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Paläoklimarekonstruktionen, die es sich zum Ziel gesetzt haben, Klima-Mensch Interaktionen auf lange Zeitreihen betrachtet zu erforschen, nehmen begünstigt durch die aktuell intensiv geführte Klimadebatte, einen immer größer werdenden Stellenwert in der öffentlichen und wissenschaftlichen Wahrnehmung ein. Denn trotz aller wissenschaftlicher Fortschritte, die in den vergangenen Jahrzehnten im Bereich der modernen Klimaforschung gemacht wurden, bleibt die zuverlässige Vorhersage und Modellierung von zukünftigen Klimaveränderungen noch immer eine der größten Herausforderungen unser heutigen Zeit. Betrachtet man die Karibik exemplarisch in diesem Rahmen, dann prognostizieren viele Modellrechnungen, infolge steigender Ozeantemperaturen, ein deutlich häufigeres Auftreten von tropischen Stürmen und Hurrikanen sowie eine Verschiebung hin zu höheren Sturmstärken. Dieser Trend stellt für die Karibik und viele daran angrenzende Staaten eine der größten Gefahren des modernen Klimawandels dar, den es wissenschaftlich über einen langen Zeitrahmen zu erforschen gilt.
Klimaprognosen stützen sich meist vollständig auf hoch-aufgelöste instrumentelle Datensätze. Diese sind aber alle durch einen wesentlichen Aspekt limitiert. Aufgrund ihrer eingeschränkten Verfügbarkeit (~150 Jahre) fehlt ihnen die erforderliche Tiefe, um die auf langen Zeitskalen operierenden Prozesse der globalen Klimadynamik adäquat abbilden zu können. Betrachtet man das Holozän in seiner Gesamtheit, so wurde die globale Klimadynamik über die vergangenen ~11,700 Jahre von periodisch auftretenden Prozessen und Abläufen gesteuert. Diese wirken grundsätzlich über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten, teilweise Jahrhunderten und in einigen Fällen sogar Jahrtausenden. Viele dieser natürlichen Prozesse, können in der kurzen Instrumentellen Ära nicht gänzlich identifiziert und angemessen in Klimamodellen berücksichtig werden. Die alleinige Berücksichtigung der Instrumentellen Ära bietet daher nur eine eingeschränkte Perspektive, um die Ursachen und Abläufe von vergangenen sowie mögliche Folgen von zukünftigen Klimaveränderungen zu verstehen. Um diese Einschränkung zu überwinden, ist es somit erforderlich, dass die geowissenschaftliche Forschung mit Proxymethoden ein zusammenfassendes und mechanistisches Verständnis über alle Holozänen Klimaveränderungen erlangt.
Wenn man sich diese Limitierung, die ansteigenden Ozeantemperaturen und das in der Karibik in den vergangen 20 Jahren vermehrte Auftreten von starken tropischen Zyklonen ins Gedächtnis ruft, ist es nachvollziehbar, dass im Rahmen dieser Doktorarbeit ein zwei Jahrtausende langer und jährlich aufgelöster Klimadatensatz erarbeitet werden soll, der spät Holozäne Variationen von Ozeanoberflächenwasser-temperaturen (SST) und daraus resultierende lang-zeitliche Veränderungen in der Häufigkeit tropischer Zyklone widerspiegelt. In Zentralamerika wird das Ende der Maya Hochkultur (900-1100 n.Chr.) mit drastischen Umweltveränderungen (z.B. Dürren) assoziiert, die während der Mittelalterlichen Warmzeit (MWP; 900-1400 n.Chr.) durch eine globale Klimaveränderung hervorgerufen wurde. Die aus einem „Blue Hole“ abgeleiteten Informationen über Klimavariationen der Vergangenheit können als Referenz für die gegenwärtige Klimakriese verwendet werden.
Als „Blue Hole“ wird eine Karsthöhle bezeichnet, die sich subaerisch während vergangener Meeresspiegeltiefstände im karbonatischen Gerüst eines Riffsystems gebildet hat und in Folge eines Meeresspiegelanstiegs vollständig überflutet wurde. In einigen wenigen marinen „Blue Holes“ treten anoxische Bodenwasserbedingungen auf. Die in diesen anoxischen Karsthöhlen abgelagerten Abfolgen mariner Sedimente können als einzigartiges Klimaarchiv verwendet werden, da sie aufgrund des Fehlens von Bioturbation eine jährliche Schichtung (Warvierung) aufweisen.
In dieser kumulativen Dissertation über das „Great Blue Hole“ werden die Ergebnisse eines 3-jährigen Forschungsprojekts vorgestellt, dass das Ziel verfolgte einen wissenschaftlich herausragenden spät Holozänen Klimadatensatz für die süd-westliche Karibik zu erzeugen. Beim „Great Blue Hole“ handelt es sich um ein weltweit einzigartiges marines Sedimentarchiv für diverse spät Holozäne Klima-veränderungen, das im Zuge dieser Dissertation sowohl nach paläoklimatischen als auch nach sedimentologischen Fragestellungen untersucht wurde. Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich im Einzelnen mit (1) der Ausarbeitung eines jährlich aufgelösten Archives für tropische Zyklone, (2) der Entwicklung eines jährlich aufgelösten SST Datensatzes und (3) einer kompositionellen Quantifizierung der sedimentären Abfolgen sowie einer faziell-stratigraphischen Charakterisierung von Schönwetter-Sedimenten und Sturmlagen. Zu jedem dieser drei Aspekte, wurde jeweils ein Fachartikel bei einer anerkannten wissenschaftlichen Fachzeitschrift mit „peer-review“ Verfahren veröffentlicht.
Der insgesamt 8.55 m lange Sedimentbohrkern („BH6“), der für diese Dissertation untersucht wurde, stammt vom Boden des 125 m tiefen und 320 m breiten „Great Blue Holes“, das sich in der flachen östlichen Lagune des 80 km vor der Küste von Belize (Zentralamerika) gelegenen „Lighthouse Reef“ Atolls befindet. Durch seine besondere Geomorphologie wirkt das, innerhalb des atlantischen „Hurrikan Gürtels“ positionierte, „Great Blue Hole“ wie eine gigantische Sedimentfalle. Die unter Schönwetter-Bedingungen kontinuierlich abgelagerten Abfolgen feinkörniger karbonatischer Sedimente, werden von groben Sturmlagen unterbrochen, die auf „over-wash“ Prozesse von tropischen Zyklonen zurückzuführen sind.
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A graph theoretical approach to the analysis, comparison, and enumeration of crystal structures
(2008)
As an alternative approach to lattices and space groups, this work explores graph theory as a means to model crystal structures. The approach uses quotient graphs and nets - the graph theoretical equivalent of cells and lattices - to represent crystal structures. After a short review of related work, new classes of cycles in nets are introduced and their ability to distinguish between non-isomorphic nets and their computational complexity are evaluated. Then, two methods to estimate a structure’s density from the corresponding net are proposed. The first uses coordination sequences to estimate the number of nodes in a sphere, whereas the second method determines the maximal volume of a unit cell. Based on the quotient graph only, methods are proposed to determine whether nets consist of islands, chains, planes, or penetrating, disconnected sub-nets. An algorithm for the enumeration of crystal structures is revised and extended to a search for structures possessing certain properties. Particular attention is given to the exclusion of redundant nets and those, which, by the nature of their connectivity, cannot correspond to a crystal structure. Nets with four four-coordinated nodes, corresponding to sp3 hybridised carbon polymorphs with four atoms per unit cell, are completely enumerated in order to demonstrate the approach. In order to render quotient graphs and nets independent from crystal structures, they are reintroduced in a purely graph-theoretical way. Based on this, the issue of iso- and automorphism of nets is reexamined. It is shown that the topology of a net (that is the bonds in a crystal) constrains severely the symmetry of the embedding (that is the crystal), and in the case of connected nets the space group except for the setting. Several examples are studied and conclusions on phases are drawn (pseudo-cubic FeS2 versus pyrite; α- versus β- quartz; marcasite- versus rutile-like phases). As the automorphisms of certain quotient graphs stipulate a translational symmetry higher than an arbitrary embedding of the corresponding net would show, they are examined in more detail and a method to reduce the size of such quotient graphs is proposed. Besides two instructional examples with 2-dimensional graphs, the halite, calcite, magnesite, barytocalcite, and a strontium feldspar structures are discussed. For some of the structures it is shown that the quotient graph which is equivalent to a centred cell is reduced to a quotient graph equivalent to the primitive cell. For the partially disordered strontium feldspar, it is shown that even if it could be annealed to an ordered structure, the unit cell would likely remain unchanged. For the calcite and barytocalcite structures it is shown that the equivalent nets are not isomorphic.
The Earth’s surface condition we find today is a result of long exposure to metabolism of life forms. Particularly, molecular oxygen in the atmosphere is a feature which developed over time. The first substantial and lasting rise of atmospheric oxygen level happened ≈ 2.5 Ga ago, but localities are reported where transiently elevated oxygen levels appeared before this time-point. To trace the timing and circumstances of the earliest availability of free oxygen in the atmosphere is important to understand the habitats of early microbial life forms on Earth.
This thesis focuses to obtain information of oxygen levels and the related atmospheric cycling of metals in sediments of the 3.5 to 3.2 Ga Barberton Greenstone Belt. First, as iron was a ubiquitous constituent of Archean seawater, I investigated its isotopic composition in minerals of chemical sediments. Hereby, I tried to resolve the changes within the water basin on small scale sedimentary sequence cycles. Second, I focused on the minor constituents of Archean seawater. The Re-Os geochronologic system and the abundance patterns of the platinum-group elements were chosen to integrate information of oxygen promoted weathering of a large source area. To integrate information of a large time interval, the isotopes of uranium were investigated over a large stratigraphic section.
The two key findings of this thesis are:
• Quantitative oxidation of ferrous iron in surface layers of Paleoarchean seawater occurred during the onset and termination of hydrothermal FeIIaq delivery into shallow waters.
• Paleoarchean sedimentary successions of the Barberton Greenstone Belt lack any evidence of transient basin-scale oxygenation.
The Manzimnyama Iron Formation (IF, Fig Tree Group, Barberton Greenstone Belt, South Africa) has been deciphered to exist of cyclic stacks of lithostratigraphic units with varying amounts of iron oxide and carbonate minerals. In-situ femtosecond-Laser-Ablation ICP-MS iron isotope measurements showed that the majority of siderite (γ56Fe ≈ −0.5 ‰) precipitated directly from seawater of γ56Fe ≈ 0 ‰. Ferric iron from the surface layers is preserved in ≤ 1μ m hematite and in magnetite that has been grown within the consolidated sediment. During FeIIaq events, fine-grained hematite (γ56Fe ≈ 2.2 ‰) and magnetite (γ56Fe 0.5 to 0.8 ‰) indicate oxygen levels in surface waters of lower than 0.0002 μM. Upon onset and termination of iron oxide abundance, magnetite with γ56Fe ≈ 0 ‰ indicates that low concentrations of FeIIaq in surface waters were oxidized quantitatively. These observations demonstrate the existence of iron oxidation in Paleoarchean surface waters independent of FeIIaq concentration. This is the first investigation of Paleoarchean IF showing that lithostratigraphic cyclicity can be traced in iron isotopic composition of oxide minerals.
ID-ICP-MS measurement of Re, Ir, Ru, Pt and Pd, trace element (SF-ICP-MS) and ID-MCICP- MS uranium isotope determination have been applied to carbonaceous shale of the Mapepe Fm. (Fig Tree Group) after inverse Aqua Regia leaching and bulk digestion. The sediments reveal a silicified fraction which exhibits a seawater REE signature and a mixture of detrital and meteoritic PGE. Neither enrichment of the redox-sensitive elements Re or Mo nor fractionated uranium isotopes have been found on a stratigraphic interval of several hundred meters. The non-silica fraction shows no depletion of Re which indicates that the detrital material had no contact to oxidizing fluids. ID-TIMS measurements of Re and Os after the CrO3-SO4 Carius Tube method of two sample intervals showed that the Re-Os isotopic systems of the non-silica fractions are identical to two komatiite occurrences. Weltevreden Fm. and Komati Fm. rocks were uplifted, eroded and transported to the deep part of the sedimentary basin without any change to the Re-Os system. Negative fractionated uranium isotopes (γ238U = −0.41 ± 0.01 ‰) associated with detrital Ba-Cr-U occurrences suggest the existence of distal redox-processes that involve uranium species. This study demonstrates that over the time of exposure and deposition of the Mapepe Fm. sedimentation, free oxygen was not available for weathering in the catchment area.
