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Ob Klimawandel oder Luftverschmutzung: Die chemischen und physikalischen Prozesse in der Atmosphäre haben wichtige Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und Ökosysteme. Dabei ist die Atmosphäre mehr als ein Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf, Helium und Kohlenstoffdioxid. Es gibt zahlreiche Spurengase, deren Gesamtanteil am Volumen weniger als 1 % ausmacht. In dieser Arbeit werden Stickstoffoxide, Schwefeldioxid, Kohlenstoffmonoxid und Schwefelsäure näher betrachtet, die im Rahmen der flugzeugbasierten Messkampagne Chemistry of the Atmosphere: field experiment in Europe (CAFE-EU)/BLUESKY gemessen wurden.
Die Stickstoffoxide NO und NO2, als NOx zusammengefasst, besitzen hauptsächlich anthropogene Quellen, allen voran fossile Verbrennung und industrielle Prozesse. Zwischen NO und NO2 besteht ein photochemisches Gleichgewicht, sodass in der Atmosphäre vor allem NO2 in relevanten Konzentrationen vorkommt; dies wirkt aufgrund der Bildung von Salpetersäure, HNO3, in wässriger Lösung beim Einatmen ätzend und ist entsprechend gesundheitsschädlich. Troposphärisches Ozon, O3, wesentlicher Bestandteil von Sommersmog, wird hauptsächlich durch die Reaktion von NO mit Peroxiden (HO2 und RO2) gebildet. In der Stratosphäre entstehen NOx hauptsächlich durch die Photodissoziation von Lachgas, N2O, das aufgrund seiner langen Lebenszeit von der Tropo- in die Stratosphäre transportiert werden kann und dort die wichtigste Stickstoffquelle darstellt. In der Stratosphäre tragen NOx zum katalytischen Abbaumechanismus des Ozons bei (Bliefert, 2002; Seinfeld and Pandis, 2016).
Schwefeldioxid, SO2, ist ein toxisches Gas, dessen atmosphärische Quellen hauptsächlich anthropogen sind, nämlich fossile Verbrennung und industrielle Prozesse; Senken sind trockene und feuchte Deposition, wobei letztere zu saurem Regen führen kann. Seit den 1980ern sinken die globalen SO2-Emissionen. SO2 kann in der Atmosphäre zu Sulfat und Schwefelsäure oxidiert werden, was Hauptbestandteil des Wintersmogs ist. Der wichtigste Mechanismus ist die Oxidation mit dem Hydroxylradikal, OH˙, unter Beteiligung von Wasserdampf. In der Stratosphäre ist Carbonylsulfid, OCS, die wichtigste Schwefelquelle, da es analog zum N2O dank seiner langen Lebenszeit von der Tropo- in die Stratosphäre transportiert werden kann (Bliefert, 2002; Seinfeld und Pandis, 2016). Typische Konzentrationen von Schwefelsäure sind 105 cm–3 nachts und 107 cm–3 tagsüber in der Troposphäre sowie 105 cm–3 tagsüber in der Stratosphäre (Clarke et al., 1999; Weber et al., 1999; Fiedler et al., 2005; Arnold, 2008; Kürten et al., 2016; Berresheim et al., 2000).
Kohlenstoffmonoxid, CO, ist ein toxisches Gas, das zu gleichen Teilen durch direkte Emissionen (v.a. Biomasseverbrennung und fossile Verbrennung) und In-situ-Oxidation (v.a. von Methan, Isopren und industriellen Kohlenwasserstoffen) in die Atmosphäre gelangt. Die Hauptsenke ist die Reaktion mit OH˙ in der Troposphäre. Seit 2000 sinkt die globale CO-Konzentration (Bliefert, 2002).
Doch neben Gasen sind auch Aerosolpartikel fester Bestandteil des Gemisches Luft, welche luftgetragene feste oder flüssige Teilchen sind. Primäre Aerosolpartikel werden direkt als solche in die Atmosphäre emittiert, während sekundäre Aerosolpartikel in der Atmosphäre gebildet werden, indem gasförmige Vorläufersubstanzen mit geringer Flüchtigkeit auf primären Partikeln kondensieren oder durch Zusammenclustern und Anwachsen komplett neue Partikel bilden. Aerosolpartikel ermöglichen als Wolkenkondensationskeime erst die Bildung von Wolken und wirken somit – neben ihrem direkten reflektierenden Effekt – durch Änderung der Wolkenbedeckung und -eigenschaften insgesamt kühlend aufs Klima und beeinflussen die lokalen und globalen Wasserkreisläufe. Doch sie haben auch negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und sind für eine Verkürzung der durchschnittlichen Lebensdauer in Regionen mit hohen Feinstaubbelastungen verantwortlich (Seinfeld und Pandis, 2016; Bellouin et al., 2020; World Health Organization, 2016).
