotope in der reduzierten Uranspezies (UIV) führt und 2) das bevorzugte Entfernen von UIV aus den hydrothermalen Fluid und der Einbau in die alterierte ozeanische Kruste. Durch diesen Prozess wird das hydrothermale Fluid an schweren Uranisotopen verarmt und somit würden auch die alterierten Basalte und Karbonate ein niedriges δ238U aufweisen, wenn sie mit dem isotopisch leichten hydrothermalen Fluid in Kontakt gekommen sind.
Die Untersuchung von Wasser- und Sedimentproben aus der Ostsee und dem anoxischen Kyllaren Fjord (Norwegen) auf deren Uran- und Mo-Isotopenzusammensetzung zeigte, dass die Uranisotopenzusammensetzung der Sedimente abhängt von (1) dem Ausmaß des Uranaustrags aus der Wassersäule (in einer ähnlichen Art und Weise wie bei den Molybdänisotopen) und (2) der Sedimentationsrate, d.h. der Fraktion von authigenem- relativ zum dedritischen Uran in den Sedimenten. Aufgrund der hohen Sedimentationsrate zeigen die Sedimente aus dem Kyllaren Fjord nur eine moderate authigene Urananreicherung und eine leichtere Uranisotopenzusammensetzung als Sedimente aus dem Schwarzen Meer. In den anoxischen Becken der Ostsee erfolgt dagegen eine starke Mo- und schwache U-Isotopenfraktionierung zwischen Wasser und Sediment. Durch die regelmäßigen auftretenden Spülereignisse mit sauerstoffreichem Wasser wurden vermutlich die ursprünglichen anoxischen Mo- und U-Isotopensignaturen der Sedimente verändert. Demzufolge müssen die Sedimente durchgehend anoxischen Bedingungen ausgesetzt sein, um eine Mo- und U-Isotopensignatur von den Redoxbedingungen während der Ablagerungen zu speichern.
Der Vergleich zwischen Molybdän- und Uranisotopen in der Ostsee und dem anoxischen Kyllaren Fjord zeigte, dass sich Uran- und Molybdänisotope in stark euxinischen Wassersäulen (c(H2S) > 11 µmol/L) entgegengesetzt verhalten. Dementsprechend ergänzen sich die beiden Isotopensysteme und können genutzt werden, um die Ablagerungsbedingungen in abgeschlossenen Becken und die Redoxentwicklung des Paläoozeans zu untersuchen.
This thesis deals with the analysis of “presolar” silicates and oxides by high resolution mass spectrometry and electron microscopy techniques. This “stardust” was identified by its extreme oxygen isotopic anomalies, which point to nucleosynthetic reactions in stellar interiors, in the carbonaceous chondrite Acfer 094. Isotopic, chemical and mineralogical studies on these stardust grains therefore allow the testing of astrophysical questions on Earth, which are otherwise only accessible by spectroscopy and theoretical models. The class of presolar silicates has been identified only six years ago in 2002, although it was known already from spectroscopic observations that silicates represent the most abundant type of dust in the galaxy. The development of the “NanoSIMS” was a crucial step in this respect, because this ion probe with its superior spatial resolution of only 50 nm allowed the detection of the typically 300 nm sized presolar silicates. A total of 142 presolar silicates and 20 presolar oxides were identified within Acfer 094, whose matrix therefore contains 163 ± 14 ppm presolar silicates and 26 ± 6 ppm presolar oxides. This is among the highest amounts reported so far for any primitive solar system material. The majority of detected stardust grains derive from asymptotic giant branch stars of 1 – 2.5 Msun and close-to-solar or slightly lower-than-solar metallicity. However, by measuring the Si isotopic compositions of some enigmatic grains, it could be shown that there is a sub-class of presolar silicates characterized by an extreme enrichment of 17O and a moderate enhancement of 30Si relative to solar, whose origins might be explained by formation in binary stellar systems. About 10% of all grains exhibit an enrichment in 18O and some of them also of 28Si relative to solar, which most likely point to an origin in type II supernova explosions. The Si isotopic measurements also allowed to quantify the effect of the s-process on the Si isotopes in low-mass asymptotic giant branch stars. The results agree well with theoretical predictions. The grains were furthermore characterized by SEM and the chemistries of about half of the grains were determined by Auger electron spectroscopy. The majority of grain morphologies are consistent with what is expected from condensation experiments. However, a lot of grains are altered by Fe-rich minerals, which are either of primary condensation or of secondary ISM or solar nebula origin. Furthermore, complex presolar grains consisting of refractory Al-rich grains attached to silicate material could be identified, which have been predicted by condensation theory and observational evidence. Nine presolar silicates were analyzed by combined NanoSIMS/TEM studies. The majority of grains are Mg-rich and amorphous, which is in contrast to astrophysical evidence, which mainly postulate crystalline Mg-rich and amorphous Fe-rich circumstellar condensates. However, the grains might have been rendered amorphous by secondary processes in the ISM or could have condensed under non-equilibrium, low-temperature conditions in the circumstellar outflow. The grains are more likely characterized by a variable, pyroxene-like chemistry, which could be a result of sputtering in the ISM, which preferentially removes Mg. The detected crystalline presolar silicates in this study and in other work are all olivines, whereas grains with a pyroxene stoichiometry are all amorphous except one. This supports astrophysical models which point to different formation pathways for these two types of grains and therefore different crystallinity. However, the relatively high Fe content of three detected presolar olivines in this study and in other work is in contrast to astrophysical evidence and theoretical considerations, which predict essentially Fe-free crystalline grains. It is therefore possible that the infrared spectra might also be compatible with less Mg-rich olivines. The only crystalline presolar silicate with a pyroxene-like stoichiometry is the unusual grain 1_07: although it is chemically enstatite, the electron diffraction pattern could only be indexed to silicate perovskite, which is stable above ~23 GPa. The discovery of a high-pressure phase of presolar origin shows that dust grains encountering interstellar shocks might not necessarily be completely destroyed. In astrophysical models it is in principle also possible that a fraction of larger grains might survive such a shock wave encounter as a high-pressure modification, which is supported by this discovery.
Semi-arid African ecosystems influence trends and variability in global terrestrial carbon dynamics. However, there are uncertainties in potential effects of future climates for semi-arid ecosystems, especially for niche ecosystems. At the same time, African ecosystems provide the livelihoods and ecosystem services for around 1.4 billion people. Future population growth and associated changes in land use pose a challenge for the protection of African biodiversity. Therefore, this work focussed on future impacts of climate change on African ecosystems and carbon dynamics and also for African protected areas (PAs), where they may cooccur with other global change factors. Another focus was on uncertainties associated with future projections and with modelling the Nama Karoo, as an example of a semi-arid niche ecosystem. Dynamic vegetation models (DVMs) were the main research tool.
In Chapter 2, we analysed climate change impacts on African ecosystems and carbon pools until the end of the 21st century and associated uncertainties based on an ensemble of vegetation simulations with the DVM adaptive dynamic vegetation model (aDGVM). We investigated the impact of increased atmospheric CO2 concentrations and two climate change scenarios (medium (RCP4.5) and high emissions (RCP8.5); RCP - representative concentration pathway) on vegetation changes. Differences in the simulated vegetation were primarily driven by assumptions about the influence of CO2 on plants. Elevated CO2 concentrations led to increased total aboveground vegetation biomass and shrub encroachment into grasslands and savannas for both climate scenarios. In simulations without the direct influence of CO2 on plants, there was hardly any shrub encroachment and vegetation biomass decreased or varied between a slight decrease in some cases and a slight increase in others. Based on these results, biome changes due to climate change are likely in Africa in the future. Due to the large uncertainties in future projections, strategies to adapt to climate change must be flexible.
The simulated vegetation in Chapter 2 represented potential, natural vegetation and is particularly suitable to investigate PAs. However, PAs do not exist isolated from their environment and social developments. In Chapter 3, the vegetation projections with CO2 effect from Chapter 2 were combined with projections for population density and land use. Except for many PAs in North Africa, most PAs were adversely affected by at least one of the three drivers by the end of the 21st century in both investigated scenarios ("middle-of-the-road" and "fossil-fuelled development"). Cooccurrence of the drivers varied by region and scenario for PAs. Both scenarios implied increasing challenges for the conservation of African biodiversity in PAs. The impact of climate change on vegetation is likely to be exacerbated by socio-economic change for most African PAs. Strong mitigation of future climate change together with equitable societal development may facilitate successful ecosystem conservation.
The simulations in Chapters 2 and 3 showed large-scale patterns of vegetation change, but their low resolution makes them unsuitable for local analyses. In Chapter 4, the challenges of simulating smaller scale, semi-arid ecosystems and their carbon cycle were analysed for the Nama Karoo with the aDGVM2 and its shrub module. The aDGVM2 is based on the aDGVM, but represents plants more flexibly. In all tested aDGVM2 configurations, the carbon fluxes improved compared to initial simulations but still overestimated them. The measured morphology of the dwarf shrubs and soil water dynamics were not reproduced in aDGVM2. Semi-arid soil water dynamics and coping strategies of semi-arid dwarf shrubs under drought stress are not adequately implemented in the aDGVM2. Further field research on semi-arid water and carbon dynamics of vegetation is necessary to parameterise the aDGVM2 for dwarf shrubs. If these challenges are overcome, DVMs can be a powerful tool for much-needed research on the impacts of climate change on the Nama Karoo.
The analyses have shown that climate change under medium to high emission scenarios is likely to lead to large-scale changes in ecosystems and the carbon balance in Africa. Because lower emissions scenarios come with less uncertainty, climate change adaptation strategies likely need to be less complex or extensive if climate change is minimised. For African PAs, the challenges of climate change may be exacerbated by socio-economic factors to a regionally varying extent. This research suggests that successful ecosystem conservation depends on climate change mitigation measures and ensuring equitable, sustainable development. The shown uncertainties, e.g., in the implementation of the CO2 effect on plants or vegetation dynamics in more niche ecosystems, help to focus future research efforts and increase our understanding of the range of plausible futures we may need to adapt to.
This thesis presents microstructural investigations of rock salt from the central part of the Gorleben salt dome (Northern Germany). The main emphasis was to characterize the rock salt microfabrics, to identify operating deformation mechanisms in halite and anhydrite and to decipher the macro- and microstructural distribution of hydrocarbons, which have been encountered during the underground exploration of the salt dome. The microfabrics of the Knäuel- and the Streifensalz formation indicate that strain-induced grain boundary migration has been active during deformation of halite. Crystal plastic deformation of halite is further documented by lattice bending, subgrain formation and minor subgrain rotation. Evidence for pressure solution of halite has not been found, but cannot be excluded because of the small grain size, the lack of LPO and the low differential stress (1.1 - 1.3 MPa) as deduced from subgrain-size piezometry. Solution precipitation creep was proven for intercalated anhydrite layers and clusters, which have been deformed in the brittle-ductile regime. Brittle deformation of anhydrite in terms of boudinage and fracturing was counteracted by viscous creep of halite which caused a re-sealing of fractures and a reestablishing of the characteristic sealing capacity of rock salt. Hydrocarbons are mainly located along cross cut 1 West of the Gorleben exploration mine and are heterogeneously distributed in the rock salt. They are incorporated in the rock salt foliation in the form of streaks, dispersed clouds, clusters and isolated patches. On the micro-scale, hydrocarbons are trapped along grain boundaries of halite and/or anhydrite, in micro-capillary tubes of anhydrite and in pore space of the rare rock salt with elevated porosity (< 1.26 vol.-%). Such elevated porosities correlate with elevated hydrocarbon concentrations of several hundred ppm. The overall concentrations of hydrocarbons, however, are very low (< 0.05 wt.-%). Elevated porosity is depicted to be a remnant originating from an early stage of salt uplift when fluid and hydrocarbons have migrated and spread from the Staßfurt Karbonat (z2SK) into the superjacent Gorleben Hauptsalz. During halokinesis and the strong reworking of the salt body hydrocarbons have been redistributed and dismembered resulting in the isolated present-day occurrences. The distribution of hydrocarbons shows no relation to local variations in the rock salt fabric. The microstructures of hydrocarbon-bearing and hydrocarbon-free Gorleben rock salt are not distinguishable from each other. Likewise, the presence of hydrocarbons should not have influenced the mechanical behavior or the rock salt as indicated by the microfabrics studied and by geomechanical data. The pure amounts of hydrocarbons are too low for any detectable impact on the barrier properties of this part of rock salt. Although hydrocarbons have migrated into the Gorleben Hauptsalz during an early stage of salt uplift when the sealing capacity of rock salt was diminished, the major implication of their isolated distribution patterns is that the Gorleben rock salt was able to regain its sealing capacity during subsequent deformation and re-equilibration. Former migration pathways for fluid and hydrocarbons have been healed and do not exist anymore. The application of X-ray computed tomography (CT) allows the 3D visualization and quantification of anhydrite, pore space and fluid phases located along grain-boundaries or trapped as intracrystalline inclusions. The 3D reconstruction of anhydrite clusters and pore space for the same sample reveals different spatial distribution patterns. This fact implies that anhydrite is not responsible for such elevated pore space in the rock salt studied, which has been largely closed during the polyphase deformation history of the Gorleben salt dome. High-resolution nanoCT scans (≤ 1 μm voxel size) of single intra- and intercrystalline fluid inclusions in rock salt enable a characterization of gaseous, solid and liquid phases inside single fluid inclusions and give exact information on morphology and shape. The 3D reconstruction of grain boundary fluid inclusions allows the amount, volumes, surface areas or diameters of various types to be determined. Non-destructive X-ray CT imaging is presented as very useful tool to characterize the structural inventory of rock salt. This non-destructive technique offers new perspectives for microstructural studies and for a wide range of research in structural geology, in general.
Many natural minerals exist in the form of a solid solution. The systematic changes in structural and physical properties of oxide solid solutions are of geological importance and allow for wide applications. In order to understand the composition-structureproperty relations, substitutional solid solutions of CuxZn2−xTiO4, ZnxMg1−xTi2O5 and CuxMg1−xTi2O5 have been synthesised by mechanochemical activation assisted solid state synthesis. Self-propagating high-temperature synthesis has been employed to achieve the interstitial solid solutions of Ti5Si3Zx (Z refers to the element boron or oxygen).
The changes in the crystal structure and physical properties due to the formation of solid solutions are investigated by employing X-ray diffraction, neutron diffraction, Raman spectroscopy, low-temperature heat capacity, thermal expansion, scanning electron microscopy, UV-vis spectroscopy, plane-wave ultrasound spectroscopy and density functional theory calculations.
Östlich des Rwenzori Gebirges im Westen Ugandas wurden magnetotellurische Messungen durchgeführt. An 23 Stationen wurden Übertragungsfunktionen und Phasen Tensor Elemente zwischen den gemessenen magnetischen- und tellurischen Feldern im Periodenbereich von 10s bis 10000s geschätzt. Die Übertragungsfunktionen deuten eine komplexe drei dimensionale Leitfähigkeitsstruktur innerhalb der Kruste an, insbesondere in der Verbindungszone zwischen dem Rwenzori Gebirge und der östlichen Riftschulter. In dieser Arbeit wird eine alternative Darstellung der Phasen Tensor Ellipsen als Balken eingeführt. Für Perioden größer 100s zeigen die maximalen Phasen der Phasen Tensor Balken aller Stationen einheitlich in SSW-NNE und die Phasen Tensor Invarianten f min und f max weisen eine Differenz von mindestens 20° auf. Dieses auffällige Verhalten und die kleinen vertikalen magnetischen Feldr im gleich Periodenbereich kann mit einer anisotropen Leitfähigkeit in einer Tiefenbereich zwischen 30-50km mit der gut leitenden Richtung senkrecht zur Riftachse erklärt werden. Die Anisotropie könnte ihren Ursprung in orientierten Olivien Kristallen im oberen Mantel haben, wobei die Orientierungsrichtung mit der Delamination der Unterkruste unter den Rwenzoris zusammen hängen kann. Eine gut leitende Zone süd-östlich der Rwenzoris wurde in 15km Tiefe gefunden, die mit einer seismischen low velocity zone übereinstimmt und partielle Schmelzen innerhalb der Kruste andeutet. An allen Stationen steigt die minimale Phase bei der Periode 200s über 45° und zeigt einen Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit unterhalb der Lithosphäre an.