Der 300 km breite Eucla Schelf Südaustraliens gehört zu den weltgrößten modernen nicht-tropischen Ablagerungssystemen. Während des Pleistozäns wurde hier ein etwa 500 m mächtiger pleistozäner Sedimentstapel abgelagert, der sich aus progradierenden Klinoformen zusammensetzt. Die Ocean Drilling Program Sites 1127, 1129 und 1131 bilden ein proximal-distal Profil entlang des Eucla Shelfs-Kontinentalhangs. Die dabei erbohrten pleistozänen Periplattform-Ablagerungen bestehen überwiegend aus bioklastenreichen, fein- bis grobkörnigen, unlithifizierten bis teilweise lithifizierten Pack-, Wacke- und Grainstones. Eine ausgeprägte sedimentäre Zyklizität der analysierten Ablagerungen drückt sich in Fluktuationen der Korngröße und der mineralogischen Zusammensetzung, der natürlichen Radioaktivität, der stabilen Isotope sowie in Veränderungen der Fazies aus. Zur Untersuchung der sedimentären Zyklizität dieser nicht-tropischen Sedimente wurden sechs Sedimentintervalle früh- bis mittelpleistozänen Alters innerhalb der Bohrungen Site 1127, 1129 und 1131 ausgewählt. Die früh- bis mittelpleistozäne Periplattform-Sedimentabfolge des Eucla Schelfs wird durch die Stapelung genetischer Sequenzen gebildet. Diese entstehen als eine Folge hochfrequenter Meeresspiegelschwankungen, die unmittelbare Auswirkungen auf den Grad der Überflutung und damit auf den Sedimentexport vom Eucla Schelf ins angrenzende Becken haben. Eine genetische Sequenz weist eine Mächtigkeit von etwa 25 m unmittelbar beckenwärts der Schelfkante auf. Die maximale Mächtigkeit von ca. 30 m wird in beckenwärtigeren Bereichen erreicht, bevor die genetische Sequenz erneut auskeilt und in den hier untersuchten distalsten Ablagerungsbereichen Mächtigkeiten von 10-15 m aufweist. Die Begrenzungen der genetischen Sequenzen werden durch abrupte Korngrößenwechsel oder durch Umkehrpunkte in Korngrößentrends gebildet. Innerhalb einer genetischen Sequenz werden Hochstands-Ablagerungen durch grobkörnige bioklastenreiche Pack- bis Grainstones charakterisiert, die wiederum große Mengen an Tunikaten Spikulae, braunen hoch-Mg Bioklasten und Bryozoen-Detritus beinhalten. Tiefstands-Ablagerungen andererseits werden durch feinkörnige Packstones mit erhöhten Gehalten an Schwammnadeln und Mikrit charakterisiert. Die metastabilen Karbonatmodifikationen Aragonit und Hoch-Mg Kalzit können jeweils bis zu 34 % der Gesamtprobe ausmachen und sind in Ablagerungen des Meeresspiegel-Anstiegs und -Hochstands angereichert. Hauptaragonitbildner sind dabei Tunikaten Spikulae. Dolomit ist auf Ablagerungen des beginnenden Meeresspiegel-Anstiegs beschränkt. Die primäre Verteilung der metastabilen Karbonatmodifikationen innerhalb der genetischen Sequenzen führt so während späterer Versenkungsstadien möglicherweise zu einer differentiellen Diagenese. Die sedimentäre Zyklizität der Ablagerungen des späten Mittelpleistozäns unterscheidet sich von der Zyklizität des frühen- bis mittleren Pleistozäns durch eine Zunahme der Häufigkeit allochthoner Schelfkomponenten wie Rotalgen-Detritus und brauner Hoch-Mg Kalzit-Bioklasten. Zugleich zeigt sich ein Häufigkeits-Rückgang autochthoner Schwammnadeln. Diese Variationen während des frühen und mittleren Pleistozäns werden als eine Folge der Progradation der Schelfkante und der sich daraus ergebenden verändernden relativen Position zur Schelfkante sowie des sich verändernden Nährstoffeintrags interpretiert. Site 1127 zeigt darüberhinaus eine Verdopplung der Zyklenmächtigkeiten der mittelpleistozänen Ablagerungen. Dies ist höchstwahrscheinlich auf Veränderungen der Erdorbitalparameter (Milankovitch-Zyklizität) zurückzuführen. Im letzten Teil der Arbeit werden die sedimentären Zyklizitäten dieser nicht-tropischen Periplattform-Karbonate mit pleistozänen tropischen Ablagerungen der westlichen Flanke der Großen Bahama Bank verglichen (ODP Site 1009). Die Gliederung in Coarsening Upward-Zyklen ist dabei ein wesentliches Merkmal sowohl der nicht-tropischen als auch der tropischen Periplattform-Karbonate. Im Gegensatz zu den untersuchten nicht-tropischen Karbonaten werden jedoch tropische Ablagerungen des Meeresspiegel-Anstiegs und -Hochstands durch feinkörniges, mikritreiches Material. Maxima des Aragonit- bzw. Minima des Hoch-Mg Kalzitgehalts charakterisiert. Die Mächtigkeit einzelner Zyklen von ca. 10 m ist darüberhinaus aufgrund geringfügig niedrigerer Sedimentationsraten geringer als in den untersuchten nicht-tropischen Karbonaten, in denen die minimalen Zyklenmächtigkeiten 10-15 m betragen.
The African continent is regularly portrayed as an indolent space with a well-known reputation as a chaotic continent. Viewed as lacking vision, means and capacities, Africa is perceived at best as a place that is marked by a permanent status quo, stagnation, or in worst case scenarios, as a declining continent. Various references to the continent are synonymous with famine, poverty, war, etc. Such portrayals are all the more intriguing given that the continent is known for its abundant natural resources, such as timber, oil, natural gas, minerals, etc., whose reserves are, moreover, not well known both by the African people and their leaders. As a result, there is still much progress to be made in tapping into the resources in order to improve the daily lives of African citizens.
In such a context dominated by infantile carelessness throughout the continent, the interventions of actors from outside the continent are the only hopes of bringing some vitality to this continent which is cloaked in "la grande nuit – the great darkness" (Mbembé 2013). Thus during the main sequences of recent history, representing different forms of Western penetration and activity on the African continent (slavery, imperialism, colonization), all the Western world’s contributions have obviously not sufficed to boost Africa and take it out of its never ending childhood. It has remained just as passive and apathetic today as it was yesterday.
The attraction of Asian actors to the continent is even more recent. And consistent with its abovementioned indolence, Africa is seen as an easy and defenceless prey for the Korean, Japanese, Indian, Malaysian, or Chinese conquerors. In the latter case, the insatiable appetite for natural resources whose reserves are being rapidly depleted is the cornerstone of their foreign aid policy. This led China to colonize the continent, showing a preference for Pariah Regimes which held no appeal for the West, by sending an army of workers to extract those resources (Lum et al. 2009), in defiance of all national and international regulations and based on completely opaque contracts.
Although the concept of African Agency was rapidly developed in several African countries, the aim of this study was more specific to Cameroon’s mining sector in which different entrepreneurs from abroad got involved over time. The thesis investigates whether indigenous citizens took part in any way in the development of mining projects in the country. Thus, the work assesses and analyses actions and reactions initiated and undertaken by local people in the context of China’s presence within Cameroon’s mining sector to promote and advance their interests over those of foreign investors. In addition, the author has no knowledge of any other study investigating African Agency in the mining sector as a whole in Cameroon.
In conducting this study, a multi-method research framework was developed including a series of methods used to collect data and analyse concepts of African Agency associated Political Ecology as they developed within Cameroon’s mining sector. Specifically, those methods comprised quantitative research when it came to collecting data using a positivist and empirical approach constructed by deducing evidence from statistical data collected by means of the 167 questionnaire surveys administered to local inhabitants and workers randomly selected on mining sites and in riparian communities. The questionnaires helped to capture Cameroonians' perceptions of the recent phenomenon of the gradual but significant influx of international actors and precisely Chinese players in the mining sector on the one hand, and on the other hand, observational data was collected across the GVC as developed in the Betare-Oya region. As a complement to the former technique, qualitative methods helped to study and deepen understanding of human behaviour and the social world in a holistic perspective through individual interviews, focus groups, and direct observations on the ground. In addition, the spatial analysis method based on the land use classification technique served to detect changes to land use/land cover that have been brought on by mechanised mining activities undertaken in this region. The sequencing of data collected and their processing from a ground theory perspective led to the formulation and specification of Cameroon’s Ecological Agency theory.
One of the earliest steps of this work consisted in a literature review and in placing the African Agency concept in a broader context. It then led to the state of the art, specifications about research content of the work and the main theories undergirding this thesis. Before examining developments that emerged during the last decade, a historical perspective was provided to the topic in order to show how African societies started mining operations and how they dealt with foreign partners interested in their mining resources. The aim was to show that while Western imperialism presented a challenge for the sector, it did not erase local participation, even despite the constraints associated with such involvement.
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This work describes the development and characterization of two instruments and their data evaluation, which contributes to a better understanding of new particle formation and growth, as well as their interactions with clouds. Both instruments were characterized at the Cosmics Leaving Outdoor Droplets (CLOUD) experiment at the European Center for Nuclear Research (CERN).
The crude oil constituents benzene, toluene, ethylbenzene, and the three xylene isomers (BTEX) are the dominating groundwater contaminants originating from surface spill accidents by oil production facilities and with gasoline and jet fuel. Thereby BTEX posing a threat to the world´s scarce drinking water resources due to their water solubility and toxicity. An active remediation cleanup involving a BTEX event proves not only to be very expensive but almost impossible when it comes to the complete removal of contaminants from the subsurface. A favoured and common practice is combining an active remediation process focussing on the source of contamination coupled together with the monitoring of the residual contamination in the subsurface (monitored natural attenuation; MNA). MNA include all naturally occuring biological, chemical and physical processes in the subsurface. The general goal of this work was to improve the knowledge of biodegradation of aromatic hydrocarbons under anaerobic conditions in groundwater. For this groundwater and soil at the former military underground storage tank (UST) site Schäferhof – Süd near Nienburg/Weser (Niedersachsen, Germany) were sampled and analysed. The investigations were done in collaboration of the Umweltbundesamt, the universitys of Frankfurt and Bremen and the alphacon GmbH Ganderkesee. To investigate the extent of groundwater contamination, the terminal electron acceptor processes (TEAPs) and the metabolites of BTEX degradation in groundwater, six observation wells were sampled at regular intervals between January 2002 and September 2004. The wells were positioned in order to cover the upstream, the source area and the downstream of the presumed contamination source. Additionally, vertical sediment profiles were sampled and investigated with respect to spreading and concentration of BTEX in the subsurface. A large residual contamination involving BTEX is present in soil and groundwater at the studied locality. Maximum BTEX concentration values of 17 mg/kg were recorded in analysing sediment in the unsaturated zone. In the capillary fringe, values of 450 mg/kg were recorded (October 2004) and in the saturated zone maximum values of 6.7 mg/kg BTEX were detected. The groundwater samples indicate increasing BTEX concentrations in the groundwater flow direction (from 532 µg/l up to 3300 µg/l (mean values)). Biodegradation of aromatic hydrocarbons under anaerobic conditions in the sub surface at contaminated sites is characterised by generation of metabolites. From the monoaromatic hydrocarbons BTEX metabolites such as benzoic acid (BA) and the methylated homologs and C1-and C2-benzyl-succinic acids (BSA) are generated as intermediates. A solid-phase extraction method based on octadecyl-bonded silica sorbent has been developed to concentrate such metabolite compounds from water samples followed by derivatization and gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) of the extracts. The recovery rate range between 75 and 97%. The method detection limit was 0.8 µg/l. Organic acids were identified as metabolic by-products of biodegradation. Benzoic acid, C1-, C2- and C3-benzoic acid were determined in all contaminated wells with considerable concentrations. Furthermore, the depletion of the dominant terminal electron acceptors (TEAs) oxygen, nitrate, and sulphate and the production of dissolved ferrous iron and methane in groundwater indicate biological mediated processes in the plume evidently proving the occurrence of NA. A large overlap of different redox zones at the studied part of the plume has been observed. A important finding in this study is the strong influence of groundwater level fluctuations on the BTEX concentration in groundwater. A very dry summer in 2003 was recorded during the monitoring period, resulting on site in a drop of the groundwater level to 1.7 m and a concomitant increase of BTEX concentrations from 240 µg/l to 1300 µg/l. The groundwater level fluctuations, natural degradation and retention processes essentially influence BTEX concentrations in the groundwater. Groundwater level fluctuations have by far a stronger influence than the influence of biological degradation. Increasing BTEX concentrations are hence not a consequence of limited biological degradation. Another part of the study was to observe the isotopic fractionation of the electron acceptor Fe(III), due to biologically mediated reduction of Fe(III) to the watersoluble Fe(II) at the site and first field data are presented. Both groundwater and sediment samples were analysed with respect to their Fe isotopic compositions using high mass resolution Multi Collector-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (MC-ICP-MS). The delta56Fe -values of groundwater samples taken from observation wells located downstream of the source area were isotopically lighter than delta56Fe -values obtained from groundwater in the uncontaminated well. The Fe isotopic composition of most parts of the sediment profile was similar to the Fe isotopic composition of uncontaminated groundwater. Thus, a significant iron isotope fractionation can be observed between sediment and groundwater downstream of the BTEX contamination.