Neben den bisher betrachteten neutralen, also ungeladenen Gasen und Partikeln sind Ionen in der Gasphase sowie geladene Partikel ebenfalls Bestandteil der Atmosphäre. Sie spielen bei vielen atmosphärischen Prozessen eine wichtige Rolle, wie etwa bei Gewittern, Radiowellenübertragung und ionen-induzierter Nukleation von Aerosolpartikeln. Die Hauptquellen für Ionisation in der Tropo- und Stratosphäre ist die galaktische kosmische Strahlung, die entgegen ihrem Namen hauptsächlich aus Protonen und α-Partikeln (primäre Partikel genannt) besteht und in der Erdatmosphäre durch Kollision mit Luftmolekülen Teilchenschauer von sekundären Partikeln (u.a. Myonen, Pionen und Neutrinos) hervorruft. Die primären und sekundären Partikel können die Luftmoleküle ionisieren unter Entstehung von N+, N2+, O+, O2+ und Elektronen. Sauerstoff reagiert rasch mit letzteren zu O– und O2–. Diese Kationen und Anionen reagieren weiter, bis Ionenclustern der Summenformeln (HNO3)n(H2O)mNO3– und H+(H2O)n(B)m gebildet werden, wobei B Basen wie Methanol, Aceton, Ammoniak oder Pyridin sind. Weitere Ionisationsquellen sind der Zerfall des Radioisotops 222Rn in Bodennähe und ionisierende Solarstrahlung oberhalb der Stratosphäre. Atmosphärische Ionen haben zwei wichtige Senken: die Wiedervereinigung, auch Rekombination genannt, bei der sich ein Kation und ein Anion gegenseitig neutralisieren sowie das Anhaften an Aerosolpartikeln. Letztere Senke ist vor allem in der Troposphäre aufgrund der relativ hohen Konzentration an Aerosolpartikeln relevant (Arnold, 2008; Viggiano und Arnold, 1995; Bazilevskaya et al., 2008; Hirsikko et al., 2011).
Atmospheric particles play an important role in the radiative balance of the Earth, as well as they affect human health and air quality. Hence, the chemical characterization constitutes a crucial task to determinate their properties, sources and fate. Particularly, the analysis of nanoparticles (d<100 nm) represents an analytical challenge, since these particles are abundant in number but have very little mass.
This accumulative thesis focuses on the chemical characterization of nanoparticles, performed in both laboratory and field studies. Here, I present four manuscripts, two of which are my main project as a lead author.
The first manuscript (Caudillo et al., 2021) focuses on the gas and the particle phase originated from biogenic precursor gases (α-pinene and isoprene). The experiments were performed in the CLOUD chamber at CERN to simulate pure biogenic new particle formation. Both gas and particle phases are measured with a nitrate CI-APi-TOF mass spectrometer, while the TD-DMA is coupled to it for particle-phase measurements, this setup allows a direct comparison as both measurements use the identical chemical ionization and detector. This study demonstrates the suitability of the TD-DMA for measuring newly formed nanoparticles and it confirms that isoprene suppresses new particle formation but contributes to the growth of newly formed particles.
The second manuscript (Caudillo et al., 2022) presents an intercomparison of four different techniques (including the TD-DMA) for measuring the chemical composition of SOA nanoparticles. The measurements were conducted in the CLOUD chamber. The intercomparison was done by contrasting the observed chemical composition, the calculated volatility, and the thermal desorption behavior (for the thermal desorption techniques). The methods generally agreed on the most important compounds that are found in the nanoparticles. However, they did see different parts of the organic spectrum. Potential explanations for these differences are suggested.
The third manuscript (Ungeheuer al., 2022) presents both laboratory and ambient measurements to investigate the ability of lubricant oil to form new particles. These new particles are an important source of ultrafine particles in the areas nearby large airports. The ambient measurements were performed downwind of Frankfurt International Airport, and it was found that the fraction of lubricant oil is largest in the smallest particles. In the laboratory, the main finding was that evaporated lubricant oil nucleates and forms new particles rapidly. The results suggest that nucleation of lubricant oil and subsequent particle growth can occur in the cooling exhaust plumes of aircraft-turbofans.
The fourth manuscript (Wang et al., 2022) is a new particle formation study in the CLOUD chamber at CERN. This study shows that nitric acid, sulfuric acid, and ammonia interact synergistically and rapidly form particles under upper free tropospheric conditions. These particles can grow by condensation (driven by the availability of ammonia) up to CCN sizes and INP particles. The ability of these particles to act as a CCN and INP was also investigated and it was found to be as efficient as for desert dust. This mechanism constitutes an important finding and it can account for previous observations of high concentrations of ammonia and ammonium nitrate over the Asia monsoon region.
As part of two drilling campaigns of the International Continental Scientific Drilling Program (ICDP), several geophysical borehole measurements were carried out by the Leibniz Institute for Applied Geophysics (LIAG) in two lakes. The acquired data was used to answer stratigraphic and paleoclimatic research questions, including the establishment of robust age-depth models and the construction of continuous lithological profiles.
Lake Towuti is located on Sulawesi (Indonesia), within the "Indo-Pacific Warm Pool" (IPWP), a globally important region for atmospheric heat and moisture budgets. The lake exists for approximately one million years, but its exact age is uncertain. We present the first agedepth model for the approximately 100 m continuous sediment sequence from the central part of the lake. The basis for this model is the magnetic susceptibility measured in the borehole and a tephra layer with an age of about 797 ka at 72 m depth. Our age-depth model is inferred from cyclostratigraphic analysis of borehole data and covers a period from 903 ± 11 to 131 ± 67 ka. We suggest that orbital eccentricity and/or changes between global cold and warm periods are responsible for hydroclimatic changes in the IPWP, that these changes affect sedimentation processes in Lake Towuti, and that we can measure and observe this effect in the sediment properties today. Additionally, we created a continuous artificial lithological profile from a series of different borehole data using cluster analysis. This provides information from parts of the borehole where no sediment is available due to core loss.