An eclogite barometer has profound importance in the study of upper mantle processes and potential application to diamond prospecting. Studies on the partitioning of Li between clinopyroxene (cpx) and garnet (grt) in natural samples have shown that this particular element is very sensitive to changes in pressure and could be calibrated as the barometer demanded for bimineralic eclogites. Experiments were performed from 4 to 13 GPa and 1100 to 1400°C in the CMAS (CaO, MgO, Al2O3, SiO2) system with Li added as Li3PO4 to quantify this pressure dependence into a barometer expressed in the following equation: P= (0.00255*T-lnKd)/0.2351 where P is in GPa, T is in °C and Kd is defined as the partition coefficient of Li (in ppm) between clinopyroxene and garnet. The experimental pressures are reproduced to ± 0.38 GPa (1σ) by this equation. This barometer is strictly applicable only to CMAS. Experiments at 1300°C, 8-12 GPa showed that Henry’s Law is fulfilled for Li partitioning between cpx and grt in the concentration range of approximately 0.01 – 1 wt% Li. Direct application of the equation to experiments in natural systems performed at 1300°C from 4 GPa to 13 GPa consistently overestimates pressures by approximately 2 GPa. Our previous experiments in the system CaO-MgO-Al2O3-SiO2 + Li3PO4 showed that the partitioning of Li between garnet and clinopyroxene is pressure dependent in eclogitic bulk compositions. This supports experimentally the hypothesis of Seitz et al. (2003), based on the analysis of Li in eclogitic xenoliths and inclusions in diamond, that the partitioning of this particular element between clinopyroxene and garnet is very sensitive to changes in pressure and could be calibrated as a barometer for bimineralic eclogites. In order to calibrate this pressure dependence into a barometer, experiments were performed in natural systems using starting materials sourced from a well preserved eclogitic xenolith from the Roberts Victor kimberlite pipe (South Africa) to extrapolate our findings in CMAS to natural systems. Sixteen multianvil experiments were performed from 4-13 GPa and 1100-1500°C. Our findings reinforced the general trend we observed in the CMAS system, that KdLi cpx-grt for Li decreases with increasing P, and that at P ≥ 12 GPa, garnet is able to incorporate more Li than clinopyroxene. Multiple linear regression was applied to our experimental results to create the barometer: P = (0.000963*T – ln KdLi cpx-grt + 1.581) / 0.252 Where P is pressure in GPa, T is temperature in °C and KdLi cpx-grt is defined as the partitioning coefficient of Li obtained by dividing the concentration of Li in cpx by the concentration of Li in garnet. This barometer reproduces the experimental conditions to ± 0.2 GPa. It is applicable to eclogitic xenoliths, to garnet pyroxenites and to peridotitic and eclogitic inclusions in diamond. Application of the barometer to diamond bearing xenoliths results in pressures in the diamond stability field. Clinopyroxene is easily corrupted in xenoliths and also preferentially takes in Li during short lived metasomatic processes. Care must be taken therefore to analyse primary, unaltered clinopyroxene. Our preliminary application to natural samples shows that the barometer can be applied beyond the experimental range to pressures down to 3 GPa. Seventeen eclogitic xenoliths were chosen from a sample set of greater than 200 for their fresh microscopic and macroscopic appearance and were analyzed for Li content in coexisting garnet (grt) and clinopyroxene (cpx). These samples can be subdivided into two groups on the basis of Mg in cpx (cpfu: cations per formula unit, based on 6 oxygens): Group 1 with Mg > 0.75, and Group 2 with Mg < 0.75. Group 1 xenoliths show lower Li contents in both grt and cpx compared to Group 2. The Li barom ter calibrated in Hanrahan et al. (2009b)/Chapter 3 was applied to these samples as well as available literature data to obtain pressures of provenance - Group 2 xenoliths often provide pressures that appear unrealistic for eclogitic xenoliths. In light of observed crystal chemical relations in the natural samples, a new fitting procedure was applied to the experimental data presented in Chapter 3. This new fit appears to be more realistic than the previous fit, although a strong relationship with Mg# remains present, suggesting that Li-barometry is, at present, only applicable to Mg-rich eclogites. Inclusions in diamond, with the exception of eclogitic inclusions of coexisting majorite and cpx, often yield pressures that are inconsistent with the pressures required for diamond formation. Although an interesting observation when comparing all of the data is that inclusions in diamond have significantly higher average Li concentrations compared to xenoliths, which suggests that Li is highly present in the fluids from which diamonds form in the mantle, an observation which was previously made for the deep mantle as a result of high Li in ferropericlase inclusions in diamond (Seitz et al. 2003).
The timing and duration of leaf deployment strongly regulate earth-atmosphere interactions and biotic processes. Leaf dynamics therefore have major implications for life on earth, including the global energy balance, carbon and water cycles, feedbacks to climate, species extinction risk and agriculture. Evidence of shifts in the timing of leaf deployment and senescence (leaf phenology) as a result of climate change has been accumulating over the past decades, particularly in relation to spring phenology in the northern hemisphere. However, leaf phenological change in other parts of the world has received less attention. This thesis quantifies global phenological change over the past three decades using remotely sensed data. Phenological change was found to be widespread and severe, also in the southern hemisphere. While the detected change testifies of the phenological plasticity of many plant species, it is not clear if the duration of leaf deployment (leaf habit) is equally sensitive to environmental change. Since evergreen and deciduous leaf habits are often distinctly sorted along environmental gradients, ecologists have hypothesised that these patterns result from natural selection for an optimal leaf habit, under a given environmental regime. Such evolutionary convergence can be examined by testing if the physiological niche that is occupied by a particular leaf habit (evergreen or deciduous) is similar among regions with distinct evolutionary histories. Using a process-based model of plant growth and a constructed map of evergreen and deciduous vegetation, the physiological niche of leaf habits was quantified in four global biogeographic realms. Substantial niche overlap was found between the same leaf habit in different realms, suggesting evolutionary convergence of the physiological niche. This implies a sensitivity of leaf habit to environmental change, as environmental variables determine the geographic space where the physiological niche allows a positive carbon balance, and therefore occurrence of the leaf habit. Since the physiological niche consists of the integrated effects of physiological traits and trade-offs, environmental dependencies and leaf habit and phenology, an understanding of the carbon economy of individual plants requires decomposing the physiological niche into its components. Using empirical data on leaf phenology, leaf habit and physiological processes from woody species in a seasonally dry African savanna, a simple carbon balance model was parametrised. Carbon gain varied considerably between species as a result of substantial variation in leaf habit, leaf phenology and physiological traits. The multiple lines of evidence in this thesis therefore suggest that, while convergent selective forces may determine the dominant leaf habit in a particular environment, inter-specific variation is substantial, potentially as a consequence of historical contingencies or competitive interactions.
In der hier vorliegenden Arbeit wurde der troposphärische Kreislauf von Carbonylsulfid (COS) untersucht. COS ist ein Quellgas des stratosphärischen SulfatAerosols, das die Strahlungsbilanz beeinflussen und den chemischen Abbau des stratosphärischen Ozons beschleunigen kann. Trotz zahlreicher Studien sind die Quellen und Senken des atmosphärischen COS bisher nur unzulänglich quantifiziert. Insbesondere bestehen große Unsicherheiten in den Abschätzungen der Beiträge des Ozeans und der anthropogenen Quellen, sowie der Senkenstärke der Landvegetation. Schiffs und flugzeuggetragene Messungen des atmosphärischen COS ergaben kein einheitliches interhemisphärisches Verhältnis (IHR=MNH /M SH ). Während die Messungen von Bingemer et al. (1990), StaubesDiederich (1992) und Johnson et al. (1993) ein IHR zwischen 1.10 und 1.25 zeigten, fanden die Messungen von Torres et al. (1980), StaubesDiederich (1992), Weiss et al. (1995) und Thornton et al. (1996) keinen oder nur einen geringfügigen N/SGradienten. Die Untersuchung von Chin und Davis (1993) zeigt ein N/SVerhältnis der COS Quellstärke von 2.3, das hauptsächlich auf die stärkeren anthropogenen Quellen auf der Nordhalbkugel zurückzuführen ist. Es ist unklar, ob der zeitweilige Konzentrationsüberschuß der Nordhemisphäre Zeichen anthropogener Quellen dort oder Teil eines durch die Senkenfunktion der Landpflanzen verursachten saisonalen Signals ist. Die Konsistenz der Breitenverteilung des COSMischungsverhältnisses mit den geographischen bzw. saisonalen Variationen der COSQuellen und Senken muß überprüft werden. Dazu werden genaue Kenntnissen der Quell und Senkenstärken des atmosphärischen COS und ihrer raumzeitlichen Variabilität benötigt. Vor dem obigen Hintergrund ergeben sich als Schwerpunkte dieser Arbeit: (1) der Austausch von COS zwischen Atmosphäre und Ozean sowie (2) zwischen Atmosphäre und terrestrischer Vegetation und (3) die raumzeitliche Variabilität des atmosphärischen COS. Zur Untersuchung des Austausches von COS zwischen Atmosphäre und Ozean wurde das KonzentrationsUngleichgewicht von COS zwischen Ozean und Atmosphäre durch Messungen des COS im Seewasser und in der Meeresluft ermittelt und die resultierenden Austauschflüsse mit einem Modell berechnet. Die Messungen fanden an Bord des Forschungsschiffs Polarstern während der Fahrten ANT/XV1 (15.10.6.11.1997, BremerhavenKapstadt) und ANT /XV5 (26.5.6.20.1998, KapstadtBremerhaven) statt. Die Konzentration des gelösten COS und das Sättigungsverhältnis von COS zwischen Ozean und Atmosphäre zeigen ausgeprägte Tagesgänge und saisonale und geographische Variationen. Die mittlere Konzentration von COS im Seewasser beträgt 14.7 pmol L -1 für die HerbstFahrt bzw. 18.1 pmol L -1 für die SommerFahrt. Höchste COSKonzentrationen werden in der jeweiligen SommerHemisphäre und in Gebieten mit hoher biologischer Produktivität beobachtet, d.h. im BenguelaStrom im November, im NordostAtlantik im Juni und in den Auftriebgebieten vor Westafrika im Oktober bzw. Juni. In den übrigen Gebieten sind die Konzentrationen um eine Größenordnung niedriger. Die Konzentration von COS im Seewasser steigt frühmorgens von ihrem tiefsten Stand an. Um ca. 15 Uhr Ortszeit erreicht sie ihr Maximum, danach nimmt sie ab. Der Tagesgang unterstützt die Theorie, daß COS im Seewasser photochemisch produziert wird. Während der Tagesstunden wird eine Übersättigung des offenen Ozean für COS gefunden. Dagegen ist eine Untersättigung des Ozeans in den späten Nachtstunden zu beobachten. Der Ozean wirkt in den Tagesstunden als COSQuelle, in der späten Nacht als COSSenke. Die Untersättigung tritt sogar im Sommer in produktiven Meeresgebieten regelmäßig auf. Eine Konsequenz dieser Beobachtung ist die weitere Reduzierung der ozeanischen Quelle von COS gegenüber bisher publizierten Abschätzungen. Methylmercaptan (CH 3 SH) ist in allen Seewasserproben zu beobachten. Der Tagesmittelwert der CH 3 SHKonzentration variiert zwischen 29 und 303 pm L -1 und ist 316 fach größer als der der COSKonzentration. Der Tagesgang der CH 3 SHKonzentration zeigt ein Minimum um die Mittagszeit. Die Tagesmittel der CH 3 SH und COSKonzentrationen sind signifikant miteinander korreliert. Diese Daten liefern den Beweis dafür, daß CH 3 SH eine der wichtigen Vorgängersubstanzen von COS ist. Die Regressionslinie der Korrelation zwischen den mittleren COS und CH 3 SHKonzentrationen weist nur einen geringfügigen Achsenabschnitt auf. Somit kann die CH 3 SHKonzentration als ein Indikator der Konzentration von COSVorgängern benutzt werden. Es besteht außerdem eine Korrelation zwischen der CH 3 SHKonzentration und dem Logarithmus der Konzentration des gelösten Chlorophyll a. Diese Korrelation deutet darauf hin, daß der Gehalt von CH 3 SH im Seewasser eine enge Beziehung zur marinen Primärproduktion hat. COS wird im Seewasser durch Hydrolyse abgebaut. Die Abbaurate hängt von der Temperatur des Seewassers ab. Je wärmer das Seewasser ist, desto schneller wird COS abgebaut, und um so kürzer ist die Lebenszeit von COS im Seewasser. Die Lebenszeit kann einerseits durch das ReaktionsgeschwindigkeitsGesetz von Arrhenius berechnet werden, andererseits läßt sie sich durch exponentielle Anpassung an den nächtlichen Konzentrationsverlauf (d.h. bei Abwesenheit von Photoproduktion) abschätzen. Eine solche Anpassung des exponentiellen Abklingens wurde anhand von dicht gestaffelten Messungen während einiger Nächte vorgenommen. Die gefitteten Lebenszeiten stimmen mit den theoretischen Werten gut überein, obwohl die gefittete Lebenszeit neben Hydrolyse noch von anderen Prozessen (z.B. Transport nach unten, AirSeaAustausch, usw.) beeinflußt wird. Diese gute Übereinstimmung unterstützt die Aussage, daß die Hydrolyse eine bedeutende Rolle beim Abbau von COS im Seewasser spielt. Die berechnete HydrolyseLebenszeit ist mit dem Tagesmittel der COSKonzentration korreliert. Da die Tagesmittelwerte sowohl zeitliche wie auch räumliche Mittelwerte der COSKonzentrationen darstellen, zeigt diese Korrelation, daß Hydrolyse eine bedeutende Rolle in der raumzeitlichen Variabilität der COSKonzentration einnimmt. Da die Konzentration des gelösten COS von mehreren Faktoren abhängig ist, scheint eine multivariable Betrachtung sinnvoll. Hierfür wurde eine "Multiple Linear Regression Analysis'' (MLRA) ausgeführt. Diese Analyse ergibt ein empirisches Modell der folgenden Form für die Berechnung des Tagesmittels der COSKonzentration: [COS] = 1.8# 13log[Chl] - 1.5W s 0.057G - 0.73, mit [COS] = mittlere Konzentration von COS in pmol L -1 # = HydrolyseLebenszeit in Stunde [Chl] = mittlere Konzentration von Chlorophyll a in mg m -3 W s = Windgeschwindigkeit in m s -1 G = Intensität der Globalstrahlung in W m -2 . Die Parameter auf der rechten Seite der Gleichung können direkt oder indirekt von Satelliten aus gemessen werden, deshalb kann dieses Modell für die Abschätzung der Konzentration von COS im Seewasser anhand von Satelliten Daten verwendet werden. Das empirische Modell soll noch durch weitere Messungen bestätigt bzw. verbessert werden. Der Austauschfluß von COS zwischen der Atmosphäre und dem offenen Ozean wurde mit dem AirSeaFlußModell von Liss and Slater (1974) zusammen mit dem Modell von Erickson (1993) f
Interpretation magnetotellurischer Messungen auf Island und 3D-Modellierungen des Island-Plumes
(2014)
Die Lage und der geologische Aufbau Islands sind eine einmalige geologische und geophysikalische Besonderheit - nur hier liegt der Mittelatlantische Rücken deutlich oberhalb des Meeresspiegels. Eine Theorie ist, dass unter Island ein sogenannter Hotspot existiert - ein aufsteigender Mantelplume (oder eine andere Temperatur- und Schmelzanomalie). Das bedeutet, dass die Tektonik, die Petrologie und die (geo)physikalischen Parameter von der Wechselwirkung der Meeresbodenspreizung mit dem aufsteigenden Mantelplume bestimmt werden. Die magnetotellurischen Untersuchungen auf Island und die magnetotellurischen Modelle der vorliegenden Arbeit lassen sich nach Zieltiefen unterteilen. Im ersten Teil steht vor allem die Untersuchung der Leitfähigkeitsstruktur des oberen Erdmantels im Vordergrund, wobei der Schwerpunkt auf Modellstudien liegt. Hier wird die Theorie des aufsteigenden Mantelplumes aufgegriffen und hinsichtlich der Möglichkeiten der Magnetotellurik (MT) diesen zu detektieren, untersucht. In dieser Arbeit werden deshalb verschiedene synthetische 3D-Modelle untersucht. Diese sollen klären, unter welchen Bedingungen, d.h. bei welcher Tiefenlage, Ausdehnung und Leitfähigkeit, ein Mantelplume in der Magnetotellurik messbare Signale liefert. Da Temperatur und Schmelzanteil hierbei eine entscheidende Rolle spielen, werden auch Ergebnisse von geodynamischen Modellierungen verwendet. Die verschiedenen Modellierungen machen deutlich, dass der Plume in Modellen mit maximal 1% Schmelzanteil nur sehr schlecht mit der MT aufgelöst werden kann. Ein weiteres Problem ist die relativ geringe laterale Ausdehnung des Bereichs hoher Leitfähigkeit. Insbesondere bei Berücksichtigung des Krustenleiters liegen die Effekte des Plumes im Bereich der Messfehler bei realen Daten. Erst bei 3% Schmelzanteil im Plume ergeben sich Charakteristiken in den Sondierungskurven, die eindeutig dem Plume zugeordnet werden können. Im zweiten Teil liegt das Augenmerk auf der Leitfähigkeitsstruktur der isländischen Kruste, für deren Untersuchung ca. 200 Datensätze aus zahlreichen deutsch-isländischen Messkampagnen zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit werden sie ganzheitlich ausgewertet und interpretiert. Hier steht im Speziellen der in verschiedenen früheren Untersuchungen gefundene gute Leiter in ca. 10 km Tiefe im Vordergrund. Seine Ausdehnung, Tiefenlage und Leitfähigkeit sowie laterale Änderungen werden genauer untersucht. Dazu werden aus den gemessenen Daten und den daraus ermittelten magnetotellurischen Impedanztensoren nicht nur die Sondierungskurven, sondern weitere Parameter wie Phasentensoren und Rotationsinvarianten abgeleitet und diskutiert. Um einen Überblick über die räumliche Verteilung der Untergrundstrukturen zu erhalten, werden die einzelnen Messpunkte charakterisiert und Stationen mit ähnlichem Verhalten in Gruppen zusammengefasst. 1D- und 2D- Inversionsmodelle liefern einen direkten Hinweis auf die Leitfähigkeitsverteilung. Diese zeigt ausgeprägte laterale Änderungen. Aus den 2D-Modellen ergeben sich Hinweise, die darauf schließen lassen, dass diese Zone niedrigen Widerstands nicht durchgängig oder geschlossen sein muss, um die gemessenen Daten zu erklären. Der gute Leiter scheint weniger mit der Aufwölbung durch den vermuteten Mantelplume oder eine andere tiefer liegende Schmelzanomalie korreliert zu sein. Die lateralen und vertikalen Variationen lassen auf einen Zusammenhang mit den Vulkansystemen auf Island schließen. Darauf deuten auch die Induktionsvektoren hin, die lateral betrachtet stark variieren. Ein weiteres Ergebnis ist das Fehlen dieses Krustenleiters in einem mindestens 20km breiten Streifen entlang der Südküste.