Ziel der Arbeit war es, die Flugzeitmassenspektrometrie als neue Analysemethode für die instrumentelle Analytik halogenierter Spurengase in der Luft zu etablieren. Die grundle-gende Motivation dafür ist, dass anthropogene Emissionen vieler Vertreter dieser Sub-stanzklasse einen negativen Einfluss auf die Umwelt zeigen: in der Atmosphäre agieren die Substanzen bzw. ihre Abbauprodukte als Katalysatoren für den stratosphärischen Ozonab-bau und verstärken den Strahlungsantrieb der Erde durch Absorption elektromagnetischer Strahlung im sogenannten atmosphärischen Fenster. Um diese Effekte und deren Auswir-kung quantifizieren zu können, ist es notwendig, Konzentrationen und Trends der Substan-zen in der Atmosphäre zu überwachen. Nur so können Gegenmaßnahmen wie Produktions-reglementierungen geplant und bewertet werden. In Kombination mit inverser Modellie-rung können zudem Rückschlüsse über tatsächlich emittierten Mengen gezogen werden. Dies stellt den Anspruch an die Analytik, sehr geringe Mengen dieser Gase sehr präzise quantifizieren zu können, um auch schwache Trends zu erkennen. Zudem muss die Analy-semethode die Möglichkeit zu bieten, mit der wachsenden Anzahl bekannter und zu über-wachender Substanzen Schritt zu halten. Besonders für letzteren Aspekt bietet die Flug-zeitmassenspektrometrie einen entscheidenden Vorteil gegenüber der „konventionellen“ Methode, der Quadrupolmassenspektrometrie: sie zeichnet das gesamten Massenspektrum auf ohne dadurch an Empfindlichkeit einzubüßen. Um das atmosphärische Mischungsver-hältnis von Substanzen im Bereich von pmol mol−1 bis fmol mol−1 bestimmen zu können, muss das Quadrupolmassenspektrometer im Single Ion Monitoring Modus betrieben wer-den – so wird zwar eine hohe Sensitivität erreicht, es wird aber auch nur die Intensität eines bestimmten Masse zu Ladungsverhältnisses (kurz: Masse) zu einem Zeitpunkt aufgezeich-net. Ein Flugzeitmassenspektrometer hingegen extrahiert Ionen mit einer Frequenz im Ki-loherzbereich und zeichnet für jede Extraktion das vollständige Flugzeitspektrum und da-mit Massenspektrum auf.
Aufgabe dieser Arbeit war es, ein Flugzeitmassenspektrometer mit vorgeschalteter Pro-benanreicherungseinheit sowie Gaschromatograph zur Trennung des Subtanzgemisches vor der Detektion aufzubauen und Werkzeuge zur Datenauswertung zu entwickeln. Um einen zukünftigen Feldeinsatz vorzubereiten, sollte der Aufbau möglichst kompakt, mobil und vollständig automatisiert sein. Anschließend sollte Empfindlichkeit, Präzision und dynami-scher Messbereich geprüft, optimiert und die Anwendbarkeit zur Analyse halogenierter Spurengase gezeigt werden. Die Ergebnisse aus der in der vorliegenden Arbeit präsentier-ten Geräteentwicklung finden sich in drei Publikationen wieder, welche in thematischer Reihenfolge die Probenanreicherung (Obersteiner et al., 2016b), den Vergleich von Quadrupol- und Flugzeitmassenspektrometrie (Hoker et al., 2015) sowie Eigenschaften und Anwendung des neuen Aufbaus (Obersteiner et al., 2016a) behandeln. Mit den genannten Aufsätzen ist die Arbeitsgruppe Engel weltweit die erste, welche hochpräzise Analytik ha-logenierter Spurengase routinemäßig mittels Flugzeitmassenspektrometrie durchführt. Der nächste Schritt ist der Übergang von der Laboranwendung zur Feldmessung, z.B. in Form von bodenbasierter in situ Analyse troposphärischer Luftmassen am Taunus Observatorium auf dem Kleinen Feldberg. Da es bisher keine Messstation für die hier beschriebene analy-tische Fragestellung in Deutschland gibt, könnte eine deutliche Verbesserung der Überwa-chung halogenierter Treibhausgase und ozonzerstörender Substanzen in Europa erzielt wer-den. Weiterhin wäre eine Flugzeugapplikation in Zukunft denkbar, welche neben der durch das Flugzeitmassenspektrometer abgedeckten Substanzbandbreite auch von dessen hoher möglicher Spektrenrate profitieren könnte. In Kombination mit Hochgeschwindigkeitsgas-chromatographie könnte eine bisher unerreichte Zeitauflösung der Beprobung der Atmo-sphäre mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie erzielt werden.
The East African Rift System (EARS) was initiated in the Eocene epoch between 50 and 21 Ma probably due to the influence of mantle plumes that caused volcanism, flood basalts and rifting extensions in Ethiopa and the Afar region. As a result of magmatic intrusions and adiabatic decompression melting within the lithosphere caused by the impact of the Kenya plume, there was a southward propagation of the EARS of about 30 – 15 Ma from Ethiopia to Kenya, which coincide with the occurrence of volcanism. The EARS developed towards the south along the margins of the Tanzania Craton between 15 and 8 Ma. Previous findings of low-velocity anomalies within the upper mantle and the mantle transition zone indicate an upwelling of hot mantle material in the vicinity of the Afar region and the East African Rift. This study includes the analysis of P- and S-receiver functions in order to determine further impacts on the lithosphere from below. The aim was to determine the topographic undulations of further boundary layers and to identify their variability owing to the rifting processes and the formation of the EARS. The study area included the Tanzania Craton and the surrounding rift branches of the East African Rift System.
The region of the Rwenzori Mountains can be analysed in detail because of the large dataset of the RiftLink project. The use of the P-receiver function technique and the H-K stacking method enabled to determine different vP /vS ratios depending on the tectonic setting in the Rwenzori region: Rift shoulders (vP /vS =1.74), Albert Rift segment (vP /vS =1.80), Edward Rift segment (vP /vS =1.87) and Rwenzori Mountains (vP /vS =1.86). To determine the topography of the Moho, it is necessary to take into account the thickness of the sedimentary layer, the surface topography, the azimuthal variations in crustal thickness and the impact of local anomalies. After correcting these effects on the Moho depths, significant variations in Moho topography could be determined. The Moho depths range from 29 to 39 km beneath the rift shoulders of the Albertine Rift. Within the rift valley, the crustal thickness varies between 25 – 31 km in the Edward Rift segment and 22 – 30 km in the Albert Rift segment. An averaged crustal thickness of about 26 km within the rift valley indicates the lack of the crustal root beneath the Rwenzoris. Similar variations in crustal thickness were determined by using an automatic procedure for analysing S-receiver functions that was developed in this study.
The S-receiver functions are created by applying a rotation criterion in order to rotate the Z, N and E components into the L, Q and T components. It is necessary to perform trial rotations using different incident and azimuth angles to determine the correct rotation angles. The latter are identified by the use of the rotation criterion, including the amplitude ratio of the converted Moho signal to the direct S/SKS-wave signal. The L component is rotated correctly in the direction of the incident shear wave in the case of the maximum amplitude ratio. After analysing the frequency content of the receiver functions in order to sort out harmonic and long-periodic traces, the individual Moho signals are checked for consistency in order to remove atypic signals. To increase the signal-to-noise ratios on the traces, the S-receiver functions are stacked. For this purpose, the signals of the direct shear waves must originate from similar epicenters. On the basis of similar ray paths, the receiver functions show comparable waveforms and converted signals. To perform the stacking procedure, it is necessary to merge the datasets of the adjacent stations in order to obtain a sufficient number of receiver functions. This analysis is based on the assumption that the incident seismic waves arriving at the adjacent stations penetrate to some extent the same underground structures in the case of similar wave propagation paths. This approach accounts for the fact that the converted signals do not result exclusively from the piercing points at the boundary layers. Further signals originate from the conversions at the boundary layer within the Fresnel Zone. The piercing points are derived from the significant signals in the receiver functions. Depending on the order of arrival of the converted phases on the traces, the signals are attributed to the theoretical discontinuities DIS1, DIS2, DIS3 and DIS4. However, partly due to the low signal-to-noise ratios on the traces, it is difficult to identify the real conversions on the traces and to ensure that the converted signals are attributed to the correct boundary layers. For this reason, it is necessary to check the consistency of the conversion depths among each other. In the case of inconsistent conversion depths, the corresponding signals are either adjusted to another seismic boundary layer or removed from the dataset. To verify the functionality of the automatic procedure and to determine the resolvability with respect to two boundary layers, several models are tested including horizontal and dipping discontinuities. To resolve distinct discontinuities, their depths must differ by at least 60 km, otherwise, due to similar depth ranges of the different boundary layers, the converted signals cannot be separated from each other. As a consequence, the converted signals that originate from different discontinuities are attributed to a single one. Further tests including break-off edges of seismic discontinuities are performed to check the attributions of the converted signals to the discontinuities. Owing to the varying number of boundary layers, the converted signals cannot be attributed to the discontinuities according to the order of their arrivals on the traces. It is necessary to correct their attributions to the seismic discontinuities in order to resolve the boundary layers.
The crust-mantle boundary and further discontinuities within the lithospheric mantle are investigated by applying this automatic procedure. Depending on the tectonic setting, the conversion depths of the Moho range from about 30 – 45 km beneath the western rift shoulder to 20 – 35 km within the rift valley up to 30 – 40 km beneath the eastern rift shoulder. The long wavelengths of the shear waves hamper the correct identification of the converted phases in the S-receiver functions. With respect to the relative differences in conversion depth, the topographic undulations of the crust-mantle boundary are consistent with the Moho depths derived from P-receiver functions. In contrast to the Rwenzori region, it is difficult to resolve completely the trend of the Moho in the remaining area of the East African Rift due to the small dataset provided by IRIS. The results exibit an increase in crustal thickness to up to 45 km in the region of the Cenozoic volcanics such as Virunga, Kivu, Rungwe and Kenya. The greatest Moho depths of more than 50 km are located near Mount Kilimanjaro. In addition to the Moho, the analysis of the S-receiver functions revealed two further boundary layers at depths of 60 – 140 km and 110 – 260 km, which are associated with a mid-lithospheric discontinuity and the lithosphere-asthenosphere boundary, respectively. The shallowest conversion depths of the LAB are focussed to small-scale regions within the rift branches, namely the northern Albertine Rift, the Chyulu Hills and the Mozambique Belt, which are located around the Tanzania Craton. The larger thickness of the lithosphere beneath the cratonic terrain indicates that the Tanzania Craton is not significantly eroded. However, there are indications that the lithosphere beneath the craton and the rift branches is penetrated by ascending asthenospheric melts to depths of up to 140 and 60 km, respectively. The top of the ascending melts is associated with the occurrence of the mid-lithospheric discontinuity. The shallowest conversion depths of this boundary layer (60 – 90 km) are related to the rifted areas of the EARS and the Cenozoic volcanic provinces, which are located along the Albertine Rift, the Kenya Rift and the Rukwa-Malawi rift zones. The deepest conversion depths of up to 140 km are related to the Rwenzori Belt, the Ugandan Basement Complex and the interior of the Tanzania Craton.