Lake Ohrid is 1.36 million years old and is located on the Balkan Peninsula on the border between Albania and North Macedonia. The primary hole 'DEEP' in the central part of the lake has been the subject of several investigations, but information about sediments of the marginal locations 'Pestani' and 'Cerava' have not been published yet. In our study, we use natural gamma radiation (GR) measured in the borehole to generate an age-depth model for DEEP. This is performed using the correlation of GR to the global LR04 reference record of Lisiecki and Raymo (2005).
The age information is then transferred via prominent seismic marker horizons to the other two sites, Pestani and Cerava, where it provides the first age-control points for the construction of age-depth models from correlation of GR to LR04. The generated age-depth models are tested using cyclostratigraphic methods, but the limits of this approach are revealed. At DEEP, sedimentation rates (SR) from the cyclostratigraphic method and the correlative approach differ by 2.8 %, at Pestani this difference is 16.7 %, and at Cerava the quality of the data does not allow a reliable evaluation of SR using the cyclostratigraphic approach. We used cluster analysis to construct artificial lithological profiles at all three sites and integrated them into the respective age-depth models. This enables us to determine which sediment types were deposited at what time, and we recognize the change between warm and cold periods in the sediment properties at all three locations. The analyses in this study were all performed on borehole and seismic data and thus do not involve sediment core data. Especially at Pestani and Cerava, new insights into the sedimentological history of Lake Ohrid could be obtained.
In the last part we discuss the occurrence of the half-precession (HP) signal in the European region during the last one million years. The focus is on Lake Ohrid, but a range of other proxies, from the eastern Mediterranean, across the European continent, up to Greenland are analyzed in regards to HP. Applying filters, we focus on the frequency range with a period of 13-8.5 ka and only HP remains in the records. We use correlative methods to determine the clarity of the HP signal in proxies distributed across the European realm. Additionally, we determined the development of HP over time. The HP signal is clearest in the southeast and decreases toward the north. It is further more pronounced in interglacial periods and in the younger part (<621 ka) of most proxies. We suggest that there are mechanisms that transmit the HP signal from its origin near the equator to higher latitudes via different processes. In this context, for instance, the African monsoon, the Nile River and the Mediterranean outflow via the Strait of Gibraltar can be important factors.
Carbon is an element that controls planetary habitability, and is fundamental for life on Earth. Its behaviour has important consequences for the global climate system, the origin and evolution of life on Earth. While the biosphere and atmosphere’s carbon cycle only accounts for less than 1% of the global carbon budget, hidden reservoirs of deep carbon in the Earth’s interior comprise the predominant storage of carbon on the planet. At the Earth’s surface, 60-70 % of carbon is hosted by carbonate minerals, which are then transported to the Earth’s interior, mainly in the form of sediments, by subduction of the oceanic lithosphere. Subducting plates are subjected to decarbonation, dehydration, and melting with CO2 release via supra-subduction volcanism. Nevertheless, part of the subducted carbonates’ may survive and be further transported to the deep mantle. Direct evidence of the existence of carbonates in the Earth’s interior, possibly reaching down to the lower mantle, comes from the finding of syngenetic inclusions of carbonates in diamonds and mantle xenoliths. The presence of carbonates in the deep Earth has a critical effect on the physical properties of the mantle. Melting and chemical speciation of the mantle are strongly affected by the form of C and carbonate stability. Therefore, the study of the stability and physical properties of carbonates at high pressures and temperatures is fundamental, because understanding the processes involved in the deep carbon cycle helps to improve our picture of the whole mantle.
The systematic characterization of the elastic properties of carbonates as a function of their structure and chemical composition is of great importance because it may allow to identify their presence and distribution by seismology. Inverting seismic observations to successfully constrain the chemical composition and mineralogy of the Earth’s interior requires knowledge of the physical properties of all possible Earth’s materials at pressures and temperatures applicable to the Earth’s interior. Up to now, a multitude of studies has focused on the construction of phase diagrams and structural transitions by means of X-ray diffraction and vibrational spectroscopy experiments.
Few studies are available on the complete elastic tensor of carbonates, however most of the datasets are not accompanied by an accurate characterization of the samples, which are often solid solutions and the exact chemical composition, density or the details about the experimental methods used are not presented. The aim of this thesis is to study the effect of chemical composition on the elastic properties of carbonates, providing a reliable dataset on the elasticity of the main carbonates. In particular, the elastic properties of crystalline aragonite, CaCO3, and Fe-dolomite, (Ca, Mg, Fe)(CO3)2, with different compositions were studied by Brillouin spectroscopy at ambient conditions. Brillouin spectroscopy was also used to investigate the elastic behaviour of amorphous calcium carbonate samples with different water contents (up to 18 wt%) at high pressures, up to 20 GPa.