The present PhD-thesis was prepared within subproject B8 of the DFG-Sonderforschungsbereich (SFB) 641 “The Tropospheric Ice Phase”. The subproject B8 was entitled “Interactions of volatile organic compounds with airborne ice crystals”. Results of previous studies have shown that various volatile organic compounds (VOC) and semivolatile organic compounds (SVOC) are incorporated into the atmospheric ice phase and several uptake mechanisms are discussed in the literature. The aim of this study was to identify the dominating VOC and SVOC in airborne snow collected at Jungfraujoch in the Swiss Alps (3580 m asl) and to study in laboratory experiments the uptake mechanism of organic compounds into snow and ice. For this purpose an analytical method to analyse freshly fallen snow samples was developed and evaluated in a first step. The method consists of headspace (HS) solid phase dynamic extraction (SPDE) followed by gas chromatography combined with mass spectrometry (GC/MS). During the extraction process a new cooling device was successfully integrated into the HS-SPDE-GC/MS method to enhance the extraction yield. Extraction and desorption parameters such as the number of extraction cycles, extraction temperature, desorption volume and desorption flow rate have been optimized. Detection limits for benzene, toluene, ethylbenzene, m-, p-, o- xylene (BTEX) ranged from 19 ng L-1 (benzene) to 30 ng L-1 (m/p-xylene), while those for C6-C10 n-aldehydes ranged from 21 ng L-1 (n-heptanal) to 63 ng L-1 (n-hexanal). Furthermore, freshly fallen snow samples were collected at the High Altitude Research Station Jungfraujoch (3580 m asl, Switzerland) during the field campaigns “Cloud and aerosol characterization experiment” (CLACE) 4 and 5 in February and March 2005 and 2006, respectively. Freshly fallen snow samples collected directly in-cloud on a high altitude remote location were used as approximation of airborne ice crystals since sampling of airborne ice crystals in quantities sufficient for analysis of individual organic compounds is not yet possible. In the collected snow samples a wide range of organic compounds were identified, namely BTEX, n-aldehydes (C6-C10), terpenes, chlorinated hydrocarbons and alkylated monoaromatics. The most abundant organic compounds in snow samples from Jungfaujoch during CLACE 4 and 5 were n-hexanal with a median concentration of 1.324 μg L-1 (CLACE 5) followed by n-nonanal (CLACE 5) with a median concentration of 1.239 μg L-1. High concentration variations of the analytes in snow samples collected at the same time at the same place argue for a heterogeneous composition of snow and ice. Several indicators were found that the origin of the n-aldehydes in the snow can be attributed to direct biogenic emissions from vegetation and indirect biogenic emissions through photochemical oxidation of fatty acids and alkenes. In a second step laboratory experiments were carried out to clarify the uptake mechanism of volatile and semivolatile organic compounds into snow/ice. Organic compounds can be incorporated into the atmospheric ice phase either by the process of gas scavenging, liquid scavenging (riming) or particle scavenging. Gas scavenging (incorporation of the organic compounds from the gas phase during growing of ice crystals) revealed to be ineffective based on previous laboratory experiments in which ice crystals were growing in the presence of aromatic hydrocarbons (BTEX) in the gas phase. In the present study the process of liquid scavenging (riming) was investigated in the laboratory using aqueous standard solutions containing BTEX, naldehydes (C6-C10), methyl tert-butyl ether (MTBE) and ethyl tert-butyl ether (ETBE). The headspace above the standard solution was sampled after adjusting the aqueous solutions to definite temperatures by use of a thermostat. Measurement were carried out at 25°C, 15°C and 5°C (water), -5°C and -15°C (supercooled water) and -25°C (ice). Results have shown that the known trend of lower gas phase concentrations over water concomitant with lower temperatures (Henry’s Law) is only valid for temperatures above 0°C. At temperature below 0°C, increasing concentrations of the analytes (BTEX, MTBE, ETBE and n-aldehydes) were determined in the gas phase together with decreasing temperatures. Dimensionless Henry’s law coefficients (KAW) were calculated from the concentrations of the organic compounds in the headspace above the standard solutions at temperatures between 25°C and -25°C. The observed inversion of Henry’s law coefficients of volatile and semivolatile organic compounds at a water temperature of approximately 0°C is explained by the formation of ordered zones of H2O molecules in supercooled water called “ice-like-clusters”. Together with decreasing temperatures the degree of formation of ordered zones increases which results in the removal of the organic molecules from the liquid phase and transfer into the gas phase. At a temperature of -25°C the supercooled water is converted into ice and a further significant increase of the gas phase concentrations of hydrophobic compounds such as BTEX is observed. In comparison, less hydrophobic compounds such as MTBE, ETBE and n-aldehydes are detected in lower amounts in the gas phase above the water/ice phase due to the higher water solubility and lower Henry coefficients compared to BTEX. The results show that in the absence of particles the uptake of BTEX MTBE, ETBE and C6-C10-naldehydes into ice not enhanced during freezing of a supercooled liquid, since at -25°C for these analytes the concentrations in the gas phase are higher at -25°C (ice) compared with -15°C (supercooled liquid). The heterogeneous distribution of BTEX and n-aldehydes concentrations in snow samples collected during the CLACE field campaigns suggests that adsorption of the organic compounds to particles followed by incorporation of the particles into the snow and ice might play a major role in the uptake process of organic compounds into snow and ice. To increase the knowledge about uptake processes of organic compounds into snow and ice further experiments are required with should include aerosol particles in the experimental setup to evaluate the influence of particle scavenging in the uptake processes.
This research was conducted in the Rwenzori Region of the Western Branch, East African Rift System (EARS). The EARS is a tectonic structure extending over a length of more than 3000 km from the Afar Triple Junction, in Ethiopia, to Lake Malawi in the south. The Western Rift System is a roughly NE to ENE trending sector of the EARS, which runs along the western boundary of Uganda and the neighboring Democratic Republic of Congo (D.R.C). It stretches 2100 km from Nimule, NW on Uganda-Sudan border, extending to Lake Malawi in the SE of Africa. The unusual uplift of the Rwenzori Mountains within an extensional regime and the mechanisms associated with the high frequency of seismic activity in the region was hardly understood and therefore, had remained a subject of contention that needed to be critically addressed in detail. To my knowledge, this was probably the first study to be performed and documented in great depth within the domains of seismic noise variation, seismic anisotropy and b value analyses beneath the Rwenzori Region. After about six years of operation (2006-2012), the seismology group of the RIFTLINK Research Project (www.riftlink.org) acquired a vast amount of high-quality, digital data that were collected using a seismic network of well calibrated seismic equipment. The project was divided into two phases. Phase I, that operated between February 2006 - September 2007, consisted of thirty-two temporary seismic stations, which were selectively spread out in the Rwenzori Region on the Ugandan side, to detect and record extremely weak as well as strong naturally occurring earthquakes. The seismic equipment used included EDL and REFTEK digitizers, which were coupled with Güralp and MARK sensors respectively (REFTEKS: only short-period MARK sensors, EDLs: short-period MARK plus few broadband Güralp Sensors). Exactly 22375 earthquakes were recorded. The data were processed using the SEISAN software package. About 14413 earthquakes were carefully localized using the velocity model of Bram (1975) that implements a Vp=Vs ratio fixed at 1.74. Phase II, that extended between 2009-2012 consisted of thirty-two seismic stations, which were spread out around the Rwenzori Mountains, both on the Ugandan side and the neighboring D.R.C. Only Taurus digitizers that were coupled with Trillium sensors were used in the D.R.C. On the Ugandan side however, both EDL and Taurus digitizers, which were coupled with Trillium and Güralp sensors were used. ...
This study describes the Holocene sedimentary lagoonal deposition history, including event sedimentation and benthic foraminiferal analyzes, from about 10 kyrs BP until today. This is the first study describing the sedimentation of a Maldivian atoll lagoon in such detail. Thirty-nine sediment cores have been recovered from the deep Rasdhoo Atoll lagoon of the Maldives (4°N/73°W). Seventeen sediment cores were opened, described, and 296 sediment samples have been collected and analyzed. Different methods have been used to evaluate the coarse- and fine-grained carbonate components and a total of fifty-eight samples have been dated radiometrically by Beta Analytic Inc., Miami, Florida. In general, the Rasdhoo Atoll lagoon sediments can be divided into (1) a Late Pleistocene soil, (2) an early Holocene peat layer composed of mangrove deposits which mark the beginning inundation of the atoll lagoon by the rising Holocene sea-level at 10,320 ± 100 yrs BP, and (3) carbonate sediments starting to fill up the lagoon 7850 ± 140 yrs BP until today. The transition from peat to carbonate is characterized by a considerable hiatus. Six different carbonate sediment facies are classified by statistical analyses, listed in decreasing abundance:
(1) mollusk-coral-algal floatstone to rudstone (30%)
(2) mollusk-coral-red algae rudstone (23%)
(3) mollusk-coral-algal wackestone to floatstone (23%)
(4) mollusk-coral wackestone (13%)
(5) mollusk-coral mudstone to wackestone (9%)
(6) mollusk mudstone (2%)
Based on grain-sizes in combination with coral identification, the facies represent both lagoonal background sedimentation (mostly fine-grained sediments (matrix >50%)) and event sedimentation (coarse-grained sediment layers composing reefal components).
Six coarser grained layers in muddy background sediments of the Rasdhoo Atoll lagoon were interpreted as Holocene tsunami events, based on the increase of allochthonous skeletal material with shallow-water reef affinity such as fragments of shallow-water coral species, coralline red algae, and reef-dwelling foraminifera in these layers, as well as AMS dating:
• Event 1: 420 - 890 yrs BP (655 yrs BP)
• Event 2: 890 - 1560 yrs BP (1225 yrs BP)
• Event 3: 2040 - 2340 yrs BP (2190 yrs BP)
• Event 4: 2420 - 3380 yrs BP (2900 yrs BP)
• Event 5: 3890 - 4330 yrs BP (4110 yrs BP)
• Event 6: 5480 - 5760 yrs BP (5620 yrs BP)
Five of the six layers may be correlated to previously published tsunami events at adjacent coastal research sites. The mid-late Holocene atoll lagoon archive is incomplete though based on the assumption that major earthquakes at the Indonesian subduction zone generated more than six major tsunamis during the past 6.5 kyrs.
According to Gischler (2006), the sediments of the Rasdhoo Atoll lagoon can be divided into two areas: (1) a central to marginal deep lagoon with a lateral west-to-east gradient of sediment facies distribution, visible in sections <4 kyrs BP with sedimentary facies of mudstone to wackestone in the western part (e.g., cores 16, 18, and 34) and coarse-grained coral and algal-rich sediments in the eastern part of the lagoon (e.g., cores 30 and 31). (2) A northern enclosed and shallow area between the sand apron and the sand spit accumulating “sandy” sediments of wackestone facies (cores 2, 19, 25, and 26).
Comparing the sediment accumulation data of the lagoon with two reconstructed local sea-level curves, three different sequence-stratigraphical systems tracts are visible: (1) a lowstand systems tract (LST) >10 kyrs BP. Pleistocene brownish soil superposing subaerially exposed Pleistocene reef limestone. (2) A transgressive systems tract (TST) 10-6.5 kyrs BP. A peat layer marks the beginning of the inundation, and the carbonate sedimentation starts with very low sedimentation rates of 0.02 m/kyr. (3) A highstand systems tract (HST) 6.5-0 kyrs BP, further divided into three stages (6.5-3, 3-1, 1-0 kyrs BP). The sea-level rise slowed down, sedimentation rates are increasing continuously up to a maximum of 1.4 m/kyr, the sand spit developed some 4 kyrs BP, the lagoonal circulation got restricted, and the lateral west-to-east gradient of grain-size accumulation started. From 1-0 kyrs BP the sedimentation rates slowed down to modern mean sedimentation rates of 0.6 m/kyr.