In the past sixty years, excessive water consumption and dam construction have significantly influenced natural flow regimes and surface freshwater ecosystems throughout China, and thus resulted in serious environmental problems. In order to balance the competing water demands between human and environment and provide knowledge on sustainable water management, assessments on anthropogenic flow alterations and their impacts on aquatic and riparian ecosystems in China are needed.
In this study, the first evaluation on quantitative relationships between anthropogenic flow alterations and ecological responses in eleven river basins and watersheds in China was performed based on the data that could be obtained from published case studies. Quantitative relationships between changes in average annual discharge, seasonal low flow and seasonal high flow and changes in ecological indicators (fish diversity, fish catch and vegetation cover, etc.) were analyzed. The results showed that changes in riparian vegetation cover as well as changes in fish diversity and fish catch were strongly correlated with the changes in flow magnitude (r = 0.77, 0.66), especially with changes in average annual river discharge. In addition, more than half of the variations in vegetation cover could be explained by changes in average annual river discharge (r² = 0.63) and roughly 50 % changes in fish catch in arid and semi-arid region and 60% changes of fish catch in humid region could be related to alterations in average annual river discharge (r² = 0.53, 0.58).
In a supplementary analysis of this study, the first estimation on quantitative relationships between decreases in native fish species richness and anthropogenic flow alterations in 34 river basins and sub-basins in China was conducted. Linear relationships between losses of native fish species and five ecologically relevant flow indicators were analyzed by single and multiple regression models. For the single regression analysis, significant linear relationships were detected for the indicators of long-term average annual discharge (ILTA) and statistical low flow Q90 (IQ90). For the multiple regressions, no indicator other than ILTA has significant relationships with changes in number of fish species mainly due to collinearity. Two conclusions emerged from the analysis: 1) losses of fish species were positively correlated with changes in ILTA in China and 2) indicator of ILTA was dominant over other flow indicators included in this research for the given dataset. These results provide a guideline for the sustainable water resources management in rivers with high risk of fish extinction in China.
Die Induzierte Polarisation (IP) ist ein geoelektrisches Verfahren und wurde ursprünglich zur Exploration von Erzvorkommen entwickelt. Neben metallischen Leitern, tragen auch Tonminerale, der Porenraum und die chemische Zusammensetzung der Porenlösung zur Polarisierbarkeit eines Unter-grundes bei. Die spektrale Induzierte Polarisation (SIP) untersucht die Polarisierbarkeit in einem Frequenzbereich von 1 mHz bis 1 kHz und nutzt diese aufgezeichneten Spektren zur Unterscheidung von Materialien. Früher mit einem enormen messtechnischen Aufwand verbunden, führte der gerätetechnische Fort-schritt in den letzten beiden Jahrzehnten dazu, dass die SIP vermehrt in der Umweltgeophysik zum Einsatz kommt. Zu den Fragestellungen gehören die Detektion von Altlasten und der Grundwasser-schutz. In der Archäologie ist die Induzierte Polarisation bislang ein kaum verwendetes Verfahren. Im Rahmen des Graduiertenkollegs „Archäologische Analytik“ der J. W. Goethe- Universität wurde die Entwicklung einer Multielektroden-Apparatur SIP-256 begonnen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Fortführung dieser Entwicklung. Da sich die wissenschaftliche Fragestellung während dieser Promotion auf die Erkundung archäologischer Objekte beschränkt, galt es zunächst automatisierte Messabläufe zu realisieren, die es erlauben, die komplexe elektrische Leitfähigkeit kleinräumiger 2D- bzw. 3D-Strukturen zu erfassen. Die Verwendung der SIP-256 führte zu einer erheblichen Ver-kürzung der Messzeit und war entscheidend für die Realisierung dieser Arbeit. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildet die Suche nach Anwendungsgebieten für die SIP innerhalb der archäologischen Prospektion. Basierend auf den Ursachen von Polarisationseffekten werden im Rahmen dieser Arbeit drei Anwendungsgebiete vorgestellt. Das erste Anwendungsgebiet nutzt die Vorteile der SIP bei der Prospektion von Erzen. Auf einem mittelalterlicher Verhüttungsplatz bei Seesen am Harz konnten im Vergleich zu einer konventionellen Widerstandsmessung mehr Schlackegruben lokalisiert werden. Während einer deutsch-bulgarischen Grabungskampagne in Pliska (Bulgarien) 1999 gelang es, durch eine flächenhafte Anwendung der IP einen Siedlungshorizont über Lehmablagerungen nachzuweisen. Die Überreste eines Gebäudes erzeugten einen messbaren Polarisationseffekt. Die frühmittelalterlichen Siedlungsreste befinden sich mit 2 bis 3 m in relativ großer Tiefe und konnten bei einer anschließenden Ausgrabung freigelegt werden. Eine Kernfrage war, ob Holzobjekte mit Hilfe der SIP zu detektieren sind. Mit Hilfe von Labormessungen an der TU Clausthal konnte geklärt werden, dass Holz ein polarisierbares Material ist. Zu den untersuchten Proben gehören Hölzer aus einem bronzezeitlichen Bohlenweg, die von Ausgrabungen im Federseemoor (Kreis Biberach) stammen. Durch die Untersuchungen im Labor motiviert, folgte eine Feldmessung über dem Bohlenweg. Es gelang, erstmals ein Holzobjekt mit spektraler Induzierter Polarisation zu detektieren. Holz spielt durch die dendrochronologische Datierung von Fundstellen eine wichtige Rolle, konnte aber bislang noch mit keiner geophysikalischen Methode zufriedenstellend prospektiert werden. Abschließend kann gesagt werden, dass sich die spektrale Induzierte Polarisation als wertvolle Methode in der archäologischen Prospektion etablierte. Strukturen, welche mit einer konventionellen Widerstandsmessung nicht zu erkennen waren, konnten durch die SIP eindeutig identifiziert werden. Natürlich müssen die vorliegenden Ergebnisse noch durch weitere Messungen bestätigt werden, jedoch zeichnet sich ab, dass sich mit der fortschreitenden gerätetechnischen Entwicklung, welche zu schnelleren Messabläufen führt, wichtige Zusatzinformationen durch die spektrale Induzierte Polarisation gewinnen lassen.
Atmospheric nanoaerosols have extensive effects on the Earth’s climate and human health. This cumulative work focuses on the development and characterization of instrumentation for measuring various parameters of atmospheric nanoaerosols, and its use to understand new particle formation from organic precursors. The principal research question is, how the chemical composition of nanoaerosol particles can be measured and how atmospheric chemistry influences aerosol processes, especially new particle formation and growth. Therefore, nanoaerosols are investigated under various aspects. More specifically, an instrument is developed to analyze nanoparticles, and field as well as chamber studies are conducted.
The main project is the instrument development of the Thermal Desorption Differential Mobility Analyzer (TD-DMA, project 1, Wagner et al. (2018)). This instrument analyzes the chemical composition of small aerosol particles. By characterization and testing in chamber experiments, it is proven to be suitable for the analysis of freshly nucleated particles.
The second project (Wagner et al. (2017)) applies a broad spectrum of aerosol measurement instruments for the characterization of aerosol particles produced by a skyscraper blasting. A comprehensive picture of the particle population emitted by the demolition is obtained.
Project 3 (K¨urten et al. (2016)) is also an ambient aerosol measurement, focusing of new particle formation in a rural area in central Germany, and the ability of a negative nitrate CI-APi-TOF to detect various substances in atmosphere. Project 4 (Heinritzi et al. (2016)) is a characterization of the negative nitrate CI-APi-TOF used in projects 1, 3, 5, 6, 7 and 8. The following projects focus on understanding new particle formation from atmospherically abundant organic precursors. Key instruments comprise the negative nitrate CI-APiTOF for gas-phase measurements of the nucleating species, and various sizing and counting instruments for quantifying the particle formation and growth. Project 5 (Kirkby et al. (2016)) shows that biogenic organic compounds formed from alpha-pinene can nucleate on their own without the influence of e.g. sulfuric acid. Project 6 (Tr¨ostl et al. (2016)) describe the subsequent growth of these particles. Project 7 (Stolzenburg et al. (2018)) covers the temperature dependence of this growth and in project 8 (Heinritzi et al. (2018)), the suppressing influence of isoprene on the new particle formation is assessed.