Furthermore, the importance of cationic substitution on the structure and high pressure behaviour of carbonates was investigated by studying a synthetic CaCO3-SrCO3 solid solution at ambient conditions and at high pressures, up to 10 GPa, by single crystal X-ray diffraction. Finally, the study of the effect of composition on the elastic properties of families of isostructural solids was also extended to a different class of materials, the metal guanidinium formates. The elasticity of a family of perovskite metal organic frameworks, metal guanidinium formates C(NH2)3MII(HCOO)3, with MII =Mn, Zn, Cu, Co, Cd and Ca was investigated by combining Brillouin spectroscopy, resonant ultrasound spectroscopy, density functional theory and thermal diffuse scattering analysis.
The climate system is one of the classical examples of a complex dynamical system consisting of interacting sub-systems through mass, momentum, and energy exchange across various spatial and temporal scales. This thesis aims to detect and quantify sub-component interactions from an information exchange (IE) perspective. For this purpose, IE estimators derived from information theory are explored and applied to the available climate data obtained from observations, reanalysis, global and regional climate models. Specifically, this thesis investigates the usefulness of information theory methods for process-oriented climate model evaluation.
Firstly, methods derived from the concepts of information theory such as transfer entropy and information flow along with their linear and non-linear estimation techniques are initially tested and applied to idealized two-dimensional dynamical systems. The results revealed an expected direction and magnitude of IE providing insights into underlying dynamics. However, as expected the linear estimators are robust for linear systems but fail for non-linear systems. Though the non-linear estimators (kernel and kraskov) showed expected results for all the idealized systems, their free tuning parameters are to be tested for consistent results. Moreover, these methods are sensitive to the available time series length.
A real world example case study involving the dynamics between the Indian and Pacific oceans revealed a physically consistent bi-directional IE. However, unexpected IE was detected in the example of North Atlantic and European air temperatures indicating hidden drivers. Though IE provides insights into system dynamics, the availability of time series length and the system at hand must be carefully taken into account before inferring any possible interpretations of the results.
Quantifying the IE from El-Ni\~{n}o southern oscillation (ENSO) and Indian Ocean Dipole (IOD) to the Indian Summer Monsoon Rainfall (ISMR) with the observational and reanalysis data sets revealed that both ENSO and IOD are synergistic predictors for the inter-annual variability of the ISMR over central India i.e., the monsoon core region. Though the investigated three Global Climate Models (GCM) could not reveal the underlying IE dynamics of ENSO, IOD, and ISMR, a Regional Climate Model (RCM) simulation downscaling one of the GCMs with realistic large scale signals across the lateral boundaries showed good agreement with the observations.
Evaluating a coupled regional climate modeling system driven by two different global data sets with IE estimators revealed significant differences between the process chains linking the north-west Mediterranean sea surface temperatures, evaporation, wind speed, and the Vb-cyclone induced precipitation over Danube, Odra, and Elbe catchments in the historical period (1951-2005). Detailed investigation revealed that the north-west Mediterranean Sea in the coupled regional simulation driven by ERA-20C reanalysis corresponded to the Vb-cyclone precipitation over the three catchments while no such correspondence is noted in the EC-EARTH driven simulation. This discrepancy is attributed to the inheritance of the simulation biases from GCM into the RCM. In the future period (1965-2099), no significant changes in the processes are noted from the simulation.
Overall, this thesis used IE estimators in investigating the underlying dynamics of climate system and climate models. The estimators proved useful in providing insights into climate system dynamics assisting in a process based climate model evaluation.
Eisbildende Prozesse sind für die Wolkenbildung von großer Bedeutung und haben erhebliche Auswirkungen auf das Wetter und Klima der Erde, indem sie den Strahlungsantrieb und die Niederschlagsbildung beeinflussen. In den mittleren Breiten entsteht der meiste Niederschlag in sogenannten Mischphasenwolken (MPC), welche sowohl aus unterkühlten Wolkentröpfchen als auch aus Eiskristallen bestehen. Bei Temperaturen zwischen 0°C und -38°C erfolgt die Bildung von Eiskristallen in MPC in Gegenwart von Aerosolpartikeln, die als sogenannte Eiskeime (INP) die Fähigkeit besitzen, auf ihrer Oberfläche Eis zu nukleieren. Trotz der großen wissenschaftlichen Fortschritte in den letzten Jahrzehnten, weist der heterogene Eisbildungsprozess, als einer der wichtigsten in der Atmosphäre auftretenden Aerosol-Wolken-Wechselwirkungsprozesse, immer noch große Unsicherheiten auf. Um zukünftige Klimavorhersagen und -projektionen in Modellen besser abbilden zu können, ist es somit notwendig den Wissensgrad der räumlichen