Two cores, one core from the center of the lagoon (core 16) and one core from the northern margin of the lagoon (core 19), have been analyzed on diversity and assemblages of benthic foraminifera in high-resolution. The transitions of Ammonia spp. to a more even and diverse fauna marks a significant environmental change at 7.0 kyrs BP in core 16 (onset of a stable environment in the deep lagoon after the sea-level rise slowed down at HST stage 1) and at 4.0 kyrs BP in core 19. A continuing environmental change after 1.4 kyrs BP in core 16 caused the fauna to become more even, a recovery of diversity and a permanent decline of foraminiferal accumulation rate. The changes in the faunas at 4.0 kyrs BP and at 1.4 kyrs BP could be explained with the sand spit formation in the northwestern and western lagoon. The sand spit has apparently acted as an obstacle in lagoonal circulation and might have caused unstable environmental conditions due to a more rapid circulation at the shallow marine site of core 19 and a slowdown of bottom water circulation in the main lagoon (core 16) leading to higher residence times and to lower oxygen and higher nutrient concentrations.
In Belize, which is well known for the Belize Barrier Reef and its offshore atolls, coastal lagoons are frequent morphological features along the coast. They represent transitional environments between siliciclastic and carbonate settings. In order to shed light into the Holocene evolution of coastal lagoon environments, five localities along the central coast of Belize were selected as coring sites. These include four coastal lagoons and one marsh area, namely Mantatee Lagoon, Mullins River Beach, Colson Point Lagoon, Commerce Bight Lagoon and Sapodilla Lagoon. A total of 26 sediment cores with core lengths ranging from 109 cm to 500 cm, were drilled using a Lanesky-vibracorer. Overall, 73 m of Holocene sediments and Pleistocene soil were recovered. Together with 58 radiocarbon dates the sediments reveal details on the sediment architecture and depositional features of the localities.
Marine inundation of the mainland and coastal lagoon formation started around 6 kyrs cal BP.
As a response to sea-level rise during the Holocene transgression, facies retrograded towards the coast, as seen in marginal marine overlying brackish mollusk faunas. Evidence for late Holocene progradation of facies due to sea-level stagnation is largely lacking. The occurrence of landward thinning sand beds, hiatuses and marine fauna in lagoonal successions are indications of event (overwash) sedimentation. Sediments recovered are largely of Holocene age (<7980 cal BP), overlying Pleistocene sections. Analyses of sediment composition and texture, radiocarbon dating and mollusk shell identification were used to describe and correlate sedimentary facies.
XRD analyses have identified quartz as the dominant mineral, with the Maya Mountains as main source of coastal lagoon sediments. The most common sedimentary facies include peat and peaty sediment, mud, sand, and poorly sorted sediments. Pleistocene soil forms the basement of Holocene sediments. Holocene mud represents lagoon background permanent sedimentation.
Peats and peat-rich sequences were deposited in mangrove swamp environments, whereas sandy facies mainly occur in the shoreface, beach, barriers, bars, barrier spits and overwash deposits. Facies successions could be identified for each locality, but it has proven difficult to correlate the stratigraphic sequences, especially among localities. These differences among the five locations studied suggest that apart from regional influence such as sea-level rise, local environmental factors such as small-scale variation in geomorphology and resulting facies heterogeneity, connectivity of the lagoon with the sea, antecedent topography and river discharge, were responsible for coastal sedimentation and lagoon development in the Holocene of Belize.
Faunal composition and distribution patterns of mollusk assemblages from 20 shell concentrations in cores collected in coastal lagoons, a mangrove-fringed tidal inlet and the marginal marine area (shallow subtidal) show considerable variation due to environmental heterogeneity and the interplay of several environmental factors in the course of the mid-late Holocene (ca. 6000 cal BP to modern). The investigated fauna ≥2 mm comprises 2246 bivalve, gastropod and 11 scaphopod specimens. Fifty-three mollusk species, belonging to 42 families, were identified. The bivalve Anomalocardia cuneimeris and cerithid gastropods are the dominant species and account for 78% of the total fauna. Diversity indices are low in concentrations from lagoons and relatively high in the marginal marine and tidal inlet areas.
Based on cluster analysis and nonmetric multidimensional scaling (NMDS), seven lagoonal assemblages and three marginal marine/tidal inlet assemblages were defined. A separation between lagoonal and marginal marine/tidal inlet assemblages seen in ordination indicates a lagoon-onshore gradient. The statistical separation among lagoonal assemblages demonstrates environmental changes during the Holocene evolution of the coastal lagoons, which is probably related to the formation of barriers and spits. The controlling factors of species distribution patterns are difficult to figure out, probably due to the heterogeneity of the barrier-lagoon systems and the interaction of paleoecological and paleoenvironmental factors. In addition to the taxonomic analysis, a taphonomic analysis of 1827 valves of A. cuneimeris from coastal lagoons was carried out. There is no relationship between depth and age of shells and their taphonomic condition. Size-frequency distributions and right-left valve ratios of A. cuneimeris suggest that valves were not transported over long distances but were deposited parautochthonously in their original habitat. Shells from tidal inlet and marginal marine environments were also predominantly deposited in their original habitats.
Since the Belize coast was repeatedly affected by hurricanes and the paleohurricane record for this region is poor, the sediment cores have been examined in order to identify storm deposits.
The paleohurricane record presented in this study spans the past 8000 years and exhibits three periods with increased evidences of hurricane strikes occurring at 6000-4900 cal yr BP, 4200-3600 cal yr BP and 2200-1500 cal yr BP. Two earlier events around 7100 and 7900 cal yr BP and more recent events around 180 cal yr BP and during modern times have been detected. Sand layers, redeposited corals and lagoon shell concentrations have been used as proxies for storm deposition. Additionally, hiatuses and reversed ages may indicate storm influence. While sand layers and corals represent overwash deposits, the lagoon shell concentrations, which mainly comprise the bivalve Anomalocardia cuneimeris and cerithid gastropods, have been deposited due to changes in lagoon salinity during and after storm landfalls. Comparison with other studies reveals similarities with one record from Belize, but hardly any matches with other published records. The potential for paleotempestology reconstructions of the barrier-lagoon complexes along the central Belize coast differs depending on geomorphology, and deposition of washovers in the lagoon basins is limited, probably due to the interplay of biological, geological and geomorphological processes.
Ca-Silikate als natürliche Einschlüsse in Diamanten sind so extrem selten und bislang wenig untersucht, daß der Weg, sie synthetisch herzustellen, um entsprechende Analysen durchführen zu können, gerechtfertigt wird. Um die Veränderungen über einen großen Druckbereich bis zu Bedingungen, die dem Unteren Erdmantel entsprechen, durchführen zu können, wurde ein neues Hochdrucklabor mit einer Multi-Anvil-Presse aufgebaut. In dieses Labor sind viele Erfahrungen aus eigenen Experimenten und aus anderen Arbeitsgruppen eingeflossen, sodaß eine leistungsfähige Hochdruckanlage zur Verfügung steht. Kernstück dieses Hochdrucksystems ist der innere Hochdruckaufbau, wobei nicht ein bereits etablierter Hochdruckaufbau kopiert, sondern - durch das Integrieren der Vorzüge von unterschiedlichen Systemen - ein eigenständiger Hochdruckaufbau entwickelt wurde. Das System ist für weitere Ausbaumöglichkeiten vorbereitet, sodaß z. B. großvolumige Kapseln zusammen mit den Ceramcast-Oktaedern bis 80 kbar eingesetzt werden können, bzw. der maximale Druckbereich mit einem 10/4 mm Aufbau bis über 200 kbar ausgeweitet werden kann. Die Untersuchung der Reaktionskinetik an den Ca-Silikatphasen stellt eine besondere Herausforderung dar. Aus vorangegangenen Experimenten und Untersuchungen ist die "nicht Quenchbarkeit" von Ca-Perovskit und die Amorphisierung von Ca-Walstromit bekannt, sodaß sich die Untersuchungen mittels der herkömmlichen Hochdruckmethoden für diese Fragestellung als nachteilig erweisen. Dank der Zusammenarbeit mit dem "Material Science Laboratory" am Synchrotron in Daresbury bot sich die Möglichkeit, in situ Hochdruckexperimente an den Ca-Silikatphasen durchzuführen. Es stand nur eine begrenzte Entwicklungszeit zur Verfügung, um die neuartige "fine-to-fine" Geometrie zu entwickeln und zu erproben. Mit diesem Hochdruckaufbau ist es gelungen, in situ Hochdruckexperimente bei bis zu 150 kbar und 1400°C durchzuführen und dabei Ca-Perovskit zu kristallisieren. Mit den kleineren 10mm MgO-Oktaedern und 5 bzw. 4 mm Truncation an den Wolframcarbid-Würfeln sind sogar bei gleicher Geometrie noch höhere Drücke realisierbar. Die Beobachtungen an den durchgeführten Experimente ermöglicht eine Aussage zur Reaktionskinetik der Phasenumwandlung bei Ca-Silikaten. Die Disproportionsreaktion von Ca-Perovskit zu den zwei Phasen Larnit und Si-Titanit läuft sehr rasch ab, wo hingegen die Rekombinationsreaktion dieser beiden Phasen zu Ca-Walstromit kinetisch gehemmt und innerhalb von Stunden keine Umwandlung beobachtet werden konnte. Darüber hinaus bestätigen die eigenen Experimente ein Einsetzen der Amorphisierung von Ca-Perovskit bei Drücken unterhalb von 10 kbar. Eine Amorphisierung von Ca-Walstromit wurde auch nach vollständiger Druckentlastung nicht beobachtet. Werden die Beobachtungen der kinetischen Experimente der Phasenumwandlung an Ca-Silikaten auf die natürlichen Bedingungen bei der Diamantentstehung und deren Aufstiegspfad übertragen, spricht dies für ein Modell des raschen Aufstiegs aus dem Unteren Mantel bzw. der Übergangszone und einem Steckenbleiben im Oberen Mantel bei moderaten Drücken. Der Weg an die Erdoberfläche findet dann zu einem späteren Zeitpunkt ebenfalls mit schnellen Aufstiegsgeschwindigkeiten statt. Die Ergebnisse der Löslichkeits-Hochdruckexperimente von Kalium und Phosphor bestätigen die Beobachtungen, die an den natürlichen Ca-Silikateinschlüssen gemacht wurden. In dem Zweiphasenfeld, in dem Larnit zusammen mit Si-Titanit koexsistiert, hebt sich vor allem die sehr hohe Löslichkeit von Kalium und Phosphor hervor. Zwar wurde bereits in den natürlichen Einschlüssen ein auffallend hoher Gehalt dieser Elemente beobacht, die Experimente zur maximalen Löslichkeit zeigen jedoch, daß sich weitaus höhere Gehalte im Larnit lösen können. Für diese Phase trifft die gekoppelte Substitution von Kalium und Phosphor gegen Calcium und Silicium im Verhältnis 1 : 1 zu. Interessant ist zudem die offenbare Druckhabhängigkeit der Löslichkeit in Larnit. Für eine geobarometrische Anwendung dieses Druckeffekts ist das Stabilitätsfeld mit nur 20 kbar relativ schmal, so daß der Druckgradient gering ist. Die Titanit-Struktur erweist sich im Gegensatz dazu als nicht kompatibel für diese Elemente. In Si-Titanit werden nur extrem geringe Gehalte an Kalium und Phosphor eingebaut. In den natürlichen Einschlüssen wurden gleichermaßen geringe Gehalte nachgewiesen. Damit kann vom Erreichen der maximalen Löslichkeit in den natürlichen Proben ausgegangen werden. Als potentieller Träger von Kalium und Phosphor in der Übergangszone ist die Phase Larnit. Sie kann sehr hohe Gehalte dieser Elemente aufnehmen, mit steigendem Druck nimmt die Löslichkeit jedoch ab. Direkte Messungen der Löslichkeit an Ca-Perovskit liegen bislang nicht vor. Die Experimente an der unteren Stabilitätsgrenze zeigen sehr geringe Gehalte an Kalium und Phosphor. Eine Substitution in dieser sehr dichten Struktur findet nicht statt. Die geringe Löslichkeit in Ca-Perovskit entspricht nicht dem erwarteten Ergebnis. Diese Phase galt bislang als möglicher Träger von Kalium und Phosphor im Unteren Mantel. Wenn davon ausgegangen wird, daß Einschlüsse, in denen Larnit und Si-Titanit nachgewiesen werden, möglicherweise ehemals Ca-Perovskit gewesen sind und damit eine Herkunft aus dem Unteren Mantel haben, so sprechen die hohen Gehalte an Kalium und Phosphor in Larnit gegen diese Annahme. Ein Einschluß, der als Ca-Perovskit im Unteren Mantel kristallisiert ist, kann nicht die großen Mengen an Kalium und Phosphor einbauen, wie sie dann im Larnit als direkte Umwandlungsphase nachgewiesen werden. Möglicherweise sind Einschlüsse, die hohe Gehalte an Kalium und Phosphor zeigen, in dem Zweiphasenstabilitätsfeld Larnit/Si-Titanit kristallisiert, und ein Hinweis darauf, daß sie kein Disproportionsprodukt aus vormaligem Ca-Perovskit sind. Bislang ungeklärt bleibt die Frage, ob mit höherem Druck die Löslichkeit von Kalium und Phosphor in Ca-Perovskit zunimmt. Wenn eine Druckabhängigkeit der Löslichkeit vorliegt, würde dies dafür sprechen, daß die Diamanten mit Ca-Perovskit-Einschlüssen aus dem Unteren Mantel stammen und nicht aus der Übergangszone. Die Annahme der Herkunft dieser speziellen Diamantparagenese aus dem Unteren Mantel wird auch durch das Auftreten von Ferro-Periklas und Stichovit zusammen mit Ca-Perovskit im gleichen Diamantkristall bekräftigt. Zukünftige Experimente bei höheren Drücken könnten die Frage klären, ob bei einer Druckerhöhung eine Zunahme der Löslichkeit in Ca-Perovskit beobachtet wird. Eine beachtliche Zunahme der Löslichkeit mit dem Druck würde das Modell der Herkunft der Ca-Silikateinschlüsse aus dem Unteren Mantel stützen. Die Löslichkeit von Kalium und Phosphor in Ca-Walstromit zeigt sowohl in den natürlichen Einschlüssen als auch in den Experimenten mittlere Gehalte dieser Elemente an. Abweichend von den Beobachtungen in den Einschlüssen ist jedoch der erhöhte Kaliumgehalt, der nicht den erwarteten stöchiometrischen Austausch von 1 : 1 wiedergibt. Untersuchungen an natürlichen Ca-Walstromit als Einschlüsse in Diamanten werden zukünftig von besonderem Interesse sein, da diese Einschlüsse entsprechend häufiger auftreten und als Probenmaterial vorliegen. Weitere Experimente im Ca-Walstromit-Stabilitätsfeld mit unterschiedlichen Gehalten an Spurenelementen und entsprechenden Strukturuntersuchungen können die Frage der Stabilität bzw. der Amorphisierung klären. Ein unmittelbares Amorphisieren von Ca-Walstromit nach der Druckentlastung wird nicht beobachtet und auch die energiereiche Strahlung der Mikrosonde bzw. des Synchrotrons hat keine Amorphisierung zur Folge. Beim Bestrahlen mit der sehr energiereichen Strahlung bei den TEM-Untersuchungen zeigt sich jedoch, daß Ca-Walstromit nicht sehr stabil ist und innerhalb weniger Minuten amorphisiert. Die TEM-Untersuchungen weisen auf mögliche Polymorphe von Ca-Walstromit hin. Wenn sich unterschiedliche Polymorphe nachweisen lassen, ist von abweichenden Löslichkeiten und unter Umständen anderen Einbaumechanismen in den Phasen auszugehen.
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.