Zur Erkundung der Depotfunktion von quellfähigen Tonmineralen für organische Umweltchemikalien und der möglichen Verdrängung dieser Chemikalien durch biogene Tenside wurden kinetische Untersuchungen mit Hilfe von Batch-Experimenten durchgeführt. Dabei wurde zunächst das Adsorptions- und Desorptionsverhalten von ausgesuchten Umweltchemikalien an mineralische Festphasen und danach die Verdrängung dieser Chemikalien durch biogene Tenside untersucht. Als Umweltchemikalien dienten in den Experimenten Di-(n-butyl)phthalat (DBP) und Di-(2-ethylhexyl)phthalat (DEHP), die in industriellem Maßstab hauptsächlich als Weichmacher in Kunststoffen verwendet werden und fünf ausgewählte polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die bei pyrolytischen Prozessen sowie der unvollständigen Verbrennung organischen Materials entstehen. In den durchgeführten Versuchsreihen dienten ein smektitreicher Bentonit, Quarzsand und Gemische aus diesen beiden Stoffen mit verschiedenen Gewichtsanteilen der Bentonit- und Sandphase sowie Seesand als Adsorbermedium für die Umweltchemikalien. Diese Variationen sollten das unterschiedliche Verhalten der verschiedenen Festphasen bezüglich der drei untersuchten Prozesse (Adsorption, Desorption und Austausch) mit den Chemikalien verdeutlichen. Untersuchungen am verwendeten Bentonit ergaben, daß sein Hauptbestandteil ein Calcium- Montmorillonit war. Der Montmorillonit ist ein quellfähiges, dioktaedrisches Tonmineral aus der Gruppe der Smektite. Die Quellfähigkeit dieses Smektits wurde in Quellversuchen mit Ethylenglykol und Glycerin mittels Röntgendiffraktometrie festgestellt. Die chemische Zusammensetzung des Minerals wurde mit Röntgenfluoreszenzmessungen analysiert. Mit dem Greene-Kelly-Test wurde der Montmorillonit als smektitischer Anteil im Bentonit identifiziert. Im Laufe einer jeden Versuchsreihe sind nacheinander drei Prozesse mit jeder Probe im Labor untersucht worden: 1. Adsorption von Umweltchemikalien (Phthalate und PAK) an Sandproben mit unterschiedlichen Tongehalten und an reinen Tonproben. 2. Desorption der adsorbierten Umweltchemikalien aus den Sand/Ton-Gemischen und Tonproben in vier Schritten. 3. Austausch dieser Chemikalien aus den Sand/Ton-Gemischen und Tonproben gegen biogene Tenside. Im ersten Schritt der Batch-Experimente wurden die beiden Phthalate bzw. die PAK (Naphthalin, Acenaphthen, Fluoren, Phenanthren und Fluoranthen) aus einer wässrigen Lösung an die mineralischen Festphasen adsorbiert. Die Phthalate wurden in einem 1:1 Verhältnis in den Experimenten eingesetzt, die fünf PAK als ein Gemisch oder auch einzeln. Für die PAKAdsorption wurde auch eine Wasser-Aceton-Mischung beim Adsorptionsversuch verwendet, da sich dadurch ihre Löslichkeit erheblich verbessern ließ und die kinetischen Reihenversuche bezüglich der Gleichgewichtseinstellung wesentlich gleichmäßiger verliefen. Die Proben wurden 20 Stunden lang bis zur Einstellung des Gleichgewichts im Überkopfmischer geschüttelt. Die festen Phasen wurden danach von den wässrigen Phasen getrennt und zur Ermittlung der Einstellung des Desorptionsgleichgewichts weiterverwendet. Die wässrigen Phasen wurden mit organischen Lösemitteln extrahiert und der Gehalt an Umweltchemikalien gaschromatographisch quantifiziert. Die verbliebenen Festphasen wurden jeweils viermal mit frischem, destilliertem Wasser 20 Stunden lang zur Ermittlung des Gleichgewichts der Desorption geschüttelt, wobei nach Abtrennung der wässrigen Phasen diese auf ihren Organikgehalt hin wie oben beschrieben untersucht wurden. An diese vier Desorptionsschritte schloß sich das Verdrängungsexperiment einer Versuchsreihe an. Hierbei wurden verseifte, langkettige biogene Tenside (Alkoholate und Carbonsäuresalze mit geradzahliger Anzahl der Kohlenstoffatome) zu jeder Probe hinzugegeben und jede Festphase nochmals mit frischem Wasser im Überkopfmischer geschüttelt. In diesem Schritt sollte überprüft werden, ob die in den Festphasen verbliebenen Phthalate und PAK durch Zugabe von biogenen Tensiden in höherem Maße in der wässrigen Phase wiedergefunden werden als dies aus dem jeweiligen Desorptionsgleichgewicht zu erwarten war. Mit den Ergebnissen konnten Adsorptionsisothermen (nur für Phthalate) aufgenommen und Angaben zur Einstellung des Desorptionsgleichgewichts oder dessen Störung nach Austauschexperimenten gemacht werden. Die Auswertung der Adsorptionsexperimente ergab, daß Festphasen mit Bentonitanteil befähigt sind, einen höheren Anteil an Phthalaten und PAK zu adsorbieren als reine Sandproben. Bei kleinen Phthalatkonzentrationen wurde DEHP aufgrund einer stärkeren Affinität zur Festphase besser adsorbiert als DBP. Stiegen die Phthalatzugaben, so wurde DBP in höherem Maße als DEHP adsorbiert. Dies wurde durch eine bessere Einlagerung der DBP-Moleküle in die innerkristallinen Zwischenschichten des Montmorillonit-Minerals ermöglicht (Interkalation). Röntgenographisch wurde ein deutlich vergrößerter Wert für den Schichtabstand im Montmorillonit nachgewiesen als im ursprünglichem Zustand (bis zu 18 Å gegenüber 15,3 Å). Die Desorptionsisothermen zeigten für Festphasen mit Quarzsandanteilen häufig ein ungleichmäßiges Verhalten. So wurde häufig im zweiten und dritten Desorptionsschritt eine unerwartet hohe Menge an Phthalaten in der wässrigen Lösung gefunden. Reine Bentonitproben zeigten dagegen eine gleichmäßige Konzentrationsabnahme der Phthalate nach jedem Desorptionsschritt. Der eingesetzte Bentonit war in der Lage, Phthalate stärker von der Desorption zurückzuhalten als Quarzsand. Die Einstellung des Desorptionsgleichgewichts erfolgte mit reinem Bentonit schneller als bei Sandproben oder Sand-Bentonit Gemischen. Bei Austauschexperimenten, in denen die ursprünglich eingesetzte Menge an Phthalaten unter 1 mg lag, wurden keine Verdrängungsprozesse festgestellt. Stiegen die Konzentrationen der Phthalate (bis zu ca. 200 mg), so kam es aufgrund der größeren Oberflächenbelegung im Montmorillonit zu Verdrängungsprozessen der Phthalate durch biogene Tenside. Die Extraktion der wässrigen Lösung ergab nach dem Austauschexperiment eine höhere Menge an Phthalaten als es aus dem Desorptionsexperimenten erwartet worden war. Insgesamt wurde mehr DBP als DEHP nach den Austauschexperimenten in der wässrigen Lösung gefunden. Da DBP besser als DEHP in die Zwischenschichten des Montmorillonits eingebaut wurde, konnte auch diese Feststellung damit erklärt werden, daß biogene Tenside die Phthalate aus den innerkristallinen Zwischenschichten verdrängen. Bei PAK wurden Verdrängungsprozesse nur im Falle von Phenanthren festgestellt. Bei anderen in den Experimenten eingesetzten PAK (vorwiegend Naphthalin, Acenaphthen und Fluoren) war offenbar der Dampfdruck so groß, daß vor dem Austauschexperiment nicht mehr genügend organisches Material in der Bodenprobe adsorbiert war. Bei parallel durchgeführten Versuchen mit reinem Quarzsand und mit Seesand als Festphase wurde dagegen weder bei Phthalaten noch PAK eine wesentliche Störung des Desorptionsgleichgewichts in der Größenordnung der bentonithaltigen Proben nach dem Verdrängungsexperiment festgestellt. Dies ist ein Hinweis darauf, daß Verdrängungsprozesse bevorzugt auf Oberflächen von Tonmineralen stattfinden. Insgesamt konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, daß Gleichgewichtseinstellungen von Umweltchemikalien an Tonmineralen durch biogene Tenside gestört werden können. Durch die Einwirkung der biogenen Tenside kommt es zu einer verstärkten Desorption der Umweltchemikalien aus den Tonmineralen.
Flusssysteme im mediterranen Raum reagieren besonders sensitiv auf Veränderungen von Umweltbedingungen, z.B. durch Neotektonik, Klimaänderungen und Landnutzung. Geowissenschaftler der Goethe-Universität Frankfurt untersuchen in diesem Zusammenhang das Einzugsgebiet des Rio Palancia (Spanien), um über die Erstellung einer Sediment-Massenbilanzierung die Entwicklungsgeschichte des Systems zu erforschen. Zur Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Sediment-Ablagerungstypen wurde das Georadarverfahren (GPR) eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es, am Beispiel fluvialer Lockersedimente das Zustandekommen von Radargrammen noch besser zu verstehen und möglichst viel Information über den Untergrund aus einem Radargramm zu extrahieren. An 30 Standorten wurden GPR-Messungen durchgeführt und mit Geoelektrik und Rammkernsondierungen kombiniert. Die Einführung einer Bearbeitungs- und Auswertesystematik gewährleistet die Vergleichbarkeit von Radardaten unterschiedlicher Standorte. Als Besonderheit werden die Radargramme jeweils auf zwei verschiedene Arten bearbeitet und dargestellt, um sowohl Strukturen herauszuarbeiten als auch die – zumindest relative – Amplitudencharakteristik zu erhalten. Erst dadurch wird eine Auswertung mithilfe der erweiterten Radarstratigraphie-Methode möglich. Diese setzt sich aus der klassischen Radarstratigraphie und der neu entwickelten Reflexionsanalyse zusammen. Dabei werden systematisch Radar-Schichtflächen, Radareinheiten und Radarfazies ermittelt und anschließend die Amplitudengröße, die Polarität und die Breite der Reflexionen betrachtet. Die Radarstratigraphie liefert objektive Erkenntnisse über Form und Verlauf von Untergrundstrukturen, während mithilfe der Reflexionsanalyse Aussagen zu relativen Änderungen von Wassergehalt, Korngrößenverteilung und elektrischer Leitfähigkeit möglich sind. Mithilfe der Radarstratigraphie wurde die Radarantwort verschiedener Sediment-Ablagerungstypen im Untersuchungsgebiet verglichen. Die Radargramme zeigen unterschiedliche Zusammensetzungen von Radarfazies. Eine Unterscheidung und räumliche Abgrenzung verschiedener Ablagerungstypen mit GPR ist somit durchführbar. Die Dielektrizität des Mediums bestimmt, zusammen mit der elektrischen Leitfähigkeit, die Geschwindigkeit und Dämpfung der elektromagnetischen Welle sowie die Reflexionskoeffizienten. Um das Zustandekommen von Radargrammen im Detail nachvollziehen zu können, ist es notwendig, die Dielektrizitätskoeffizienten (DK) der untersuchten Sedimente zum Zeitpunkt der Messung zu kennen und die Abhängigkeit des DK von petrophysikalischen Parametern zu verstehen. Deshalb wurden Proben aus den Rammkernsondierungen entnommen. Im Labor wurden der Real- und Imaginärteil des DK im Radarfrequenzbereich (mit Schwerpunkt auf 200 MHz) in Abhängigkeit von Wassergehalt, Trockendichte, Korngrößenverteilung und Kalkgehalt mithilfe der Plattenkondensatormethode bestimmt. Der DK ist in erster Linie vom Wassergehalt abhängig. Es konnte eine für die Sedimente im Untersuchungsgebiet charakteristische Wassergehalts-DK-Beziehung ermittelt werden. Die resultierende Kurve ist gegenüber entsprechenden in der Fachliteratur zu findenden Beziehungen verschoben, was vermutlich auf die hohen Kalkgehalte der Proben zurückzuführen ist. Für trockene Sedimente wurde eine Korrelation des DK mit der Trockendichte festgestellt. Bei der Bestimmung der Absorptionskoeffizienten fiel auf, dass Proben mit hohem Tonanteil selbst bei geringen Wassergehalten außerordentlich hohe Dämpfungskoeffizienten aufweisen können. Die charakteristische Wassergehalts-DK-Beziehung wurde für Modellierungen von Radardaten genutzt, die dann mit Messdaten verglichen wurden. Über die Modellierung einer einzelnen Radarspur konnte die spezielle Charakteristik der entsprechenden gemessenen Spur erklärt werden, die durch den Einfluss einer dünnen Schicht zustande kommt, deren Mächtigkeit an der Grenze der theoretischen Auflösung für die verwendete Radarfrequenz liegt. Auf Basis der Erkenntnisse aus der erweiterten Radarstratigraphie an einem Radargramm auf fluvialen Lockersedimenten war es zudem möglich, ein komplettes Radargramm zu simulieren. Es gibt das gemessene Radargramm vereinfacht, aber in guter Übereinstimmung wieder. Die Georadarmethode erwies sich als sehr gut geeignet für die Untersuchung, Identifizierung und Quantifizierung fluvialer Sedimente im Palancia-Einzugsgebiet. Die im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelte erweiterte Radarstratigraphie-Methode stellt ein systematisches und weitgehend objektives Verfahren zur Auswertung von Radargrammen dar, das sich auch auf andere Untersuchungsgebiete übertragen lassen sollte. Durch Laboruntersuchungen wurde der Einfluss petrophysikalischer Parameter auf den DK bestimmt. Über die Modellierungen konnten die Ergebnisse großskaliger Geländemessungen mit denen kleinskaliger Labormessungen verknüpft werden. Die insgesamt gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis von Radargrammen bei.