und zeitlichen Heterogenität von INP in Bezug auf Herkunft, Anzahl und Zusammensetzung zu erhöhen. Im Zentrum dieser Arbeit steht der Eiskeimzähler FINCH (Fast Ice Nucleus Chamber), der für Labor- und Feldexperimente von der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main entwickelt wurde. Durch das Mischen des Probenstroms mit einem warm-feuchten und einem kalten-trockenen Luftstrom wird eine Übersättigung in der in-situ Eiskammer erreicht, die benötigt wird, eisbildende Partikel zu aktivieren. Die aktivierten Partikel können beim Durchströmen der Kammer zu Wassertropfen oder Eiskristallen anwachsen. Am Ausgang der Kammer wird die Anzahl und Größe der Partikel durch die FINCH-Optik erfasst. Als grundlegender Schritt und aufbauend auf den Charakterisierungsmessungen von Frank (2017) wurden in der vorliegenden Arbeit die Leistung, die Zuverlässigkeit sowie die Reproduzierbarkeit von FINCH in Validierungsexperimenten im Labor überprüft. Im Zuge dessen wurden heterogene Gefrierexperimente mit definierten Referenzaerosolproben (bspw. K-Feldspat) bei wasserübersättigten Bedingungen und verschiedenen Gefriertemperaturen durchgeführt. Für den Großteil der erzielten Resultate konnte eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit Literaturwerten von anderen INP-Messinstrumenten aus der ganzen Welt erzielt werden. Es zeigte sich, dass die Leistungsfähigkeit von FINCH messtechnische Limitationen für Messexperimente bei Temperaturen >-10°C und <-30°C aufweist, was eine Einschränkung des Messbereichs bedeutet. Hinsichtlich der Quantifizierung des Unsicherheitsbereiches des Messgerätes in Bezug auf Temperatur und relativer Feuchte bedarf es im Nachgang an dieser Arbeit weiterer Charakterisierungsmessungen. Im Rahmen der Ice Nuclei Research Unit (INUIT) Forschergruppe wurde FINCH mit einem gepumpten Gegenstrom-Impaktor PCVI und dem online Einzelpartikel-Massenspektrometer ALABAMA gekoppelt. Diese spezielle Messmethodik dient zur chemischen und mikrophysikalischen Charakterisierung der INP und der Eispartikelresiduen (IPR). Der Fokus lag zunächst darauf die Funktionalität des gekoppelten Messsystems im Labor zu überprüfen. Ausführliche Charakterisierungsmessungen zeigten unter eisübersättigten und unterkühlten Bedingungen, dass das Prinzip der Trennung der INP von nicht-aktivierten Aerosolen und unterkühlten Tropfen hinter FINCH durch den PCVI funktioniert. Ebenso konnten erste quantitative Aussagen zur chemischen Zusammensetzung der IPR getroffen werden. Es zeigte sich, dass bei den Aktivierungsexperimenten ein geringer Anteil an Partikeltypen metallischer Art von ALABAMA detektiert wurden, der nicht dem untersuchten Aerosoltyp zugeordnet werden konnte. Der Ursprung dieser Kontamination konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht abschließend geklärt werden und bedarf weiterer Validierungsmessungen im Labor. Atmosphärische Eiskeimkonzentrationen wurden im Rahmen von Feldmesskampagnen an der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch (JFJ) in den Schweizer Alpen und am Campus Riedberg der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main untersucht. Hier konnten erste Erfahrungen mit Außenluftmessungen bezüglich der Leistungsfähigkeit und der Nachweisgrenze (LOD) des Messgerätes gesammelt werden. Durch den Einfluss der freien Troposphäre am JFJ waren die Messungen hauptsächlich von aerosolpartikelarmer Luft mit einer geringen Anzahl von Eiskeimen geprägt, so dass sich die gemessenen INP-Konzentrationen oftmals unter die Nachweisgrenze von FINCH fielen. Unter Einsatz eines Aerosolkonzentrators konnte die Detektionseffizienz verbessert und das LOD herabgesetzt werden. Am JFJ wurden die INP im Mittel bei einer Temperatur von -23°C und einem Wassersättigungsverhältnis von 107% beprobt. Die mediane (mittlere) INP-Konzentration inklusive LOD lag bei 2,1 (3,3) sL-1 und oberhalb des LOD bei 3,1 (4,5) sL-1. Ein Vergleich mit den Messungen am Campus Riedberg unter annähernd gleichen Bedingungen resultiert in ähnlichen Konzentrationen.
Im Sinne einer nachhaltigen Stadt- und Verkehrsentwicklung verspricht das Konzept autoreduzierter Quartiere, die Autonutzung und den Autobesitz der Bewohnenden zu verringern sowie deren autounabhängige Mobilität zu fördern. Der Forschungsstand zeigt indes, dass nicht automatisch davon auszugehen ist, dass die gelebte Praktik der Planungsvision entspricht, da die Mobilität nicht nur von oben herab geplant, sondern auch von unten, also den Bewohnenden selbst sowie den Mobilitätskontexten, geprägt ist.
Anhand zweier autoreduziert entwickelter Quartiere in Darmstadt verfolgt die Arbeit deshalb das Ziel, mittels eines planungskritischen Ansatzes zunächst die Narrative autoreduzierter Quartiere zu identifizieren, um die Planungsvision zu ergründen. Des Weiteren werden mithilfe eines biographisch inspirierten, praxistheoretischen Ansatzes die mobilitätsbezogenen Praktiken autoreduzierter Quartiere sowie etwaige Veränderungen dieser nach dem Wohnortwechsel analysiert, um das Verständnis der Alltagsmobilität und deren Wandel zu verbessern sowie Potenziale und Grenzen der Umsetzung solcher Quartierskonzepte zu ermitteln. Abschließend soll der Vergleich beider Perspektiven dazu beitragen, besser zu verstehen, was eine nachhaltige Stadt- und Verkehrsgestaltung sowie eine autounabhängige Mobilität und ein autofreies Leben unterstützt bzw. behindert.