High field strength element systematics and Lu-Hf & Sm-Nd garnet geochronology of orogenic eclogites
(2008)
Concerning the Bulk Silicate Earth (BSE), the depleted mantle and the continental crust are thought to balance the budget of refractory and lithophile elements, resulting in complementary trace element patterns. However, the two high field strength elements (HFSE) Niob and Tantal appear to contradict this mass balance. All reservoirs of the silicate Earth exhibit subchondritic Nb/Ta ratios, possibly as a result of Nb depletion. The two HFSE Zr and Hf on the other hand seem not to be fractionated between the silicate reservoirs. They show more or less chondritic Zr/Hf ratios. In this study a series of orogenic eclogites from different localities was analyzed to determine their HFSE concentrations and to contribute to the question if eclogites could form a hidden reservoir to account for the mass imbalance of the BSE. The results show that the orogenic eclogites have subchondritic Nb/Ta ratios and near chondritic Zr/Hf ratios. The investigated eclogites show no fractionation of Nb/Ta ratios and no enrichment of Nb compared to e.g. MOR-basalts, the likely precursor of these rocks. With an average Nb/Ta ratio of 14.9 these eclogites could not balance the differences between BSE and chondrite. Additionally, with an average Nb/Ta ≈ MORB they also cannot balance the small differences in the Nb/Ta of the crust and the mantle. LA-ICPMS analyses of rutiles in these eclogites reveal a zonation of Nb/Ta ratios in this mineral, with rutile cores having higher Nb/Ta than rutile rims. As a consequence, Laser Ablation data of rutiles have to be evaluated carefully and cannot necessarily reflect a bulk rock Nb and Ta composition, although over 90% of these elements reside in rutile.
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.
Gridded maps of meteorological variables are needed for the evaluation of weather and climate models and for climate change monitoring. In order to produce them, values at locations where no observing stations are available need to be estimated from point-wise observations. For the interpolation of meteorological observations deterministic and stochastic methods are often combined. Deterministic methods can account for ancillary information such as elevation, continentality or satellite observations. Stochastic methods such as kriging reproduce observed values at the station locations and also account for spatial variability. In the first two studies of this thesis, a flexible interpolation method for the gridding of locally observed daily extreme temperatures is developed that also provides an optimal estimate of the interpolation ncertainty. In the third study, an observational dataset is created using this interpolation method and then applied to evaluate a climate simulation for Africa.
In the first study, the Regression-Kriging-Kriging (RKK) method is tested for the interpolation of daily minimum and maximum temperatures (Tmin and Tmax) in different regions in Europe. RKK accounts for elevation, continentality index and zonal mean temperature and is applicable in regions of differing station density and climate. The accuracy of RKK is compared to Inverse Distance Weighting, a common deterministic interpolation method, and to Ordinary Kriging, a common stochastic interpolation method. The first step in RKK is to use regression kriging, in which multiple linear regression accounts for topographical effects on the temperature field and kriging minimizes the regression error, to interpolate climatological means. In the second step daily deviations from the monthly climatology are interpolated using simple kriging. Owing to the large climatological differences across the investigation area the interpolation is performed in homogeneous subregions defined according to the Köppen-Geiger climate classification. Cross validation demonstrates the superiority of RKK over the simpler algorithms in terms of accuracy and preservation of spatial variability. The interpolation performance however strongly varies across Europe, being considerably higher over Central Europe (highest station density) than over Greenland (few stations along the coast line). This illustrates the strong impact of the station density on the accuracy of the interpolation result. Satellites provide comprehensive observations of climate variables such as land surface temperature (LST) and cloud cover (CC). However, LST is associated with high uncertainty (standard error ~ 1-2°C), preventing its direct application in meteorology and climatology. The second study investigates the usefulness of LST and CC as predictors for the gridding of daily Tmin and Tmax. The RKK algorithm is compared with similar interpolation methods that apply LST and CC in addition to the predictors used with the RKK algorithm. The investigation is conducted in two regions, Central Europe and the Iberian Peninsula, which differ strongly in average cloud cover (Central Europe is approximately 30% cloud free and the Iberian Peninsula approximately 60 % cloud free). RKKLST (in which monthly mean LST is used as an additional predictor) yields for Central Europe no clear improvement over RKK, yet it reduces the interpolation error over the Iberian Peninsula. This finding can be explained by the higher percentage of cloud free pixels over that region in summer which enables a more robust determination of monthly mean LST. Adding a regression step for daily anomalies (using the predictor CC) yields the RKRK method and improves the preservation of spatial variability over the Iberian Peninsula. Moreover, a successive reduction of the station number (from 140 to 10 stations) reveals an increasing superiority of RKKLST and RKRK over RKK in both regions.
The application of a gridded observational dataset for climate monitoring or climate model validation requires knowledge of the uncertainties associated with the dataset. The estimation of the interpolation uncertainty, here the inter quartile range is the used uncertainty measure, is therefore an important issue within the frame of this thesis. By means of cross validation it is shown that the largest uncertainties occur in regions of low station density (e.g. Greenland), in mountainous regions and along coastlines (in these regions model evaluation results should be interpreted carefully). The magnitude of the interpolation error mainly depends on the station density, while the complexity of terrain has substantially less influence. On average over all regions and investigation days the target precision of the uncertainty estimate is reached. However, on local scales and for single days it can be clearly over- or underestimated. The application of satellite-derived predictors (LST and CC) yields no noteworthy improvement of the uncertainty estimate.
In the last study two regional climate simulations for Africa using the ERA-Interim driven COSMO-CLM (CCLM) model at two different horizontal resolutions (0.22° and 0.44°) are validated. It is assessed whether observed patterns and statistical properties of daily Tmin and Tmax are correctly represented in the model. The ERA-Interim reanalysis and a specially created observational dataset are used as reference. The observational dataset is generated by applying the RKRK algorithm (developed within the second study). The investigations show an occasionally large bias in Tmin and Tmax. The hemispheric summers are generally too warm and the temporal variability in temperature is too high, particularly over extra tropical Africa. The diurnal temperature range is overestimated by about 2°C in the northern subtropics but underestimated by about 2°C over large parts of the African tropics. CCLM reproduces the observed frequency distribution of daily Tmin and Tmax in all African climate regions, and the extreme values in the lower percentiles (5, 10, 20%) for Tmin are well simulated. The higher percentiles (80, 90, 95%) for Tmax are however overestimated by 2-5°C. For both Tmin and Tmax the 0.22° simulation is on average 0.5°C warmer than the 0.44° simulation. Additionally, the higher percentiles are about 1°C warmer for both Tmin and Tmax in the higher resolution run, while the lower percentiles in both runs match very well. Although the temperature pattern is represented in more detail along the coastlines and in topographically complex regions, the higher resolution simulation yields no qualitative improvement.
To summarize, the choice of the appropriate algorithm mainly depends on the interpolation conditions. In cases where the station density is high across the target region and the predictor space is adequately covered by observing stations, the computationally less demanding RK algorithm should be preferred. In regions where the station density is low the more robust RKRK algorithm should be the first choice. Due to the strong physical relation of both CC and LST to Tmin and Tmax the missing information is at least partially compensated for. The estimation of the interpolation uncertainty could be improved by applying a normal score transformation to the data prior to a kriging step. This is because the kriging assumption that the increments of the variable of interest are second order stationary can be approximately met by a normal score transformation.
This work analyses several granitic bodies of the Variscan Orogen of Central and Western Europe in order to improve our knowledge about different aspects of their evolution, regarding their ascent and emplacement mechanisms, as well as their deformation history. In the Iberian Massif two granitoid bodies, namely the La Bazana pluton and the Nisa-Alburquerque batholith, were studied in order to decipher their ascent and emplacement history. The La Bazana pluton is a small, sub-circular body in map view that intruded into rocks of the Ossa-Morena Zone in the core of a late upright antiform. Its three-dimensional drop-pipe shape, its internal dome foliation pattern and the structure of the host rock suggest that the magma ascended and emplaced diapirically. The Nisa-Alburquerque batholith is a large body that intruded into rocks of the Central Iberian Zone, the Central Unit, and the Ossa-Morena Zone. Its cartographic shape is elongate and parallel to the NW—SE to WNW—ESE Variscan structures. In the light of the available structural data and the gravimetric models, the intrusion is viewed as a continuous lateral magma flow from the eastern root guided towards the west through the southern limb of a kilometre-scale antiform. As mass-transfer mechanisms, a combination of rigid translation of the country rocks, stoping, and possibly ballooning is proposed. In the Bohemian Massif several small granitoid bodies showing a strong solid-state deformation were studied in order to integrate their tectonometamorphic history in the geotectonic framework of the south-western Bohemian Massif, focusing principally on the deformation phase referred to as D3. Four ductile deformation phases are proposed for the study area. D1 produced high-temperature fabrics under upper amphibolite to granulite facies conditions. Its kinematics is unknown. D2 occurred under amphibolite to upper greenschist facies conditions under N—S to NNW—SSE compression. It is responsible for a subvertical NW—SE striking foliation in migmatites developed under dextral simple shear and for the deformation at the Bayerischer Pfahl shear-zone system at its earlier stages. Many granitoid dykes and stocks were found to be affected by sinistral shear along subvertical planes trending ENE to ESE. Since this deformation, which is called D3 in the present work, is not compatible with a N—S to NNW—SSE compression, it is proposed that these sinistral shear zones in granites do not belong to the Bayerischer Pfahl shear-zone system and constitute themselves a separated one, which is called “D3 shear-zone system”. D3 took place under upper greenschist to lower amphibolite facies conditions (~480-550°C). Both the intrusion and the deformation of the granites affected by D3 occurred at deep to intermediate levels of the crust, whereas the deformation took place under NE—SW compression. Datings on two of the deformed granites yielded 324.4 ± 0.8 Ma and 315.0 ± 1.0 Ma: Thus, the age of D3 is most probably ~315 Ma. The intrusion of most of the sheared granitoids was pre-kinematic with respect to D3. After D3 the N—S to NNW—SSE compression which governed D2 was restored, giving way to the next deformation phase D4, which was linked to further deformation at and next to the principal shears of the Bayerischer Pfahl shear-zone system under greenschist facies conditions. The causes for the change of the stress field leading to a NE—SW compression during D3 might be related to (1) global changes in the dynamics of the tectonic plates in late Variscan times, (2) orogenic collapse leading to the sinking of the Teplá-Barrandian and lateral extrusion of the surrounding Moldanubian rocks, (3) distortion of the regional stress field by local intrusion of large stocks, such as the Saldenburg granite of the Fürstenstein Massif, or (4) distortion of the regional stress field due to the existence of ephemeral releasing bends in the Bayerischer Pfahl shear zone during its early evolution.
Trace elemental concentrations of bivalve shells content a wealthy of environmental and climatic information of the past, and therefore the studies of trace elemental distributions in bivalve shells gained increasing interest lately. However, after more than half century of research, most of the trace elemental variations are still not well understood and trace elemental proxies are far from being routinely applicable. This dissertation focuses on a better understanding of the trace elemental chemistry of Arctica islandica shells from Iceland, and paving the way for the application of the trace elemental proxies to reconstruct the environmental and climatic changes. Traits of trace elemental concentrations on A. islandica shells were explored and evaluated. Then based the geochemical traits of the shells, four non-environmental/climatic controlling is indentified. (1) Trace elemental concentrations of bivalve shells are effected by early diagenesis by the leach or exchange of elemental ions, especially in shell tip part, even with the protection of periostrucum; (2) The analytical methods also affect the results of trace elemental concentrations, especially for the element, such as Mg, which is highly enriched in organic matrices; (3) Shell organic matrices are found play a dominating role on the concentration of trace elements on A. islandica shells. Most trace elements only occurred in insoluble organic matrices (IOM), although others are only found in the carbonate fraction. IOM of A. islandica shells is significantly enriched in Mg, while Li and Na are more deplete in IOM, but enriched in shell carbonate. Ba is more or less even contented in IOM and shell carbonate. The concentrations of certain elements vary between primary layer and secondary layer; (4) The vital /physiological controlling on trace elemental distributions of bivalve shells is also confirmed. Six elemental (B, Na, Mg, Mn, Sr, and Ba) concentrations show significant correlation (exponential functions) with ontogenetic age and shell grow rates (logarithmic equations). It is worthy to remark that B, Mg, Sr and Ba concentrations are negatively correlated with shell growth rate, positive with ontogenetic age, while the concentrations of Na and Mn show the opposite trends. At last, all the controlling described above can be taken into account and corrected to extract the environmental and climatic signal by a kind of standardization. The derived six exponential functions of the high correlations between six trace elemental concentrations and ontogenetic year are applied to make the standardization of these element-Ca ratios. The gotten standardized indices are compared with the variations of environmental and climatic parameters in this region, and many correlations are found. Standardized indices of Sr/Ca ratios are strongly related to the sun spot number, autumn NAO, autumn Europe surface air temperature (SAT) and Arctic sea surface temperature anomaly (TA), and those of Mg/Ca ratios are strongly associated with Arctic TA, Europe SAT and Solar variation (irradiance). The variations of autumn Europe SAT demonstrated more similarity with standardized indices of B/Ca than other parameters. Except for the SAT index of Arctic, the standardized indices of Na/Ca showed no distinct relation to temperature. European precipitation and the Arctic sea level pressure index compared well the Na/Ca ratios of the shells, and so did the autumn NAO. Standardized indices of Mn/Ca were correlated with the number of hurricanes in the North Atlantic, Northern Europe SAT and sun spot number.