Der Dritte Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimawandel (IPCC, 2001a, b) bestätigt den Einfluss des Menschen auf das globale Klima und warnt vor einem Temperaturanstieg und vor Niederschlagsveränderungen in den nächsten 100 Jahren, die gesellschaftlichen Wohlstand und Umwelt nachhaltig beeinträchtigen können. Dabei werden weitreichende Folgen des Klimawandels angenommen, vom Anstieg des Meeresspiegels und einer möglichen Degradation von Landflächen bis hin zum Verlust von Tier- und Pflanzenarten, der Verknappung von Wasserressourcen, einer Zunahme von natürlichen Katastrophen wie Überschwemmungen und Dürren, der Ausbreitung von Krankheiten sowie negativer Auswirkungen auf die Nahrungsversorgung der Bevölkerung. Klimawandel ist dabei nur ein Aspekt des weiter gefassten ‘Globalen Wandels’, der eine Vielzahl von anthropogen verursachten Veränderungen der Umwelt einschließt. So wird zum Beispiel erwartet, dass auch demographische und sozioökonomische Entwicklungen sowie vom Menschen verursachte Landnutzungsänderungen eine erhebliche Auswirkung auf den zukünftigen Zustand der globalen Umwelt haben werden. Zu den gravierendsten Folgen des Globalen Wandels gehört die Veränderung der räumlichen und zeitlichen Verteilung der lokalen und regionalen Wasserressourcen. Es müssen daher Strategien entwickelt werden, um sowohl die Bevölkerung als auch die Umwelt vor den möglichen negativen Auswirkungen von erhöhten oder erniedrigten Pegelständen in Fließgewässern zu schützen, oder sie auf eine Veränderung der verfügbaren Wassermengen vorzubereiten. Zur Entwicklung dieser Strategien wiederum werden wissenschaftliche Szenarien und Modellberechnungen benötigt, mit deren Hilfe sich zukünftige hydrologische Verhältnisse abschätzen lassen. Zahlreiche derartige Szenarienanalysen wurden bereits durchgeführt, um den Einfluss des Klima- und Globalen Wandels auf das Wasserdargebot und auf das hydrologische Abflussregime zu untersuchen. Da Flusseinzugsgebiete eine natürliche und angemessene Betrachtungseinheit für dieses Problem darstellen, konzentrieren sich die meisten dieser Studien auf mittlere bis große Einzugsgebiete oder auf bestimmte Regionen zusammenhängender Flussgebiete. In Europa gibt es dazu Beispiele aus den frühen neunziger Jahren, als die Resultate der ersten Klimamodelle verfügbar wurden (z.B. Ott et al., 1991: für die Mosel; Kwadijk und van Deursen, 1993: Rhein; Vehviläinen und Huttunen, 1994: Vuoksi; Broadhurst und Naden, 1996: Severn; Bergström, 1996: Einzugsgebiet der Ostsee). Für diese Studien wurden hydrologische Modelle des jeweiligen Einzugsgebiets entwickelt und der Einfluss des Klimawandels auf den Abfluss bestimmt. Krahe und Grabs (1996) haben ein Wasserbilanzmodell mit einer Auflösung von 0.5° x 0.5° für den gesamten mitteleuropäischen Raum entwickelt und es anhandder Abflussdaten des Rheins, der Weser, der Ems, der Elbe und des deutschen Teils der Donau validiert. Arnell (1994, 1999), bzw. Arnell et al. (2000) untersuchten die Auswirkung des Klimawandels auf europäische Wasserressourcen ebenfalls mithilfe rasterbasierter Modellansätze. Schließlich zeigten Stanners und Bourdeau (1995), EEA (1999), Parry (2000), oder auf globaler Ebene WBGU (1999) und IPCC (1992, 2001a, b), in allgemeineren und politisch orientierten Untersuchungen den gegenwärtigen Zustand sowie mögliche zukünftige Entwicklungen der Umwelt in Europa und weltweit auf, einschließlich verschiedener Aspekte der kontinentalen Wasserressourcen und der Hydrologie. Im Vergleich zu den zahlreichen einzugsgebietsorientierten Analysen und ihrem stetig steigenden wissenschaftlichen Anspruch bis hin zu äußerst detaillierten Fragestellungen sind die regionalen oder globalen Ansätze jedoch eher selten und bleiben meist relativ unspezifisch in ihren Schlussfolgerungen. Darüber hinaus wird die Auswirkung der Wassernutzung, die erheblich zur Veränderung der zukünftigen Wasserressourcen und Abflussmengen beitragen kann, in den meisten Fällen aufgrund des Fehlens entsprechender Daten nicht berücksichtigt. In Anbetracht dieser Mängel wurde 1999 am Wissenschaftlichen Zentrum für Umweltsystemforschung an der Universität Kassel das EuroWasser-Projekt initiiert, auf dessen Durchführung die vorliegenden Dissertation beruht. In einem integrierten Modellansatz wurden in EuroWasser die Folgen von Klimawandel und sozioökonomischen Veränderungen auf die natürliche Wasserverfügbarkeit und die Wassernutzung auf gesamteuropäischer Ebene untersucht (siehe Abschlussbericht, Lehner et al., 2001). Das EuroWasser-Projekt versucht dabei drei aus Sicht von Gesellschaft, Ökonomie und Umwelt kritische Fragen zu beantworten: (1) Wie hoch ist der gegenwärtige Wasserstress in verschiedenen Regionen Europas, und welche zukünftigen Veränderungen sind zu erwarten? (2) Wie wird sich der Globale Wandel auf das europäische Wasserkraftpotenzial auswirken? Und (3) In welchen "kritischen Gebieten" Europas muss, basierend auf den Ergebnissen verschiedener Szenarien des Globalen Wandels, damit gerechnet werden, dass die Hochwasser- und Dürregefahr in Zukunft zunimmt, und von welcher Größenordnung sind diese Veränderungen? ...
In dieser Arbeit wird die Richtungsabhängigkeit seismischer Geschwindigkeiten im Erdmantel unterhalb Deutschlands und angrenzender Gebiete durch die Analyse der teleseismischen Kernphase SKS auf Doppelbrechung untersucht (Scherwellen-Splitting). Die Anisotropie wird durch die Splittingparameter Φ und δt beschrieben und erlaubt Rückschlüsse auf geodynamische Prozesse.
Untersucht werden Aufzeichnungen des Deutschen Seismologischen Regionalnetzes (GRSN) und assoziierter Stationen aus dem Zeitraum von 1993 bis 2009. Für drei Stationen des Gräfenberg-Arrays (GRF-Array) sind Wellenformen ab 1976 verfügbar, welche damit einen weltweit einmaligen Datensatz liefern.
Auf Grund des stetigen Ausbaus der seismologischen Netze und des langen Beobachtungszeitraumes können über 3.000 Seismogramme ausgewertet werden. Der Hauptteil dieser Arbeit besteht daher in der Entwicklung einer automatischen Methodik zur Analyse von SKS-Splitting: ADORE ("Automatische Bestimmung von DOppelbrechnungsparametern in REgionalseismischen Netzwerken"). Für regionale Netze wie das GRSN gewährleistet ADORE eine objektive Bestimmung der Splittingparameter. Zunächst wird das seismologische Netzwerk als seismisches Array aufgefasst, um durch eine Frequenz-Wellenzahl-Analyse den Einsatz der SKS-Phase ohne manuellen Eingriff zu bestimmen. Die Berechnung der Splittingparameter erfolgt durch eine Inversion nach der Methode der Minimierung des transversalen Energieanteils. Automatisch wird das optimale Fenster um den SKS-Einsatz positioniert, für jede Beben-Stations-Kombination werden dazu 3.600 Einzelinversionen durchgeführt.
Um diese Vielzahl von Auswertungen in akzeptabler Zeit zu berechnen, nutzt ADORE moderne Rechnerarchitekturen aus, verteilt die Berechnungen auf mehrere Computer im lokalen Netzwerk und erzielt damit eine Beschleunigung um einen Faktor 60.
Die Analyse des gesamten Datensatzes ergibt folgende Ergebnisse: An allen analysierten Stationen wurde ein Scherwellen-Splitting festgestellt, der Stationsuntergrund weist somit überall Anisotropie auf. Für 240 Erdbeben können insgesamt 494 Wertepaare mit höchster Qualität bestimmt werden.
Unter der Annahme einer homogenen ungeneigten anisotropen Schicht unterhalb der jeweiligen Station können die Einzelmessungen pro Station gemittelt werden. Damit sind Regionen mit ähnlichen Merkmalen gut zu identifizieren: Im Norden Deutschlands herrschen NW-SO-, in der Mitte W-O-Richtungen und im Süden SW-NO-Richtungen vor.
Die Verzögerungszeiten liegen im Bereich zwischen 1.0 (Station Taunus) und 2.2 Sekunden (Tannenbergsthal, TANN). Auf Grund des hohen Wertes sind die Ursachen für die hier beobachteten Zeiten dem Erdmantel und nicht der Kruste zuzuordnen. Die bevorzugte Ausrichtung von anisotropen Kristallen auf Grund von Fließprozessen von Mantelmaterial ist Quelle der beobachteten Anisotropie. Rezente Fließprozesse von Mantelmaterial sind vor allem an der Unterkante der Lithosphäre wahrscheinlich. Durch Gebirgsbildungsprozesse, vorhandene Gebirgswurzeln oder regionale Veränderungen in der Mächtigkeit der Lithosphäre entstehen Barrieren für viskoses Mantelmaterial.
Als tektonische Ursachen für die hier gemessenen Orientierungen ist im Norden die Tornquist-Teisseyre-Linie (TTZ), in der Mitte die Variszische Gebirgsbildung und im Süden Einflüsse des Alpenbogens anzusehen. Ausnahmen bilden die Stationen Clausthal-Zellerfeld (CLZ), Rügen und Black-Forest-Observatory (BFO). Während bei letzterer ein Einfluss der Spreizungszone des Oberrheingrabens zu vermuten ist, scheint die Intrusion des Brockengranits die Beobachtungen an CLZ zu prägen. Rügen liegt in einer Übergangszone zwischen Sorgenfrei-Tornquist-Zone und TTZ.
Durch die Vielzahl von vorhandenen Einzelmessungen lassen sich an manchen Stationen komplexe Modelle untersuchen. Dazu zählen neben Gradientmodellen auch die geneigte Schicht und Zwei-Schicht-Modelle. Für sechs Stationen kann ein Zwei-Schicht-Modell erstellt werden: BFO, Gräfenberg A1, Fürstenfeldbruck (FUR), Rüdersdorf (RUE), TANN und Unterbreitzbach (UBBA). Die Interpretation der Richtungen von oberer und unterer Schicht gelingt für einen Teil der genannten Stationen: An BFO liegt die Orientierung der unteren Schicht parallel zur Vorzugsrichtung der variszischen Gebirgsbildung, jene der obere Schicht antiparallel zur Spreizungsrichtung des Rheingrabens. Für die Station FUR ist eine Überlagerung mit der Streichrichtung des Alpenmassivs zu beobachten. An GRA1 wird die untere Schicht offenbar durch rezente oder eingefrorene Anisotropie des Böhmischen Massivs bzw. des Eger-Riftsystems beeinflusst. Eine vergleichbare Wirkung ist durch die TTZ an der Station RUE zu erkennen.
ADORE wurde weiterhin auf einen Datensatz des temporären RIFTLINK-Projektes angewandt.
Groundwater is the largest source of accessible freshwater with its dynamics having significantly changed due to human withdrawals, and being projected to continue to as a result of climate change. The pumping of groundwater has led to lowered water tables, decreased base flow, and depletion.
Global hydrological models (GHMs) are used to simulate the global freshwater cycle, assessing impacts of changes in climate and human freshwater use. Currently, groundwater is commonly represented by a bucket-like linear storage component in these models. Bucket models, however, cannot provide information on the location of the groundwater table. Due to this limitation, they can only simulate groundwater discharge to surface water bodies but not recharge from surface water to groundwater and calculate no lateral and vertical groundwater flow whatsoever among grid cells. For instance this may lead to an underestimation of groundwater resources in semiarid areas, where groundwater is often replenished by surface water. In order to overcome these limitations it is necessary to replace the linear groundwater model in GHMs with a hydraulic head gradient-based groundwater flow model
This thesis presents the newly developed global groundwater model G3M and its coupling to the GHM WaterGAP spanning over 70,000 lines of newly developed code. Development and validation of the modeling software are discussed along with numerical challenges. Based on the newly developed software, a global natural equilibrium groundwater model is presented showing better agreements with observations than previous models. Groundwater discharge to rivers is found to be the most dominant flow component globally, compared to flows to other surface water bodies and lateral flows. Furthermore, first global maps of the distribution of gaining and losing surface water bodies are displayed.
For the purpose of determining the uncertainty in model outcomes a sensitivity study is conducted with an innovative approach through applying a global sensitivity analysis for a computationally complex model. First global maps of spatially distributed parameter sensitivities are presented. The results at hand indicate that globally simulated hydraulic heads are equally sensitive to hydraulic conductivity, groundwater recharge and surface water body elevation, even though parameter sensitivities do vary regionally.