Zur Identifikation der Narrative wurden Expert*inneninterviews mit verschiedenen Personen durchgeführt, die am Planungs- und Umsetzungsprozess beider Quartiere beteiligt waren. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Entwicklung autoreduzierter Quartiere (i) bewusst in die Nachhaltigkeitsdebatte eingebettet und (ii) von Machtverhältnissen geprägt ist sowie (iii) normativen Indikatoren folgt und (iv) deren Planungsideale im Kontrast zur gelebten Realität stehen können.
Zur Analyse der mobilitätsbezogenen Praktiken sowie der Veränderungen derselben wurden Bewohnende qualitativ interviewt. Dabei zeigt sich, dass der materielle Kontext eines autoreduzierten Quartiers sowie die persönlich-zeitlichen und soziokulturellen Kontexte der Mobilitätspraktiken die Autounabhängigkeit der Bewohnenden stabilisieren und fördern. Behindert wird sie dagegen vom materiellen Kontext außerhalb der Quartiere, der Verwobenheit des Autofahrens mit anderen Alltagspraktiken sowie der affektiven Zufriedenheit mit der Autonutzung und dem Autobesitz.
Aus dem Vergleich beider Erhebungen und damit der Gegenüberstellung der Planungsvision mit der gelebten Praktik lässt sich schlussfolgern, dass trotz feststellbarer Unterschiede die Realität im autoreduzierten Quartier größtenteils dem Ideal einer autounabhängigen Mobilität entspricht. Dagegen erweisen sich ein autofreies Leben und die Parkrestriktionen weiterhin als kontroversere Themen. Schließlich offenbart die Arbeit sowohl Veränderungen in der Mobilitätsgestaltung von oben als auch in der Mobilitätspraktik von unten, gleichzeitig aber auch persistente automobile Abhängigkeiten, weshalb sie im Sinne der Verkehrs- und Mobilitätswende einen kontinuierlichen materiellen und immateriellen Wandel fordert.
Melting inside earth is a common phenomenon and can be observed in many different regions where melt travels through the mantle and crust to eventually reach the surface where it crystallizes to build large volcanic provinces, whole stratigraphic layers of flood basalts, or even the oceanic crust. Often, melt reaching the surface is a good source of information. It can be used to achieve a better understanding about processes taking place in deeper regions inside the mantle and it is therefore essential to fundamentally understand melting and melt percolation processes. In order to achieve a deeper understanding, the aim of this thesis is to investigate processes that are connected to melting by using numerical models.
The physical model used is a so called two-phase flow model which describes the ability of melt to percolate through a viscously deforming, partially molten matrix. A famous feature of two-phase flow are solitary porosity waves, which are waves of locally higher porosity ascending through a partially molten background, keeping its shape constant, driven by decompaction and compaction of the solid matrix in front and behind the wave.
The viscosity law for shear- and volume viscosity was strongly simplified in most previous studies that modeled solitary waves. Often the porosity dependency is underestimated or its influence on the volume viscosity is even neglected, leading to too high viscosities. In this work more realistic laws are used that strongly decrease for small melt fractions. Those laws are incorporated into a 2D Finite Difference mantle convection code with two-phase flow to study the ascent of solitary porosity waves.
The model results show that an initial Gaussian-shaped wave rapidly evolves into a solitary wave with a certain amplitude, traveling upwards with constant velocity. Even though strongly weaker viscosities are used, the effect on dispersion curves and wave shape are only minor as long as the background porosity is rather small. The results are still in agreement to semi-analytical solutions which neglect shear stresses in the melt segregation equation. Higher background porosities and wave amplitudes lead to significant decrease in phase velocity and wave width, as the viscosity is strongly effected. However, the models show that solitary waves are still a possible mechanism for more realistic matrix viscosities.
While the ascending of porosity waves are mostly described by the movement of fluid melt, partially molten regions inside Earth trigger upwelling of both, solid and fluid phases, which can be called diapirism. While diapirs can have a wide variety of wavelengths, porosity waves are restricted to a few times the compaction length. The size of a melt perturbation in terms of compaction length therefore describes whether material is transported by diapirism or porosity waves. In this thesis we study the transition from diapiric rise to solitary porosity waves by systematically changing the size of a porosity perturbation from 1.8 to 120 times the compaction length. In case of a perturbation of the size of a few times the compaction length a single porosity wave will emerge, either with a positive or negative vertical matrix flux and if melt is not allowed to move relative to the matrix a diapir will emerge. In between these physical end members a regime can be observed where the partially molten perturbation will split up into numerous solitary waves, whose phase velocity is low compared to the Stokes velocity and the swarm of solitary waves will ascend jointly as a diapir, slowly elongating due to a higher amplitude main solitary wave.
Solitary waves will always emerge from a melt perturbation as long as two-phase flow is enabled, but the time for a solitary wave to emerge increases non-linearly with the perturbation radius in terms of compaction length. In nature, in many cases this time might be too long for solitary waves to emerge.
Another important feature when it comes to two-phase flow is the transport of trace elements in melt. Incompatible elements prefer to go into the melt, which eventually enriches the area where it crystallizes again. In order to model this redistribution, the code FDCON was extended to allow for fully consistent transport of elements in melt, including melting, freezing and re-equilibration with time. A 2D model, a simple representation of a volcanic back arc, is set up to investigate the behavior of trace elements. The influence of retention number and re-equilibration time is examined. Lava-lamp like convection can be observed in the lower part of the model, producing melt, that eventually leads to enrichment in trace elements in the upper high-viscous layer. The total enrichment in this layer approaches an asymptotic value and a 0D model is introduced to recreate this behavior.