To reconstruct ocean circulation changes during specific periods of Earth history, benthic and planktic foraminifera were used as proxies in the different parts of this thesis. Both studied time periods, the Late Cretaceous and the early Pleistocene, are characterized by long-term climate cooling and major changes in ocean circulation. The first part of this thesis concentrated in the Late Cretaceous. During the Late Cretaceous long-term cooling phase, benthic foraminiferal δ18O values show a positive shift lasting about 1.5 Myr (71.5–70 Ma). This shift can be observed on a global scale and has become known as the Campanian-Maastrichtian Boundary Event (CMBE). It is proposed that this δ18O excursion is influenced either by changing intermediate- to deep-water circulation or by temporal build-up of Antarctic ice sheets. Benthic foraminiferal assemblage counts from a southern high-latitudinal site near Antarctica (ODP Site 690) are analyzed to test if the influence of the CMBE on the benthic species composition. One of the two discussed hypotheses for the causation of the δ18O transition is a change in intermediate- to deep-water circulation from low-latitude to high-latitude water masses. This change would result in cooler temperatures, higher oxygen concentration, and possibly lower organic-matter flux at the seafloor, causing a major benthic foraminiferal assemblage change. Another possible explanation of the δ18O transition of the CMBE is significant ice formation on Antarctica. However no major benthic foraminiferal assemblage change would be expected in this case. The benthic foraminiferal assemblage of Site 690 shows a separation of the studied succession into two parts with significantly different species composition. The older part (73.0–70.5 Ma) is dominated by species, which are typical for lower bottom water oxygen concentration and more common in low-latitude assemblages. Species dominating the younger part (70.0–68.0 Ma) are indicators for well-oxygenated bottom waters and more common in high-latitude assemblages. This change in the benthic foraminiferal assemblages is interpreted to represent a shift of low-latitude toward high-latitude dominated intermediateto deep-water sources. A change in oceanic circulation was therefore at least a major component of the CMBE. The Pacific Ocean contributed significantly to the climatic development during the Late Cretaceous cooling period. The contribution of ocean circulation changes in the Pacific Ocean to the Late Cretaceous climatic development in general and the CMBE and Mid-Maastrichtian Event (MME) in particular, however, is poorly understood. Previously measured high resolution planktic and benthic stable isotope data and a neodymium (Nd) isotope record from the Pacific ODP Site 1210 (Shatsky Rise, tropical Pacific Ocean) for the Campanian to Maastrichtian (69.5 to 72.5 Ma) are used to reconstruct changes in surface- and bottom water temperatures as well as changes in the source region of deep- to intermediate waters [see Appendix 4; Jung et al. 2013]. The results of the benthic foraminiferal δ18O and Nd isotope records in combination with Nd isotope records from other studies indicate changes in the intensity of intermediate- to deep ocean circulation in the tropical Pacific across the Campanian-Maastrichtian interval [see Appendix 4; Jung et al. 2013]. During the early Maastrichtian (72.5 to 69.5 Ma), a three-million-year-long period of cooler conditions and a simultaneous change towards less radiogenic Nd isotope signatures is interpreted to represent a period of increased admixture and northward flow of deep waters from the Southern Ocean (Southern Component Water, SCW). This change was probably caused by an intensified formation of deep waters in the Southern Ocean. This was reduced again during the MME (69.5 to 68.5 Ma). This early Maastrichtian cold interval is similar to the CMBEδ13C fall and succeeding δ13C rise towards the MME and is therefore also interpreted to represent tectonically forced, long-term changes in the global carbon cycle and thus a tectonic forcing of the early Maastrichtian climate cooling. Overall, the Campanian-Maastrichtian Nd and stable isotope records of Shatsky Rise indicate changes in ocean circulation that are paralleled by global warming and cooling periods. The fluctuating strength of SCW contribution in the tropical Pacific points towards an increased respectively weakened ocean circulation, which is probably related to the strength of deep-water formation in the Southern Ocean [see Appendix 4; Jung et al. 2013]. For this study, the analysis of benthic foraminiferal assemblages of Site 1210 is carried out for the same time interval (69.5 to 72.5 Ma) as Nd and stable isotopes to evaluate the influence of intermediate- to deep ocean circulation changes on the benthic foraminiferal community. The possible reaction of benthic foraminiferal assemblages is compared to the results of stable isotope and neodymium isotopes. The observed changes in species abundances only partly reflect the circulation changes reconstructed with Nd and stable oxygen istopes. For example, Stensioina spp., Aragonia spp. and Lenticulina spp., cold-water preferring species, start to be increasingly abundant at the beginning of enhanced influence of SCW. However, their abundance pattern does not follow the varying strength of the cold SCW influence at Shatsky Rise. Other species prefer lesser oxygen concentrations and warmer bottom water, e.g. Paralabamina spp. and Globorotalites spp. Paralabamina spp. has its highest relativ abundance at the beginning of the studied succession, where the influence of SCW is small. However, this taxa occurs throughout the record, even though the influence of SCW increases. Globorotalites spp. is even most abundance after the CMBE, where bottom waters are till cold and influenced by SCW. This leads to the conclusion that the varying strength of SCW in the tropical Pacific at Shatsky Rise through the studied interval is not facilitating a significant faunal turnover as has been observed at the South Atlantic Site 690 (Chapter 3). These results of the benthic foraminiferal assemblage analysis suggest a rather minor influence of the SCW on the major environmental factors that are generally influencing benthic foraminiferal communities (e.g., oxygen concentration, organic matter flux to the sea floor, bottom-water temperature). The second major part of this thesis focused on the late Pliocene-earliest Pleistocene. The late Pliocene is characterized by a long-term global cooling trend resulting in a major increase of Arctic ice sheets from around 3 Ma onwards, culminating in the Plio-Pleistocene intensification of the Northern Hemisphere glaciation. At around 2.7 Ma, large amplitude glacial-interglacial excursions (~1‰ δ18O in benthic foraminiferal calcite) in benthic oxygen isotopes can be observed. Marine isotope stage (MIS) 100 at around 2.55 Ma is the first glacial, when widespread ice rafted debris has been found in sediments in the North Atlantic Ocean. To gain a deeper understanding of the climatic evolution of the latest Pliocene-early Pleistocene, it is necessary to improve the reconstructions of North Atlantic paleohydrography, as the North Atlantic provides a key region for global climate. The consequences of the intensification of Northern Hemisphere on the early Pleistocene North Atlantic thermocline stratification and intermediate waters are still poorly understood. However, surface hydrography, the history of the thermocline and development of North Atlantic intermediate waters are well-studied for the Last Glacial Maximum (LGM). These well-known mechanisms responsible for the LGM in comparison with the present-day interglacial North Atlantic are used as an analogue for te early Pleistocene glacialinterglacials cycles. In this study, suborbitally resolved stable oxygen and carbon isotope and Mg/Ca records are measured from a deep-dwelling planktic foraminifera (Globorotaliacrassaformis) from Integrated Ocean Drilling Program Site U1313 (North Atlantic, 41°N) covering marine oxygen isotope stages MIS 103 to 95 (early Pleistocene, 2.6 to 2.4 Ma). The results are interpreted to represent a change in intermediate-water masses on glacialinterglacial timescales. During glacials geochemical records in G. crassaformis (~500–1000 m) bear the imprint of Glacial North Atlantic Intermediate Water (GNAIW), while during interglacials this species reflects the signature of the influence of Mediterranean Outflow Water (MOW) in combination with the subtropical gyre. The comparison of this data with the published records from G. ruber from the same samples facilitates the reconstruction of glacial-interglacial stratification changes of the upper water column at Site U1313. The results show that larger gradients of temperature, salinity and δ13C prevailed during glacials, suggesting a stronger stratification of the upper water column. This can be seen to indicate glacial-interglacial changes in ntermediate water masses in the North Atlantic similar to those reconstructed for the latest Pleistocene. As an additional proxy, the clumped isotope paleothermometer is applied for the Late Cretaceous study as well as for the early Pleistocene. This proxy is commonly assumed to be independent of other factors than temperature. Clumped isotopes are measured for the Late Cretaceous Site 690 on the planktic foraminiferal species Archaeoglobigerina australis and compared to already existing stable oxygen isotopes of this species. This is assumed to enable the reconstruction of paleotemperature independent of ice volume and therefore contribute to the long-lasting discussion whether there was a temporal ice build-up on Antarctic during the Campanian-Maastrichtian cooling period. For the early Pleistocene, the planktic foraminiferal species G. crassaformis is used from Site U1313 from MIS 99 (interglacial) and MIS 98 (glacial). This provides the opportunity to separate ice volume, salinity and temperature effects on the measured δ18O record of G. crassaformis. The results of the clumped isotope measurements reveal comparatively large standard errors. For the Late Cretaceous the standard error of the clumped isotope measurements proved too large to allow any conclusions on the temperature component on the δ18O record of A. australis. For the early Pleistocene, the temperature difference is also too small to be reconstructed with the standard error of the clumped isotope measurements in this study. Measuring many replicates of one sample would minimize the standard error considerably. However, the amount necessary to measure replicates cannot be gained for either time period, as almost all foraminifera were picked from the respective samples. It is concluded that the respective questions may be solved with a different method of clumped isotope analysis requiring less sample material. This method is, for example, available at the ETH Zurich.
One possible approach to study systematically the influence of the deformation regime on the geometry of geological structures like folds and boudins is analogue modelling. For a complete understanding of the resulting structures, consideration of the third dimension is required. This PhD study deals with scaled analogue modelling under constriction and plane-strain conditions to improve our knowledge of folding and boudinage of lower crustal rocks in space and time. Plasticine is an appropriate analogue material for rocks in the lower crust. Therefore, this material was used for the experiments. The macroscopic behaviour of most types of plasticine is quite similar to rocks undergoing strain-rate softening and strain hardening regardless of the different microscopic aspects of deformation. Therefore, if one is aware that the stress exponent and viscosity increase with increasing strain, the original plasticine types used with stress exponents ranging from 5.8 to 8.0 are adequate for modelling geologic structures. The same holds for plasticine/oil mixtures. Thus, plasticine and plasticine/oil mixtures can be used to model the viscous flow of different rock types in the lower crust. If climb-accommodated dislocation creep and associated steady-state flow is assumed for the natural rocks, the plasticine/oil mixtures should be used, which flow under steady-state conditions. Three different experimental studies of plane-strain coaxial deformation of stiff layers, with viscosity η2 and stress exponent n2, embedded in a weak matrix, with viscosity η1 and stress exponent n1, have been carried out. The undeformed samples (matrix plus layer) were cubes with an edge length of 12 cm. All experimental runs have been carried out at T = 25 ± 1°C and varying strain rates ė, ranging from 7.9 x 10 high -6 s high -1 to 1.7 x 10 high -2 s high -1, until a finite longitudinal strain of 30% – 40% was achieved. The first experimental study improved the understanding about the evolution of folds and boudins when the layer is oriented perpendicular to the Y-axis of the finite strain ellipsoid. The rock analogues used were Beck’s green plasticine (matrix) and Beck’s black plasticine (competent layer), both of which are strain-rate softening modelling materials with stress exponent n = ca. 8. The effective viscosity η of the matrix plasticine was changed by adding different amounts of oil to the original plasticine. At a strain rate ė of 10 high -3 s high -1 and a finite strain e of 10%, the effective viscosity of the matrix ranges from 1.2 x 10 high 6 to 7.2 x 10 high 6 Pa s. The effective viscosity of the competent layer has been determined as 4.2 x 10 high 7 Pa s. If the viscosity ratio is large (> ca. 20) and the initial thickness of the competent layer is small, both folds and boudins develop simultaneously. Although the growth rate of the folds seems to be higher than the growth rate of the boudins, the wavelength of both structures is approximately the same as is suggested by analytical solutions. A further unexpected, but characteristic, aspect of the deformed competent layer is a significant increase in thickness, which can be used to distinguish plane-strain folds and boudins from constrictional folds and boudins. In the second experimental study, the impact of varying strain rates on growing folds and boudins under plane strain have been investigated. The strain rates used range from 7.9 x 10 high -6 s high -1 to 1.7 x 10 high -2 s high -1. The stiff layer and matrix consist of non-linear viscous Kolb grey and Beck’s green plasticine, respectively, both of which are strain-rate softening modelling materials with power law exponents (n) and apparent viscosities (η) ranging from 6.5 to 7.9 and 8.5 x 10 high 6 to 7.2 x 10 high 6 Pa s, respectively. The effective viscosity (η) of the matrix plasticine was partly modified by adding oil to the original plasticine. At the strain rates used in the experiments the viscosity ratio between layer and matrix ranges between 3 and 10. Different runs have been carried out where the layer was oriented perpendicular to the principal strain axes (X>Y>Z). The results suggest a considerable influence of the strain rate on the geometry of the deformed stiff layer including its thickness. This holds for every type of layer orientation (S ┴ X, S ┴ Y, S ┴ Z). If the stiff layer is oriented perpendicular to the short axis Z of the finite strain ellipsoid, the number of the resulting boudins and the thickness of the stiff layer increase, whereas the length of boudins decreases with increasing strain rate. If the stiff layer is oriented perpendicular to the long axis, X, of the finite strain ellipsoid, enlargement of the strain rate results in increasing wavelength of folds, whereas the number of folds and the degree of thickening of the stiff layer decreased. If the stiff layer is oriented perpendicular to the intermediate Y-axis of the finite strain ellipsoid enlargement of the strain rate results in a decreasing number of boudins and folds associated with increasing wavelengths of both structures. The wavelength of folds is approximately half of the boudins wavelength. This is true for the case where folds and boudins develop simultaneously (S ┴ Y) and for cases where both structures develop independently (folds at S ┴ X and boudins at S ┴ Z). In the third experimental study, scaled analogue experiments have been carried out to demonstrate the growth of plane-strain folds and boudins through space and time. Previous 3D-studies are based only on finite deformation structures. Their results can therefore not be used to prove if both structures grew simultaneously or in sequence. Plane strain acted on a single stiff layer that was embedded in a weak matrix, with the layer oriented perpendicular to the intermediate Y-axis of the finite strain ellipsoid. Two different experimental runs have been carried out using computer tomography (CT) to analyse the results. The first run was carried out without interruption. During the second run, the deformation was stopped in each case at longitudinal strain increments of 10%. Every experiment was carried out at a temperature T of 25°C and a strain rate, ė, of ca. 4 x 10 high -3 s high -1 until a finite longitudinal strain of 40% was achieved with a viscosity contrast m of 18.6 between the non-linear viscous layer (Kolb brown plasticine) and the matrix (Beck’s green plasticine with 150 ml oil kg high -1). The apparent viscosity, η, and the stress exponent, n, for the layer at a strain rate ė = ca. 10 high -3 s high -1 and a finite strain e = 10% are 2.23 x 10 high 7 Pa s and n = 5.8 and for the matrix 1.2 x 10 high 6 Pa s and 10.5. These new data that result from incremental analogue modelling corroborate previous suggestions that folds and boudins are coeval structures in cases of plane-strain coaxial deformation with the stiff layer oriented perpendicular to the intermediate Y-axis of the finite strain ellipsoid. They will be of interest for all workers who are dealing with plane-strain boudins and folds, where the fold axes are parallel to the major axis (X) of the finite strain ellipsoid. As has been demonstrated by the first experimental study, coeval folding and boudinage under plane strain, with S ┴ Y, are associated with a significant increase in the thickness of the competent layer. The latter phenomenon does not occur in other cases of simultaneous folding and boudinage, such as bulk pure constriction. To study the impact of layer thickness on the geometry of folds and boudins under pure constriction, we carried out additional experiments using different types of plasticine for a stiff layer and a weaker matrix to model folding and boudinaging under pure constriction, with the initially planar layer oriented parallel to the Xaxis of the finite strain ellipsoid. The stiff layer and matrix consist of non-linear viscous Kolb brown and Beck’s green plasticine, respectively, both of which are strain-rate softening modelling materials. Six runs have been carried out using thicknesses of the stiff layer of 1, 2, 4, 6, 8 and 10 ± 0.2 mm. All experimental runs were carried out at a temperature T of 30 ± 2°C and a strain rate, ė, of ca. 1.1 x 10 high -4 s high -1 until a finite longitudinal strain of 40% was achieved with a viscosity contrast m of 3.1 between the stiff layer (Kolb brown plasticine) and the matrix (Beck’s green plasticine). The apparent viscosity, η, and the stress exponent, n, for the layer at a strain rate ė = ca. 10 high -3 s high -1 and a finite strain e = 10% are 2.23 x 10 high 7 Pa s and n = 5.8 and for the matrix 7.2 x 10 high 6 Pa s and 7.9. Our results suggest a considerable influence of the initial thickness of the stiff layer on the geometry of the deformed stiff layer. There is no evidence for folding in XY=XZ-sections if the initial thickness of the competent layer is larger than ca. 8 mm. If the initial thickness of the competent layer is set at ca. 10 ± 0.2 mm, both folds and boudins develop simultaneously. However, the growth rate of the boudins seems to be higher than the growth rate of the folds. A further expected, but characteristic, aspect of the deformed competent layer is no change in thickness of the competent layer, which can be used to distinguish plane-strain folds and boudins from constrictional folds and boudins. The model results are important for the analysis and interpretation of deformation structures in rheologically stratified rocks undergoing dislocation creep under bulk constriction. Tectonic settings where constrictional folds and boudins may develop simultaneously are stems of salt diapirs, subduction zones or thermal plumes. To make (paleo) viscosimetric statements possible, the rheological data of the different plasticine types were related to the geometrical data. When comparing the normalized dominant wavelength Wd obtained from the deformed layer of the models with the theoretical dominant wavelength (Ld) calculated using the Smith equation (1977, 1979), the latter probably also holds when folding and boudinage develop simultaneously (S ┴ Y) and when boudins develop independently (S ┴ Z), but can obviously not be applied at very low viscosity ratios as is indicated by the low-strain-rate experiments.
Bayesian Networks are computer-based environmental models that are frequently used to support decision-making under uncertainty. Under data scarce conditions, Bayesian Networks can be developed, parameterized, and run based on expert knowledge only. However, the efficiency of expert-based Bayesian Network modeling is limited by the difficulty in deriving model inputs in the time available during expert workshops. This thesis therefore aimed at developing a simple and robust method for deriving conditional probability tables from expert estimates in a time-efficient way. The design and application of this new elicitation and conversion method is demonstrated using a case study in Xinjiang, Northwest China. The key characteristics of this method are its time-efficiency and the approach to use different conversion tables based on varying levels of confidence. Although the method has its limitations, e.g. it can only be applied for variables with one conditioning variable; it provides the opportunity to support the parameterization of Bayesian Networks which would otherwise remain half-finished due to time constraints. In addition, a case study in the Murray-Darling Basin, Australia, is used to compare Bayesian Network types and software to improve the presentation clarity of large Bayesian Networks. Both case studies aimed at gaining insights on how to improve the applicability of Bayesian Networks to support environmental management.