A high resolution model of New Zealand is developed to further understand the involved uncertainties connected to the spatial resolution of the global model. This thesis finds that a new understanding is necessary how these models can be evaluated and that a simple increase in spatial resolution is not improving the model performance when compared to observations.
Alongside the assessment of the natural equilibrium, the concept of a fully coupled transient model as integrated storage component replacing the former model in the hydrological model WaterGAP is discussed. First results reveal that the model shows reasonable response to seasonal variability although it contains persistent head trends leading to global overestimates of water table depth due to an incomplete coupling. Nonetheless, WaterGAP-G3M is already able to show plausible long term storage trends for areas that are known to be affected by groundwater depletion. In comparison with two established regional models in the Central Valley the coupled model shows a highly promising simulation of storage declines.
The biomarker record in two different lakes in central Europe, Lake Albano and Lake Constance, is used to reflect environmental changes and lake system response during the Late Glacial and Holocene. Extractable organic compounds in lake sediments, which can be assigned to their biological source (biomarkers) function as fingerprints of past aquatic or land plant organisms. Using gas chromatography coupled with mass spectrometry, 21 different biomarkers (predominantly steroids and triterpenoids) as well as a variety of n-alkanes, nalkanols, and n-alkanoic acids could be identified in the sediment records of Lake Albano and Lake Constance. In the Holocene sediments of Lake Albano, the distribution of biomarkers such as dinosterol (dinoflagellates), isoarborinol, and diplopterol (aquatic organisms) indicate three biomarker zones: The period between 0-3,800 years BP (zone 3) is characterized by high concentrations of these biomarkers and others such as tetrahymanol and diploptene. Conversely, zone 2 (3,800-6,500 years BP) shows very low concentrations of all autochthonous biomarkers. In zone 1 (6,500–11,480 years BP), dinosterol, isoarborinol, and diplopterol range on a relatively high level, whereas diploptene and tetrahymanol display comparatively low concentrations. The results suggest at least two distinct changes in the predominance of primary producers during the Holocene, which are related to changes in the lake system such as lake mixing and water column stratification. This interpretation is consistent with previous investigations of Lake Albano sediments including pigment and hydrogen index data (Ariztegui et al., 1996b; Guilizzoni et al., 2002). Allochthonous biomarkers such as long-chain n-alkanes, amyrenones and friedelin indicate a development from forest to a more open landscape from 6,000 and 5.000 years BP, respectively. After a period of high concentrations during the first half of the Holocene, all biomarkers derived from deciduous trees exhibit relatively low values until around 1,000 years BP. Again, this is consistent with results from previous pollen investigations (Ariztegui et al., 2000). The sediment core from Upper Lake Constance comprises the Late Glacial and Holocene. It was analysed for biomarkers and inorganic tracers in order to compare the biomarker results with other proxy data from the same core. Magnetic susceptibility (MS) was measured to get a high-resolution stratigraphic framework of the core and to obtain further information about changes of the proportions of allochthonous and autochthonous input. Enhanced concentrations and accumulation rates of dinosterol (biomarker for dinoflagellates) and biogenic calcite give evidence of increasing lake productivity at the beginning of the Holocene followed by a decrease in bioproductivity after around 7,000 years BP. Younger Dryas sediments are characterized by low amounts of both dinosterol and biogenic calcite indicating a low productivity. The comparison of the concentrations and accumulation rates of b-sitosterol and stigmastanol with parameters reflecting lake productivity suggests that both steroids in Lake Constance sediments are mainly derived from terrigenous sources. Biomarkers as well as concentrations and accumulation rates of allochthonous inorganic compounds such as titanium, magnesium and strontium indicate a slightly enhanced allochthonous input after 8,500 years BP. Significant increase of erosive matter input from enhanced soil erosion is not observed before 4,000 years BP. This can be attributed to the combined effects of precipitation increase as a result of climatic deterioration and anthropogenic deforestation which is consistent with observations from other lakes in Central Europe. The MS record of Lake Constance confirms these results by tracing the climatically induced shifts of more intense bioproduction (low MS caused by increased calcite deposition) during the ‘climatic optimum’. This is followed by increasing input of terrigenous sediment compounds during colder and wetter periods which lead to higher MS values in the lake sediments. The occurrence of tetrahymanol in Lake Constance sediments questions the unambiguous use of tetrahymanol as an indicator for water column stratification. Anaerobic organic macroaggregates within the oxygenated, photic zone of the water column have to be considered as a possible living space for anaerobic microorganisms containing tetrahymanol. The direct comparison of two very different lakes Albano and Constance with respect to biomarkers indicating climate or environmental change provides a contribution to the recent biomarker research for a better understanding of biomarkers in lacustrine sediments.
In this thesis, laboratory investigations have been conducted to investigate several processes occurring during the melt segregation (crystal settling and compaction processes), as well as during emplacement of plutons. With the help of three different sets of centrifuge experiments rates of these three magmatic processes have been evaluated. In the first series of the centrifuge experiments, the diapiric ascent of buoyant material from two source layers at different depths was studied. Through five models, the hypothesis of ascending diapirs was tested and it was demonstrated whether a rising diapir ascends straight upward or if its ascent might be deviated by another buoyant, softer – and consequently easier to travel through – layer which is located within the overburden strata. We were interested under which conditions they can be formed. For this purpose we placed perturbations on top of both the buoyant layers; either with a set-off of both the protrusions (for three of these experiments), or with both protrusion sitting directly on top of each other (for one of the experiments). In the first experiment, we omitted the perturbations, to test which pathways diapirs take which grow from natural Rayleigh-Taylor instabilities. Three others experiments differed in the viscosity contrast between the overburden and the buoyant material. Through the experimental runs, the effects of different overburden viscosities and perturbation positions on the number of the diapirs were observed. The modeling results show that two diapirs rising from the offset perturbations do not take the same pathway through the overburden layer. Rather, each diapir takes a different pathway, with the deeper diapir piercing through its overburden while rising, regardless if it was a buoyant layer or denser overburden layers. However, when the two perturbations were situated directly above each other in the different PDMS layers, this resulted in the formation of one big diapir rather than several smaller ones, and the overburden layer was less deformed than with offset perturbations. Diapiric structures as those derived from the models without perturbation and where the perturbation are offset occur within Great Kavir Basin (Iran), where numerous salt diapirs grew from several salt horizons, which show a similar spatial distribution. The resulting structure observed in the model where the two perturbations situated directly above each other, is close to what is observed in composite batholiths such as the Flasergranitoid Zone within the Bergsträßer Odenwald Crystalline Complex (Germany). The second series of models were aimed to study crystal settling within a magma. For this purpose experiments with an artificial magma of 30 vol% olivine in 70 vol% basaltic melt were conducted to elucidate the formation mechanisms and time scales of gravitational cumulates. Through the experiments, two physical processes have been observed: (i) purely mechanical compaction, and (ii) chemical compaction induced by dissolution and re-precipitation of settled crystals. The results reveals that the mechanical settling of the dense olivine suspension occurs at about 1/6 the speed of simple Stokes settling, and a sedimentation exponent n of 4.1 is found. Evidences of chemical compaction induced by dissolution and re-precipitation of settled crystals have been highlighted by a detailed analysis of the fine structure of olivine grain boundaries. This last has revealed (1) the presence of Ca, which is characteristic only for MORB-melt, at the interface of two adjacent Ol-grains even when no melt is present; (2) a not fully crystallized boundary layer between two adjacent olivine grains. The crystal size distribution curves and the grain size growth exponent n ~3.6 indicate that diffusion controlled Ostwald ripening is the dominant crystal growth mechanism in concentrated magmatic suspensions. Finally, the formation times in natural olivine adcumulates have been calculated. The last series of centrifuge experiments deals with the crystal-melt settling-floating mechanism in a system composed of natural two pyroxene gabbro. The results have revealed a vertical evolution of the major and trace elements in the melt phase. Then, a numerical modelling of the sedimentation process of the crystals has been made in order to describe the compaction evolution with time. In comparing the numerical simulation with the centrifuge modelling, the stratification of the compacted layer in the runs is reproduced in numerical models. Moreover, on the base of the numerical and centrifuge modelling, a sedimentation exponent describing a deviation of settling in concentrated suspensions from Stokes sedimentation has been evaluated. Finally, the numerical simulation is applied to the Muskox intrusion to estimate the formation time and the melt fraction evolution in using the hindered sedimentation model calculations.
Eisnukleierende Partikel (INP) sind ein wichtiger Bestandteil des atmosphärischen Aerosols. Trotz ihrer geringen Konzentrationen in der Atmosphäre haben sie Einfluss auf die Bildung von Eiskristallen und auf den Niederschlag. Durch Änderungen in Anzahlkonzentration oder anderer Eigenschaften der INP können sich Wolkenparameter wie Lebensdauer und Tröpfchendichte ändern, was weiter eine Ursache für Änderungen im globalen Strahlungshaushalt sein kann.
Der Anteil zum globalen Strahlungshaushalt durch „Wolken-Anpassungen aufgrund von Aerosolen“, stellt weiterhin die größte Unsicherheit des Strahlungsantriebes dar. Aus diesem Grund sind Messungen und Studien über atmosphärische Aerosole und INP notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Eiskeimzähler FINCH („fast ice nucleus chamber“) grundlegend überholt und für Messungen von INP optimiert. FINCH ist ein in-situ Eiskeimzähler der durch Mischung unterschiedlicher Luftströme eine Übersättigung der Probeluft mit Wasserdampf erzeugt, um auf diese Weise die zu untersuchenden Aerosolpartikel zu Eiskristallen wachsen zu lassen. Am Ende einer Wachstumskammer werden die Partikel durch eine Optik, dem FINCH-OPS, anhand von Streueigenschaften klassifiziert und ausgewertet. Um FINCH im erwarteten Umfang benutzen zu können, wurden am F-OPS der Laser und die zur Detektion des Streulichts benutzen Photomultiplier ersetzt. Weiter wurde die Software zur Detektion der Partikel neu entwickelt. Durch diese Änderungen ist es möglich Partikelanzahl, Partikelgröße sowie eine Information über die Form der Partikel abzuleiten. Über einen weiteren Photomultiplier im F-OPS ist es zudem möglich eine Information über Fluoreszenz des Partikels zu gewinnen, um so auf einen biologischen Ursprung des Partikels zu schließen. Vorangegangene Probleme durch elektromagnetische Einstrahlung und dadurch entstandene Inkonsistenzen während Messungen konnten im Rahmen dieser Arbeit identifiziert und ausgeschlossen werden. Ebenfalls konnten die zur Flusskühlung benutzen Wärmetaucher als Ursache für Verunreinigungen und Kontamination ausgemacht werden. Auch dieser, für Messungen ungeeignete Zustand, wurde im Rahmen dieser Arbeit behoben.
Ausführliche Charakterisierungsmessungen konnte die Funktionsfähigkeit des F-OPS, als einzelnes Messgerät ohne FINCH-Kammer, belegen. Durch Messungen mit einer steuerbaren Lichtquelle in der Optik konnte zudem die elektrische Verarbeitung sowie die Zählqualität der Optik verifiziert werden. Weiter kann durch diese Experimente gezeigt werden, dass mit dem F-OPS größenaufgelöst gemessen werden kann.
Auch in den ersten Streulichtexperimenten mit Testaerosol kann die Funktionsfähigkeit der Optik gezeigt werden. Für Partikelgröße von Dp > 400 nm wird eine Zähleffizienz von 25% eines TSI 3025 CPCs erreicht. Die über den F-OPS abgeleitete Partikelgröße kann durch Messungen mit monodispersen Aerosolpartikeln und einer parallelen Messung mit einem TSI 3330 OPS parametrisiert werden. Weiter kann die Fluoreszenz von ausgewählten Referenzstoffen gezeigt werden.
Im Betrieb von F-OPS hinter der FINCH-Kammer, also FINCH als Komplettsystem, wurden weitere Charakterisierungsmessungen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die Anzahlkonzentration der Partikel nach Schließen eines Ventils exponentiell abfällt. Die Partikel folgen demnach nicht nur einem laminaren Fluss durch die Kammer. 50% der Partikel haben nach ca. 13 s die Kammer verlassen. Auch wurde ermittelt, dass ca. 40% der Partikel in der Kammer verloren gehen.