This thesis is focusing on the impact of Paratethys and Mediterranean water bodies over the Eurasian climate and the interplay between climate, tectonics and biosphere during the late Miocene. This target was the interval between 12.7 and 7.65 Ma for Paratethys, following the Eastern Paratethys restriction and isolation, and 7.2−6.5 Ma (the early Messinian) in Mediterranean, zooming on the effects of gateway restrictions over the eastern Mediterranean and the new born Aegean domain. In both cases restriction is overlapping with large scale climatic changes and tectonic reconfiguration, leading a sort of symbiotic relationship.
Paratethys was a giant epicontinental sea that covered a large part of Eurasia since Paleogene. Due to the Eurasia-Afro-Arabia collision and formation of the Alpine-Himalayan belt (Rögl, 1999; Popov et al., 2006), the Paratethys was divided during the late Miocene in smaller basins that in time were isolated of each other. The protracted isolation and intense continentalisation of paratethyan realm led to changes in humidity distribution, basin connectivity, sediment sources and salinity. These changes had in turn major consequences over water circulation, water availability, vegetation cover and biota. These changes are more intense after 11.6 Ma, when the Eastern Paratethys lost any sustained marine connection, evolving into an enclosed system with endemic fauna (Harzhauser and Piller, 2007).
Mediterranean Sea is a Mezozoic oceanic relic squeezed between Africa, Europe, Anatolia and Arabia, as Africa continued to subduct beneath the European plate. As opposed to Paratethys, it maintained the open connection with the ocean until Messinian, when the two Atlantic gateways (Betic and Rifian corridors) closed for a short time, isolating the basin. The cut off resulted in a dramatic drop down and onset of evaporitic precipitation in marginal basins, the event receiving the name of Messinian Salinity Crisis (5.97−5.55). The restriction affected all marine ecosystems, due to changes in salinity and stratification of water column.
The main objectives of this thesis were:
(1) build valid paleo-temperatures records for both basins based on biomarkers;
(2) reconstruct the hydrology for the late Miocene time interval;
(3) identify vegetation composition and changes;
(4) identify paleo-fires in the late Miocene sediment records;
(5) identify the biotic response to the overall climate and tectonic changes.
All the above objectives were attained with results published in specific journals (Chapters 5−7).
Based on Panagia section (Taman Peninsula, Russia) the longest Paratethys temperature record was completed (~5 Myr), covering the interval between 12.7 and 7.65 Ma. A comprehensive SST and MAT records was obtained, as well as soil pH and carbon (δ13C) and hydrogen (δ2H) stable isotopic compositions on n-alkanes and alkenones. The main findings are concentrated around three prolonged periods with severe droughts affecting the late Miocene circum-Paratethys region peaking at 9.65, 9.4 and 7.9 Ma, associated with a transition towards open land vegetation, intensification of fire activity and enhanced evaporation and aridity.
The time intervals with dryer conditions recorded in Panagia coincide with periods of mammal turnover and dispersal in Eurasia indicating that major environmental changes occurred in the circum-Paratethys region and Paratethys fragmentation had a great impact on the terrestrial ecosystems, when periods of prolonged droughts generated biotic crises and animal displacements across the Eurasian continent. The δ13CC29n-alkane values and charcoal morphologies from Panagia indicate an increased contribution of C4 plants adapted to drier conditions at 9.66 Ma. Similarly high δ13CC29n-alkane values continue until 9.4 Ma, when in Western Europe increased seasonality accelerated the demise of the evergreen subtropical woodlands and expansion of grasslands from Anatolia and Middle East to Europe.
As a result of basin fragmentation and climatic stress, the Eastern Paratethys sub-basins progressively lost their marine properties and turned into brackish-fresh water bodies fed primarily by riverine input. The shallower areas became in time emerged, obstructing connections and isolating the biota, inducing rapid adjusting or extinctions. Thus, the Paratethys harbored a highly endemic fauna (Rögl, 1999), such as dwarf whales, dolphins, seals (among mammals), as well as fish and other taxa (mollusks, ostracods, diatoms, foraminifera, algae, etc.).
Collectively the data structured and analyzed in chapter five support a model in which the Eastern Paratethys evolved as a largely (en)closed system, registering paleoenvironmental signals that are governed by interbasinal connectivity (or lack of it) and regional climate changes in the basin catchment. Acting as an important source of humidity for Western and Central Asia, the size and areal extent of the Paratethys water body is likely to have had a major impact on hydroclimate patterns in the Eurasian interior, with the cumulative fluctuations in both hydrology and surface temperature enhancing the aridity and seasonality, with different partition of moisture over the year. Our combined data suggests a decoupling of Paratethys from the global system as isolation advanced, dominated by regional tectonics and ultimately the Paratethys volume and areal extent reduction.
Diamant hat besondere physikalische und optische Eigenschaften sowie eine starke Resistenz gegenüber Strahlenschädigung. Diese Eigenschaften ermöglichen eine vielfältige Anwendung von Diamant in Wissenschaft und Technik, wie zum Beispiel als Sensormaterial in Strahlungsdetektoren.