Als Voraussetzung für die experimentellen Arbeiten wurde am Mineralogischen Institut in Frankfurt eine Hochdruckpresse mit einer Multi-Anvil-Apparatur vom Walker-Typ aufgebaut und kalibriert. Diese Arbeiten nahmen einen beträchtlichen Teil der Promotionszeit ein. In einer Reihe von Hochdruck-Experimenten wurde dann die maximale Löslichkeit von Aluminium und den Seltenerd-Elementen Lanthan, Gadolinium und Lutetium in den Phasen des CaSiO3-Systems im Druckbereich zwischen 2.0 und 13.0 GPa untersucht. Unsere Experimente ergaben eine Zunahme der maximalen Löslichkeit mit steigendem Druck, von Wollastonit über Ca-Walstromit, Larnit + Si-Titanit bis Ca-Perowskit. Ca-Perowskit zeigt extrem hohe SEE-Konzentrationen mit einem Maximum bei den mittleren SEE. In den anderen Phasen nimmt die Löslichkeit mit zunehmender Kompatibilität der SEE zu. Innerhalb der Stabilitätsfelder zeigte sich keine signifikante Druck- oder Temperatur-Abhängigkeit der maximalen Löslichkeit. Anhand der Mikrosonden-Analysen konnte gezeigt werden, dass der Einbau von Al und SEE in Ca-Walstromit nicht über eine gekoppelte Substitution erfolgt, sondern wahrscheinlich über eine Defektstruktur. Dies deckt sich mit unseren TEM-Untersuchungen an diesen synthetischen Produkten, die eine hohe Dichte an planaren Baufehlern mit leicht erhöhten SEE-Konzentrationen ergaben. In allen Ca-Silikat-Phasen lag die maximale Löslichkeit der Seltenen Erden höher als die Konzentration in natürlichen Proben. Damit steht fest, dass die in Einschlüssen gemessenen SEE-Gehalte „primär“ sind und sich nicht durch etwaige Entmischungen im Zuge einer Anpassung der Kristallstruktur an die veränderten P,T-Bedingungen verändert haben. Entmischungen in Form einer SEE-reichen Phase würden eine an LSEE extrem angereicherte Quelle voraussetzen. Ein Vergleich unserer Subsolidus-Experimente mit CaSiO3-Einschlüssen in Diamanten aus Guinea zeigt, dass einige mit bis zu 0.13 Gew.% Al2O3 an Aluminium gesättigt sind. Diese Tatsache ist besonders interessant bei der Interpretation Alhaltiger Einschlussphasen. Neben absoluten Spurenelement-Konzentrationen sind Verteilungskoeffizienten äußerst wertvolle Hilfsmittel bei der Bewertung natürlicher Proben. Die in der Literatur bestehenden Datensätze wurden mit unseren Kristall/Schmelz-Verteilungskoeffizienten bzw. Verteilungskoeffizienten zwischen Ca-Silikatphasen erweitert. Verteilungskoeffizienten der Seltenerd-Elemente zwischen Ca-Walstromit und Karbonat sind um eine Größenordnung höher als Ca-Walstromit/Schmelz-Verteilungskoeffizienten und zeigen eine größere Steigung zwischen den MSEE und den SSEE (Lu/Gd). Die Seltenen Erden verhalten sich sowohl in Larnit als auch in Si-Titanit inkompatibel, wobei DX/L La für Larnit etwa 0.1 und für CaSi2O5 etwa 0.002 ist, d.h. auch, dass die LSEE im Vergleich zu Si-Titanit bevorzugt in Larnit eingebaut werden. Al verhält sich in Si-Titanit Zusammenfassung 147 kompatibel (DX/LAl=4) und in Larnit leicht inkompatibel. Diese Ergebnisse decken sich mit Analysen an natürlichen Proben. Die SEE-Verteilungskoeffizienten zwischen Ca-Perowskit und Schmelze liegen mit Ausnahme von La über eins und zeigen in Übereinstimmung mit Literaturdaten ein Maximum bei Gd. Für Granat konnte gezeigt werden, dass der Einbau der SEE und Si in MgO-haltigen Kristallen in Abhängigkeit von Druck und Startzusammensetzung über eine Ca SEE2 Mg2 Si3O12- Komponente bzw. über eine Ca3 MgSi Si3O12-Komponente mit 6-fach koordiniertem Silizium erfolgt. In zahlreichen Experimenten kristallisierte eine neue Ca-SEE-Silikat-Phase mit Feldspat-Stöchiometrie. Dabei handelt es sich offenbar um ein Mischkristallsystem mit einem Endglied, in das vorwiegend die leichten SEE eingebaut werden und in einem zweiten mit vorwiegend schweren SEE. Ab einem Druck von etwa 10.0 GPa trennt ein Solvus die beiden Endglieder voneinander. In der Literatur ist bisher nur ein CaLa2Si2O8-Endglied beschrieben worden. In einigen Experimenten mit P und Li wurde zusätzlich untersucht, ob diese Elemente zur Rekonstruktion der Bildungsbedingungen von Diamanten verwendet werden können. Dabei zeigte sich, dass die max. Löslichkeit von Li in CaSiO3 näher an den natürlichen Probenzusammensetzungen liegt und damit möglicherweise Potential für die Rekonstruktion von Bildungsbedingungen hat. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde die Kinetik retrograder Reaktionen im CaSiO3-System untersucht. Die für die In-Situ-Experimente mit Synchrotron-Strahlung notwendigen Versuchsaufbauten wurden von uns entwickelt und die entsprechenden Entwicklungsschritte und technischen Probleme ausführlich beschrieben. Anhand von Entlastungsexperimenten wurden die Disproportionierung von Ca-Perowskit zu Larnit + Si-Titanit und die Rekombination zu Ca-Walstromit bei unterschiedlichen Temperaturen und unter dem Einfluss von Wasser untersucht. Aufgrund der wenigen verwertbaren Daten, die uns vorliegen, konnten zwar keine Aktivierungsenergien berechnet werden, es sind aber aufgrund unser Beobachtungen folgende Feststellungen zu treffen: Die Reaktion von Ca-Perowskit zu Larnit + Si-Titanit erfolgt bei gleicher Temperatur offenbar um Größenordnungen schneller als die sich bei niedrigen Drucken anschließende Rekombination zu Ca-Walstromit. Dies deckt sich mit Beobachtungen an natürlichen Proben, bei denen Larnit und Si-Titanit teilweise unvollständig zu Ca-Walstromit reagierten. Dadurch erscheint es eher unwahrscheinlich, dass amorphes CaSiO3 in Diamanten ein direktes Umwandlungsprodukt von Ca-Perowskit ist. Aber auch für die in der Literatur beschriebene Amorphisierung von Ca-Walstromit-Einschlüssen (Stachel 2000) noch innerhalb des umgebenden Diamanten ließ sich durch unsere In-Situ-Entlastungsexperimente nicht stützen. Eine Amorphisierung von Ca-Walstromit beobachteten wir nur bei einer Untersuchung am TEM, wo die Phase sehr instabil war und selbst in einem Kryohalter rasch unter dem Einfluss der Elektronenstrahls amorphisierte. Die Beugungs-Spektren, die nach einer Druckentlastung im Ca-Walstromit-Stabilitätsfeld aufgenommen wurden, unterschieden sich trotz der CaSiO3-Chemie der neu gebildeten Phase deutlich von unseren Ca-Walstromit-Referenz-Spektren, so dass die Umwandlung möglicherweise über eine metastabile Zwischenstufe erfolgt. Vor dem Hintergrund von unterschiedlichen, in der Literatur beschriebenen Strukturtypen von Ca-Walstromit wäre eine systematische Untersuchung der Struktur innerhalb des gesamten Stabilitätsfeldes wichtig.
The thesis is devoted to the study of the Antarctic polar vortex, mainly by analyzing data collected during APE-GAIA (1999) and ASHOE (1994) campaigns and recorded by the ADEOS satellite (1996-1997), and to improvement of the chromato-graphic processing schemes. A general introduction and overview of the campaigns and instruments relevant to the present work are given in Chapters 1 and 2. A relatively large part of the thesis (Chapters 3-5) is on improvement of the analysis of raw chromatographic data recorded during in-flight measurements of the trace gases. A Gaussian non-straight-base-line method, i.e. the Gaussian processing scheme (Chapter 3), is developed for better evaluation of the chromatographic peak size. Furthermore, a statistical cross-correlation method (Chapter 5) based on statistical behaviour of the whole chromatogram series fNchrg recorded, e.g., during a research flight or laboratory calibration, is developed and applied to measure the low-concentration trace gases. As demonstrated for HAGAR's chromatograms (HAGAR - High Altitude Gas Analyzer), the combination of the Gaussian fitting scheme for individual chromatograms and the statistical cross-correlation method for a series of subsequent chromatograms considerably improves and stabilizes quantitative analysis of in-flight chromatographic data. In this case, the detection accuracy of weak and noisy chromatographic signals can be improved by up to 40 %. A particular attention is paid to the in-flight two-standard calibration method. For this method, a special procedure, that allows to evaluate and effectively remove a weak background chromatographic signal associated with residual molecules in the carrier gas N2, is proposed and coded (Chapter 4). The developed approaches and methods are completely automized and, therefore, can be used for processing of in-flight chromatograms of recent and future field campaigns. The main part of the thesis (Chapters 6-8) deals with a two-dimensional quasi-Lagrangian coordinate system ... , based on a long-lived stratospheric trace gas i, and its systematic use for i = N2O in order to describe the structure of a well-developed Antarctic polar vortex, linearization and compactization of the tracer-tracer correlations in the polar vortex core (i.e. the stratospheric dynamics in this area), and the differential ozone losses in the Antarctic polar vortex area. In the coordinate system ... (...-method, Chapter 6), which refers to a well-developed polar vortex, the mixing ratio Âi is the vertical coordinate and ... = .... i is the reference profile in the vortex core) is the meridional coordinate. The quasi-Lagrangian coordinates ... are much more long-lived comparing with the standard quasi-isentropic coordinates, potential temperature ... and equivalent latitude ..e, do not require explicit reference to geographic space, and therefore well-suited for studying the dynamics of the Antarctic polar vortex and the relevant ozone loss processes. By using the introduced coordinate system ... to analyze the well-developed Antarctic vortex investigated in the APE-GAIA campaign, it is shown, in concurrence with the conclusion of A. M. Lee et al. (2001), that the Antarctic vortex area can be described in terms of the well-mixed and well-isolated vortex core, relatively wide vortex boundary region and adjoining surf zone. In this case, the reference profile ... i , which is compact in a well-developed and isolated polar vortex core [J. B. Greenblatt et al. (2002)], can be found by combining airborne (and/or balloon) data with high-altitude satellite measurements. A criterion, which uses the local in-situ measurements of Âi = Âi(£) and attributes the inner vortex edge to a rapid change (±-step) in the meridional pro¯le of the mixing ratio..., is developed in Chapter 6 to determine the (Antarctic) inner vortex edge. In turn, the outer vortex edge of a well-developed Antarctic vortex is proposed to attribute to the position of a local maximum of ...H2O in the polar vortex area. For a well-developed Antarctic vortex, the ...-parametrization of tracer-tracer correlations allows to distinguish the tracer-tracer inter-relationships in the vortex core, vortex boundary region and surf zone (Chapter 7). This is clearly illustrated by analyzing the tracer-tracer relationships Âi ¡ ÂN2O obtained from the in-situ data of the APE-GAIA campaign for i = CFCl3 (CFC-11), CF2Cl2 (CFC-12), CBrClF2 (H-1211) and SF6. The solitary anomalous points in the ...CFC11 ¡ ÂN2O correlation, observed in the Antarctic vortex core during the APE-GAIA and ASHOE campaigns, are interpreted in terms of small-scale localized differential descent. As detailed in Chapter 8, the quasi-Lagrangian coordinate system fÂN2O; ¢ÂN2Og is an effective tool for evaluation of the differential ozone losses in the polar vortex area. With this purpose, a two-parametric reference function ...O3 = F(...), which characterizes the unperturbed O3 distribution in the early winter polar vortex area, is introduced to separate and quantify in terms of the meridional coordinate ...2O the differential ozone losses in the vortex core and vortex boundary region. The method is applied to analyze the ozone depletion in the Antarctic stratosphere during the austral spring 1999 (APE-GAIA campaign). In Chapter 9, the main results of the thesis are summarized.
Water is scarce in semi-arid and arid regions. Using alternative water sources (i.e. non-conventional water sources), such as municipal reuse water and harvested rain, contributes to using existing water resources more efficiently and productively. The aim of this study is to evaluate the two alternative water sources reuse water and harvested rain for the irrigation of small-holder agriculture from a system perspective. This helps decision and policy makers to have proper information about which system and technology to adopt under local conditions. For this, the evaluation included ecologic, societal, economic, institutional and political as well as technical aspects. For the evaluation, the study area in central-northern Namibia was chosen in the frame of the research and development project CuveWaters. The main methods used include a mathematical material flow analysis, the computation and modelling of crop requirements, a multi-criteria decision analysis using the Analytical Hierarchy Process (AHP) method and a financial cost-benefit analysis. From a systemic perspective, the proposed novel systems were compared to the exciting conventional infrastructure. The results showed that both water reuse and rainwater harvesting systems for the irrigation of small-holder horticulture offer numerous technological, ecologic, economic, societal, institutional and political benefits. Rainwater harvesting based gardens have a positive benefit-cost ratio under favorable conditions. Government programs could fund the infrastructure investment costs, while the micro-entrepreneur can assume a micro-credit to finance operation and maintenance costs. Installing sanitation in informal settlements and reusing municipal water for irrigation reduces the overall water demand of households and agriculture by 39%, compared to improving sanitation facilities in informal settlements without reusing the water for agriculture. Given that water is the limiting factor for crop fertigation, the generated nutrient-rich reuse water is sufficient to annually irrigate about 10 m2 to 13 m2 per sanitation user. Compared to crop nutrient requirements, there are too many nutrients in the reuse water. Thus when using nutrient-rich reuse water, no use of fertilizers and a careful salt management is necessary. When comparing this novel system with improved sanitation, advanced wastewater treatment and nutrient-rich water reuse to the conventional and to two adapted systems, results showed that the novel CuveWaters system is the best option for the given context in a semi-arid developing country. Therefore, the results of this study suggest a further roll-out of the novel CuveWaters system. The methodology developed and the results of this study demonstrated that taking sanitation users into consideration plays a major role for the planning of an integrated water reuse infrastructure because they are the determinant factor for the amount of available nutrient-rich reuse water. In addition, it could be shown that water reuse and rainwater harvesting systems for the irrigation of small-scale gardens provide a wide range of benefits and can be key to using scarce water resources more efficiently and to contributing to the Sustainable Development Goals.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zunächst ein Vorschlag für eine Direktive zur Anwendung von Monitored Natural Attenuation (MNA) an Grundwasserschadensfällen durch Mineralölprodukte unter Berücksichtigung der in Deutschland geltenden Vorgaben für eine konkrete technische Durchführung erarbeitet. Das darin enthaltene Untersuchungs- und Auswertungsprogramm zum Nachweis von Natural Attenuation (NA) berücksichtigt die gesetzlichen Regelungen des Bundes-Bodenschutzgesetzes (BBodSchG) und der BundesBodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV). Das entwickelte Untersuchungs- und Auswertungsprogramm wurde in einem weiteren Schritt an einer laufenden MNA-Maßnahme aus der Praxis überprüft. Hierfür wurde ein Kerosin-kontaminierter Teilbereich am Standort des ehemaligen Militärflughafens Wegberg-Wildenrath in Nordrhein-Westfalen ausgewählt. Im Grundwasser liegt eine Kontamination überwiegend aus aromatischen Kohlenwasserstoffen (BTEX und weitere alkylierte Aromaten) sowie MKW (H18) vor. Anhand des Praxisbeispiels wurde die generelle Verwendbarkeit von bereits im Rahmen der bisherigen Altlastenbearbeitung erhobenen Daten im Sinne des erarbeiteten Untersuchungsprogramms aufgezeigt. Hydrogeologische Untersuchungen belegten eine Abhängigkeit der Konzentration von Schadstoffen im Wasser von einem bis zu /- 1,7 m schwankenden Grundwasserstand, wodurch ein instationäres Fahnenverhalten vorlag. Aufbauend auf den Erkenntnissen der hydrogeologischen Erkundung und der Auswertung von hydrochemischen Daten wurden für den Standort zwei sich ergänzende konzeptionelle Modellvorstellungen (ein hydrochemisches Modell sowie ein hydrodynamisches Modell) bezüglich der Prozesse, die das Fahnenverhalten steuern, entwickelt. Beim hydrochemischen Modell erfolgt durch schwankende Grundwasserstände ein Recycling der Elektronenakzeptoren S042- und Fe3 für den Schadstoffabbau im herdnahen Bereich. Bei hohem Grundwasserstand werden reduzierte Eisenspezies als unlösliche Eisenmonosulfide ausgefällt. Bei niedrigem Grundwasserstand werden diese Eisenmonosulfide in Folge von Belüftung zu löslichen Fe3 /SO42-haltigen Mischkristallen oxidiert. Bei einem erneuten Anstieg des Grundwassers steht dieser Elektronenakzeptorpool für einen weiteren Schadstoffabbau zur Verfügung, was wiederum zur Ausfällung der reduzierten Eisenspezies führt. Beim hydrodynamischen Modell werden die beobachteten Konzentrationsänderungen im Grundwasser hauptsächlich durch Schadstoff-Phasenübergänge und der Größe der dabei zur Verfügung stehenden Grenzflächen hervorgerufen. Der Austausch von Schadstoffen aus der NAPL (non-aqueous phase liquids)-Phase in die Bodenluft bei niedrigen Grundwasserständen ist erheblich größer im Vergleich zum Austausch der NAPL-Phase in die (Grund)wasserphase bei hohen Grundwasserständen. Daraus resultieren höhere Schadstoffgehalte im Schadenszentrum bei niedrigen Grundwasserständen und geringere Gehalte bei hohen Grundwasserständen. Eine wichtige Erkenntnis dieser Arbeit war die Herausarbeitung der Art des Einflusses schwankender Grundwasserstände auf die Fahnendynamik. Anhand der Untersuchung auf aromatische Säuren (Metabolite), die im (my)g/l-Bereich nachzuweisen waren, konnte der direkte Beweis für einen aktiven Bioabbau am Standort erbracht werden. Durch einen Vergleich des Aromatenspektrums mit dem vorgefundenen Metabolitenspektrum wurden Aussagen zum Abbauverhalten von einzelnen aromatischen Schadstoffgruppen ermöglicht. Die Abbauprognose ist aufgrund des instationären Fahnenverhaltens mit größeren Unsicherheiten behaftet. Attenuations- bzw. Abbauraten zwischen 0,0003 * 1/d und 0,001 * 1/d wurden anhand von zwei unterschiedlichen Verfahren ermittelt.
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.
Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum besseren Verständnis des stratosphärischen Transports. Dieser ist ein wichtiger Parameter im komplexen gekoppelten System der Stratosphäre, das neben dem Transport vor allem von Chemie und Strahlungshaushalt geprägt wird. Neben verschiedenen Modelliertechniken bietet die Messung langlebiger Spurengase das effektivste Werkzeug für Untersuchungen von stratosphärischen Transportprozessen. Daher wurde am Institut für Meteorologie und Geophysik an der Universität Frankfurt ein Instrument zur in-situ-Messung von Spurengasen entwickelt, das sowohl an Stratosphärenballonen als auch auf dem russischen Höhenforschungsflugzeug M-55 "Geophysica" Echtzeitmessungen von Spurengasmischungsverhältnissen durchführen kann. Der "High Altitude Gas Analy- ser" (HAGAR) ist in der Lage, mit einem Zwei-Kanal-Gaschromatographen die Mischungsverhältnisse von N 2 O, F12, F11 und Halon-1211 mit einer Zeitauflösung von 90 s und das von SF 6 alle 45 s zu bestimmen. Ein an die speziellen Gegebenheiten von Stratosphärenmessungen angepasster CO 2 -Sensor der Firma LI-COR erreicht eine Zeitauflösung von ca. 10 s. Im Rahmen dieser Arbeit wurden entscheidende Beiträge zur Entwicklung von HAGAR geleistet. Für die Steuerung des Instruments auf Basis eines Industrie-PCs wurde ein umfangreiches Softwarepaket entwickelt, das die zuverlässige vollautomatische Steuerung des Instruments, sowie eine komfortable Konfigurationsmöglichkeit bietet. Nach einem ersten Ballontestflug am 13.5.1998 wurde das Instrument vollständig neu aufgebaut, um einen Sensor zur Messung von CO 2 zu integrieren. Des Weiteren wurden eine Reihe von Verbesserungen und Anpassungen durchgeführt, die für den Betrieb an Bord der Geophysica notwendig waren. Im Zeitraum von Dezember 1998 bis Oktober 1999 nahm HAGAR an drei Messkampagnen teil. Im Rahmen von APE-ETC ("Airborne Platform for Earth Observation - Extensive Test Campaign") wurde das Instrument erstmals an Bord der Geophysica montiert und eingesetzt. Trotz einer Reihe von kleineren Schwierigkeiten erwies sich das HAGAR-Konzept als gut ge- eignet für den Einsatz an Bord eines Höhenforschungsflugzeugs. So konnten zumindest während drei von sechs Testflügen Daten aufgezeichnet werden. Im Februar/März 1999 war HAGAR Teil der Geophysica-Nutzlast während der Messkampagne APE-THESEO ("Airborne Platform for Earth Observation - The Contribution to the Third European Stratospheric Experiment on Ozone"), die Mahè/Seychellen als Basis nutzte. HAGAR konnte hier während ca. 30 Flugstunden Daten aufnehmen. Dabei konnte ein umfangreicher Datensatz vor allem im Bereich der tropischen Tropopausenregion gewonnen werden. Die Tropen sind von besonderer Bedeutung für den stratosphärischen Transport, unter anderem da hier der Haupteintrag von troposphärischer Luft in die Stratosphäre stattfindet. Der Untersuchung des antarktischen Polarwirbels in der Phase des maximalen Ozonabbaus war die Messkampagne APE-GAIA ("Airborne Polar Experiment - Geophysica Aircraft in Antarctica") gewidmet, die im September und Oktober in Ushuaia/Argentinien stattfand. Als südlichste Stadt der Erde bietet Ushuaia die beste geographische Lage, um den stratosphärischen Polarwirbel mittels Flugzeugmessungen zu untersuchen. HAGAR arbeitete zuverlässig während aller wissenschaftlichen Flüge und einem Testflug in Ushuaia. Zusätzlich konnte während sechs Transferflugetappen zwischen Sevilla und Ushuaia zumindest für einen Teil der Substanzen Daten aufgezeichnet werden. Insgesamt liegen für etwa 60 Flugstunden Daten vor, darunter auch erstmals ein hochaufgelöstes Vertikalprofil im Polarwirbel, dass von über 20 km Höhe bis hinunter zur Tropopausenregion reicht. Für ein neu entwickeltes Messinstrument wie HAGAR ist eine Validierung der Daten sehr wichtig. Da eine direkte Validierung durch parallele Messungen nicht möglich war, musste auf ältere, vergleichbare Datensätze zurückgegriffen werden, die anhand des troposphärischen Trends korrigiert wurden. Als Vergleich dienten Datensätze der in-situ-Gaschromatographen GhOST und ACATS, der kryogenen Luftprobensammler und des CO 2 -Instrumentes der Harvard University. Dabei zeigte sich stets eine gute bis sehr gute quantitative Übereinstimmung der Daten. Auch die Präzision der Messungen, die bereits endgültig ausgewertet wurden, sind sehr zufriedenstellend und zumindest vergleichbar mit denen von "etablierten" Instrumenten. So war die Präzision für N 2 O, F12 und F11 zumeist deutlich besser als 1 %. Für CO 2 konnte die Präzision für APE-GAIA auf 0,15 ppm bzw. 0,05 % verbessert werden. Die Präzision der vorläufigen Daten von Halon-1211 und SF 6 beträgt bisher etwa 5 %. Der im Jahre 1999 von HAGAR aufgenommene Datensatz bietet umfangreiche Möglichkeiten zur wissenschaftlichen Analyse. Nur exemplarisch sind daher die Punkte zu sehen, die in dieser Arbeit diskutiert werden. Das mittlere Alter der Luft kann als die Zeit beschrieben werden, die die Bestandteile eines Luftpakets im Mittel benötigten, um von der tropischen Tropopausenregion an seine aktuelle Position in der Stratosphäre zu gelangen. Zur Bestimmung des mittleren Alters der Luft werden Messungen von Spurengasen verwendet, die in der Stratosphäre konservativ sind und deren troposphärisches Hintergrundmischungsverhältnis einen zeitlich linear ansteigenden Trend aufweist ("Alterstracer"). HAGAR ist in der Lage, die Mischungsverhältnisse der beiden gebräuchlichsten Alterstracer CO 2 und SF 6 zu messen. Das Alterskonzept bietet eine einfach zu bestimmende Kenngröße für den stratosphärischen Transport, die im Gegensatz zu Mischungsverhältnissen direkt mit Messungen, die zu anderen Zeitpunkten gewonnen wurden, vergleichbar ist. Es konnte gezeigt werden, dass die erreichbare Genauigkeit der Altersbestimmung nicht von der Messgenauigkeit von CO 2 und SF 6 limitiert ist, sondern von der Abweichung der troposphärischen Trends vom (zeitlich linear ansteigenden) Ideal. Insbesondere im Fall von CO 2 wird dies deutlich, wobei die von HAGAR erreichte Messgenauigkeit für eine maximale Unsicherheit in der Altersbestimmung von ca. zwei Monaten ausreichen würde. Neben den saisonalen Schwankungen, die in mittleren Breiten ab ca. 16 km Höhe keine Rolle mehr spielen, sorgen vor allem die jährlichen Schwankungen dafür, dass die Altersbestimmung mit CO 2 momentan kaum besser als mit einem Fehler von etwa 0,7 Jahren durchgeführt werden kann. In den Tropen kann die Messung des CO 2 -Mischungsverhältnisses nicht direkt zur Altersbestimmung herangezogen werden. Durch die starke Vertikalbewegung in den Tropen kann das saisonale CO 2 -Signal im Vertikalprofil beobachtet werden. HAGAR konnte solche Profile während zweier Jahreszeiten (Februar/März bzw. Mitte September) aufzeichnen. Die Tropen sind in der Stratosphäre durch sogenannte Mischbarrieren für den horizontalen Transport gegenüber den mittleren Breiten abgegrenzt. Dies zeigt sich unter anderem in veränderten Tracer-Tracer-Korrelationen. Gealterte Luft aus den mittleren Breiten, die groÿteils bereits einmal die groÿräumige Brewer-Dobson-Zirkulation durchlaufen hat, wird jedoch zu einem geringen Maße erneut in den Bereich der tropischen Aufwärtsströmung eingemischt. Für die Gesamtverweilzeit von langlebigen Spurengasen in der Stratosphäre ist diese Einmischung von besonderer Bedeutung. Während nahezu aller Flüge von APE-THESEO (1° N - 19° S) ergaben die HAGAR- Daten eine kompakte F11-N 2 O-Korrelation; beim letzten Flug, der nur bis 15° S führte, ergaben sich jedoch Datenpunkte, die eher zu einer Korrelation passen, die aus mittleren Breiten bekannt ist. Es ist noch im Detail zu klären, ob hier möglicherweise direkt ein Einmischungsereignis beobachtet wurde. Auch der Polarwirbel ist im Winter von einer effektiven Transportbarriere umgeben. Hier ist eine wichtige Frage, inwieweit Luft aus dem Wirbel in die mittleren Breiten vordringen und dort die chemische Zusammensetzung der Stratosphäre verändern kann. Dieser Luftmassenaustausch findet häufig in Form von sogenannten Filamenten statt, Luftmassen also, die vom Wirbel abgetrennt wurden und sich nun immer länger gezogen vom Wirbelrand wegbewegen. Hochaufgelöste Tracermessungen, wie sie mit HAGAR durch- geführt werden, stellen eine ideales Werkzeug zur Untersuchung und Charakterisierung solcher Abläufe dar. So konnten zahlreiche Strukturen innerhalb und außerhalb des Wirbels untersucht werden, deren Tracermischungsverhältnis darauf hinwies, dass sie jeweils von der anderen Seite des Wirbelrandes stammten. Dabei konnten keine signifikanten Strukturen beobachtet werden, die eine geringere horizontale Ausdehnung als 50 km hatten. Mit dem Ende der vorliegenden Arbeit ist weder die Entwicklung des Instrumentes noch die Interpretation des 1999 gewonnenen Datensatzes abgeschlossen. So ist neben einer neuen Datenerfassung für Temperaturen auch eine Erweiterung von Kanal 1 des Gaschromatographen in Planung. Neben SF 6 soll in Zukunft auch noch CH 4 mit einer Zeitauflösung von etwa 90 s gemessen werden. Zudem soll mit einer verbesserten Druckregelung für den Kessel die Präzision insbesondere der CO 2 -Messungen optimiert werden. Die Präzision der Daten von Halon-1211 sowie SF 6 sind mit 5 % bisher nicht zufriedenstellend. Grund hierfür ist letzlich die Tatsache, dass das Signal-Rausch-Verhältnis für diese beiden Substanzen aufgrund ihrer geringen Mischungsverhältnisse von nur einigen ppt in der Stratosphäre sehr schlecht ist. Aus diesem Grunde wurde eine neue Auswertemethode entwickelt und innerhalb des Softwarepakets zur Datenauswertung (NOAH-Chrom) realisiert. Bei dieser Methode werden die Peaks durch Gauß-Funktionen angenähert. Erste Tests verliefen vielversprechend, zeigen jedoch, dass der Einsatz der Methode noch eine Menge Detailarbeit erfordert. Aus diesem Grunde steht eine vollständige Auswertung des HAGAR-Datensatzes für diese beide Substanzen noch aus; die Methodik ist jedoch im Anhang erläutert. Die in dieser Arbeit dargestellten Analysen sollten als Wegweiser für weitere Untersuchungen und Diskussionen dienen können. So wird insbesondere die Diskussion um die Altersbestimmung wieder aufgenommen werden müssen, wenn sowohl endgültige SF 6 -Daten von HAGAR als auch neue Daten über den aktuellen troposphärischen Trend von SF 6 aus dem NOAA/CMDL- Netzwerk vorliegen. Einen weiteren Schwerpunkt wird die Untersuchung der Mischung über den Rand des Polarwirbels hinweg bilden, wobei sich insbesondere die Frage nach der Höhenabhängigkeit der Mischung stellt. Hier sind insbesondere auch Modellstudien möglich, denen mit den HAGAR-Daten eine weit präzisere und vor allem höher aufgelöste Eingangsdatenbasis zur Verfügung steht, als sie etwa aus Satellitendaten gewonnen werden kann. Von besonderem Interesse ist dabei ein Phänomen, das in den HAGAR-Daten, aber auch bereits in einem Datensatz der ER-2 von 1994 zu beobachten ist: So weicht die F11-N 2 O-Korrelation im Bereich des Polarwirbels für F11-Mischungsverhältnisse zwischen 40 ppb und 170 ppb nach unten von der normalen, aus mittleren Breiten bekannten Korrelation ab (vgl. Abbildung 7.5 auf Seite 142). Dies ist möglicherweise auf noch nicht vollständig verstandene Mischungsprozesse zurückzuführen. In jedem Falle ist damit zu rechnen, dass der im Jahre 1999 von HA-GAR an Bord der Geophysica aufgezeichnete umfangreiche Datensatz weitere Schritte hin zu einem differenzierteren Verständnis des stratosphärischen Transportes einleiten wird.