Kubisches Zirconiumdioxid (ZrO2) wird aufgrund seiner mechanisch und optisch ähnlichen Eigenschaften unter anderem an Stelle von Diamant eingesetzt. Es ist ebenfalls ein geeignetes Material für viele technische Anwendungen und wird durch seine Strahlenresistenz in Strahlungsumgebungen verwendet. Da beide Materialien in diesem Anwendungsbereich hoher energetischer Strahlung ausgesetzt sind, sind Reaktionen auf die Bestrahlung wie etwa strukturelle Veränderungen oder die Änderungen von Materialeigenschaften von großem Interesse.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Morphologie, Struktur und physikalischen Eigenschaften von Diamant und Yttriumoxid-stabilisiertem kubischem ZrO2 nach der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen und 1.6 GeV Au-Ionen untersucht. Die durch die Bestrahlung verursachten Veränderungen der Oberflächen und der bestrahlten Volumina wurden mit diversen komplementären analytischen Methoden charakterisiert, bewertet und für die verschiedenen Materialien und Ionenenergien verglichen.
Mittels Röntgenfluoreszenzmessungen wurde die Verteilung und Menge an implantiertem Au semi-quantitativ ermittelt. Die Oberflächen der Proben wurden mit optischer Mikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenreflektometrie und Elektronenrückstreubeugung untersucht. Strukturelle Veränderungen wurden mit Raman-Spektroskopie analysiert. Der elektrische Widerstand, die Dichte, die Härte sowie das Ätzverhalten der bestrahlten Proben wurden ermittelt und geben Auskunft über die Änderung physikalischer Eigenschaften der Materialien.
Diamant und kubisches ZrO2 reagieren sehr unterschiedlich auf die Bestrahlung mit Au-Ionen gleicher Energien und Fluenzen. Die Diamantproben zeigen nach der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen deutliche Veränderungen und Schädigungen der Oberfläche sowie des bestrahlten Volumens. Es wird eine Änderung der Struktur, der Dichte, der Härte, des elektrischen Widerstands sowie des Ätzverhaltens der Proben beobachtet, was auf die Amorphisierung von Diamant zurückgeführt wird. Kubisches ZrO2 ist deutlich strahlungsresistenter gegenüber der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen. Es werden keine signifikanten strukturellen Änderungen im getesteten Fluenzbereich beobachtet.
Die mit 1.6 GeV Au-Ionen bestrahlten Diamanten zeigen nur geringe Schädigungen und keine deutliche Änderung der Struktur oder der physikalischen Eigenschaften. Die kubischen ZrO2 Proben sind als Folge der Bestrahlung mit 1.6 GeV Au-Ionen zerbrochen, was auf hohe interne Spannung durch Defektbildung zurückgeführt wird.
Extreme convective precipitation events are among the most severe hazards in central Europe and are expected to intensify under global warming. However, the degree of intensification and the underlying processes are still uncertain. In this thesis, recent advances in continuous, radar-based precipitation monitoring and convection-permitting climate modeling are used to investigate Lagrangian properties of convective rain cells such as precipitation intensity, cell area, and precipitation sum and their relationship to large-scale, environmental conditions.
Firstly, convective precipitation objects are tracked in a gauge-adjusted radar-data set and the properties of these cells are related to large-scale environmental variables to investigate the observed super-Clausius-Clapeyron (CC) scaling of convective extreme precipitation. The Lagrangian precipitation sum of convective cells increases with dew point temperature at rates well above the CC-rate with increasing rates for higher dew point temperatures. These varying, high rates are caused by a covarying increase of CAPE with dew point temperature as well as the effect of high vertical wind shear causing an increase in cell area and thus precipitation sum. At the same time, cells move faster at high vertical wind shear so that Eulerian scaling rates are lower than Lagrangian but still above the CC-rate. The results show that wind shear and static instability need to be taken into account when transferring precipitation scaling under current climate conditions to future conditions. Secondly, the representation of convective cell properties in the convection-permitting climate model COSMO-CLM is evaluated. The model can simulate the observed frequency distributions of cell properties such as lifetime, area, mean and maximum intensity, and precipitation sum. The increase of area and intensity with lifetime is also well captured despite an underestimation of the intensity of the most severe cells. Furthermore, the model can represent the temperature scaling of intensity, area, and precipitation sum but fails to simulate the observed increase of lifetime. Thus, the model is suitable to study climatologies of convective storms in Germany. Thirdly, two COSMO-CLM projections at the end of the century under emission scenario RCP8.5 were investigated. While the number of convective cells and their lifetime remain approximately constant compared to present conditions, intensity and area increase strongly. The relative increase of intensity and area is largest for the highest percentiles meaning that extreme events intensify the most. The characteristic afternoon maximum of convective precipitation is damped, and shifted to later times of day which leads to an increase of nighttime precipitation in the future. Scaling rates of cell properties with dew point temperature are nearly identical in present and future in the simulation driven by the EC-Earth model which means that the upper limit of cell properties like intensity, area, and precipitation sum could be predicted from near-surface dew point temperature. However, this result could not be reproduced by the simulation driven by MIROC5 and needs further investigation.