Erste Aktivierungsexperimente zeigen, dass Eispartikel in der Kammer auf eine Größe von Dp > 6 µm anwachsen. Durch Nullfiltermessungen in Aktivierungsphasen, sowie Ändern des zur Aktivierung notwendigen feuchten Flusses, wird zudem gezeigt, dass die Aktivierung der INP durch Mischung erfolgt und außerdem keine Fremdpartikel aktiviert werden. Die neue Steuerung der Kammer lässt es zu Temperaturen in etwa einer Stunde gezielt anzusteuern. Es wird gezeigt, dass Schwankungen in der Sättigung hauptsächlich durch Temperaturphänomene beeinflusst werden.
Abschließend wurden beispielhaft Laborexperimente mit Snomax© durchgeführt, welche sehr gut mit Werten aus der Literatur verglichen werden konnten. Auch eine erste Außenluftmessung am Jungfraujoch (Schweiz) wird in dieser Arbeit präsentiert. Die gemessenen INP-Konzentrationen im gezeigten Zeitraum liegen zwischen 1,4 ± 4,1 L-1 und 53 ± 30 L-1 und entsprechen somit wiederum bekannten Literaturwerten.
In dieser Arbeit wurde der chemische Ozonverlust in der arktischen Stratosphäre über elf Jahre hinweg, zwischen 1991 und 2002, mit Hilfe der so genannten "Ozon-Tracer Korrelationstechnik" (TRAC), untersucht. Bei dieser Methode werden Korrelationen zwischen Ozon und langlebigen Spurenstoffen im Verlauf des Winters im Polarwirbels beobachtet und so der jährliche akkumulierte Ozonverlust berechnet. Die Ergebnisse dieser Arbeit basieren im wesentlichen auf Messdaten der Satelliteninstrumente: HALOE (Halogen Occultation Experiment) auf UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) und ILAS (Improved Limb Atmospheric Spectrometer) Instrument auf ADEOS (Advanced Earth Observing Satellite). Das HALOE Instrument misst seit Oktober 1991 kontinuierlich alle zwei bis drei Monate für einige Tage in höheren nördlichen Breiten. ILAS lieferte ausschließlich für den Winter 1996-97 Messungen, die über sieben Monate hinweg in hohen Breiten aufgenommen wurden. Aufgrund der eingeführten Erweiterungen und Verbesserungen der Methode in dieser Arbeit, konnte die Methode anhand einer detaillierten Studie für den Winter 1996-97 validiert werden. Die ILAS Messreihe wurde dazu verwendet, erstmals die Untersuchung der zeitlichen Entwicklung von Ozon-Tracer Korrelationen kontinuierlich für die gesamte Lebensdauer des Polarwirbels durchzuführen. Dabei wurden auch Korrelationen während der Bildung des Wirbels untersucht und im Besonderen mögliche Mischungsvorgänge zwischen Wirbelluft und Luftmassen außerhalb des Wirbels. Ausserdem wurde ein Vergleich der Ergebnisse von ILAS und HALOE Messdaten durchgeführt und Unterschiede in den Ergebnissen tiefgreifend analysiert. Basierend auf HALOE Messungen konnte die erweiterte TRAC Methode über elf Jahren hinweg angewendet werden. Damit war erstmals eine konsistente Analyse von Ozonverlust und Chloraktivierung über diesen Zeitraum möglich. Die Erweiterungen führten zu einer Verringerung und genauen Quantifizierung von Unsicherheiten der Ergebnisse. Ein deutlicher Zusammenhang zwischen meteorologischen Bedingungen, Chloraktivierung und dem chemischen Ozonverlust wurde deutlich. Weiterhin zeigte sich eine Abhängigkeit zwischen den meteorologischen Bedingungen und der Homogenität des Ozonverlustes innerhalb eines Winters, sowie der mögliche Einfluss von horizontaler Mischung auf Luftmassen in einem schwach ausgeprägten Polarwirbel. In dieser Arbeit wurde eine positive Korrelation zwischen den über die gesamte Lebensdauer des Wirbels auftretenden möglichen PSC-Flächen und den akkumulierten Ozonverlusten für die elf untersuchten Jahre deutlich. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass der Ozonverlust von deutlich mehr Einflüssen als nur von der Fläche möglichen PSC Auftretens bestimmt wird, sondern zum Beispiel von der Stärke der Sonneneinstrahlung abhängt. Außerdem lassen sich Auswirkungen von Vulkanausbrüchen, wie zum Beispiel im Jahr 1991 der des Mount Pinatubo, identifizieren.
Climatology of morphology and cloud-radiative properties of marine low-level mixed-phase clouds
(2023)
Marine stratocumuli cover about 40 - 60% of the ocean surface. They self-organize into different morphological regimes. The two organized cellular regimes are called open and closed mesoscale-cellular convective (MCC) clouds. In mid-to-high latitudes, open and closed cells are the two most frequent types of MCC clouds. In particular, many MCC clouds consist of a mixture of vapor, liquid droplets, and ice particles, referred to as mixed-phase clouds (MPCs). Even for the same cloud fraction, the albedo of open cells is, on average, lower than that of closed MCC clouds. Cloud phase and morphology individually influence the cloud radiative effect. Thus, this thesis investigates the relationships between the cloud phase, MCC organization, cell size, and differences regarding the cloud-radiative effect.
This thesis focuses on space-borne retrievals to achieve extensive temporal and spatial coverage. The liDAR-raDAR (DARDAR) version 2 product collocates two active and one passive satellite: CloudSat, Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO), and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). The cloud phase of DARDAR is vertically integrated to establish a single cloud phase at each data point. The MCC classification data set based on the liquid water path (LWP) of MODIS scenes is collocated with the DARDAR product to determine the MCC organization. Cell-size statistics of both MCC clouds are obtained using a marker-based image segmentation method on MODIS reflectance scenes. In addition, based on MODIS reflectance scenes, a convolutional neural network (CNN) is developed to classify open and closed MCC scenes to avoid missing mature MPCs with a low LWP.
The first part of this thesis explores the relationships between cloud phase, morphology, and cloud albedo in the Southern Ocean (SO). At a given cloud-top temperature (CTT), seasonal changes in the mixed-phase fraction, defined as the number of MPCs divided by the sum of MPC and supercooled liquid cloud (SLC) pixels, are stronger than the morphological changes. Therefore, external factors seem to influence these changes instead of morphology. The dependence of cloud phase on cloud-top height (CTH) is more substantial than on CTT in clouds with CTHs below 2.5 km. The previously observed acceleration of closed-to-open transition in MPCs, known as preconditioning, is not the primary driver of climatological cloud morphology statistics in the SO. The morphological differences in cloud albedo are more pronounced in SLCs than in MPCs. This change in albedo alters the cloud radiative effect in the SO by 21Wm−2 to 39Wm−2 depending onseason and cloud phase.
Open and closed MCC clouds exhibit larger equivalent cell diameters in the MPCs than in SLCs in austral summer, whereas, in austral winter, the SLCs are larger. The cell’s aspect ratio accounts for varying CTHs. Closed cells have smaller aspect ratios than open cells, so their cell diameter is smaller, independent of CTH. While the seasonal differences in closed cells are due to changes in CTH, the seasonal aspect ratio differences in open cells are mainly caused by MPCs. With increasing aspect ratios, the cloud albedo decreases in both open and closed MCC clouds, with the most substantial decrease in open MPCs clouds. This leads to cloud-radiative changes of 60 - 75Wm−2 in the SO, depending on cloud phase and aspect ratio.
The established CNN exhibits a good accuracy of 80.6%, with even higher accuracies in the Open (85.5%) and Closed (87.3%) categories. The global MCC climatology based on the CNN generally agrees well with previous MCC distributions. The most notable difference occurs in the Northern Hemisphere (NH) in boreal winter, with a higher occurrence frequency of closed and open MCC clouds. This might indicate missing MPCs in previous studies based on the LWP and some restricted to warm cloud scenes. Thus, the developed CNN seems to better represent the different morphologies in MPCs than in previous classifications.
In conclusion, this thesis shows that understanding the dependencies of cloud phase, cloud morphology, and cell size is important to enhance predictions of the cloud-radiative effect and thus, it is important to evaluate how cloud phase, cloud morphology, and cellsize change in a warming climate.
During this study clumped isotope analysis of carbonates was established at the Goethe University of Frankfurt, Germany. Therefore, preparation protocols and analytical parameters were elaborated to obtain precise and accurate Δ47 data. Briefly, analyte CO2 was cleaned cryogenically using glass extraction lines to remove traces of water that enable re-equilibration of C–O bonds in the gases. Furthermore, analyte CO2 was passed through a gas chromatograph (GC) to clean it from contaminants that produce isobaric interferences with m/z 47. Initially, phosphoric acid digestions of carbonates was conducted at 25 °C in McCrea-type reaction vessels. Afterwards samples were reacted at 90 °C using a common acid bath. Mass spectrometric analyses were performed using a MAT 253 equipped with a dual inlet system. Δ47 values were directly projected to the absolute scale using CO2 gases equilibrated at distinct temperatures.
In cooperation with Stefano Bernasconi and his research group at ETH Zurich we studied the non-linearity that occurs for the measurement of m/z 47. This effect results from secondary electrons created by the m/z 44 beam. These electrons cause a negative background on the m/z 47 collector. A correction procedure was proposed that relies on the determination of the negative background on the m/z 47 Faraday cup. This approach might reduce time-consuming analyses of heated gases which were used so far to account for the observed non-linearity. However, the suggested correction of the negative background on the m/z 47 cup is only applicable if the slit width of the m/z 44 beam is significantly wider than that of the m/z 47 beam.
This thesis, furthermore, presents a comparison of the different phosphoric acid digestion techniques which are commonly used for carbonate clumped isotope analysis. For calcitic and aragonitic material digested at 25 °C in McCrea-type vessels we observed that the sample size has an effect on Δ47 data: higher mean Δ47 values and a larger scatter of data were received for samples <7 mg than for larger aliquots. For carbonate samples digested at 90 °C in a common acid bath no sample size effect was determined. We assume that secondary re-equilibration of CO2 with water preferentially occurs at 25 °C producing the observed differences. However, a sample size effect can be avoided if reaction temperature is increased to 90 °C.
In order to make carbonate Δ47 data obtained from acid digestions at 90 °C comparable to Δ47 data received from reactions at 25 °C the difference of the acid fractionation factores (Δ47*25-90) between both temperatures has to be known. For the determination of the Δ47*25-90 value we have considered Δ47 data made at 25 °C from samples >7 mg only. For calicte and aragonite we obtained differences in fractionation factores of 0.075‰ and 0.066‰, respectively. These Δ47*25-90 values are coincident with the theoretical prediction of 0.069‰ proposed for calcite (Guo et al., 2009).
Moreover, this dissertation comprises a calibration study of the clumped isotope thermometer based on various natural calcites that grew between 9 and 38 °C. The samples include a brachiopod shell, a bivalve shell, an eggshell of an ostrich and foraminifera tests which formed from distinct biomineralizing processes. Furthermore we included an authigenic carbonate crystallized from biological-induced precipitation. The following linear relationship between 1/T2 and Δ47 was determined (with Δ47 in ‰ and T in K):
Δ47 = 0.0327 (± 0.0026) x 106 / T2 + 0.3030 (± 0.0308) (R2 = 0.9915)
This equation differs from the pioneering Ghosh et al. (2006a) calibration. However, our regression line is statistically indistinguishable from that of Henkes et al. (2013) which is based on aragonitic mollusks and calcitic brachiopod shells. Both studies have in common that calibration data were, at first, directly referenced to the absolute scale. In addition, both datasets rely on similar digestion techniques. Furthermore, the two calibrations are conform with the theoretical prediction of Guo et al. (2009).
The calcite calibration of the clumped isotope paleothermometer received in this study was applied to Δ47 data measured for Silurian brachiopods shells from Gotland/Sweden. Prior to isotopic analysis the fossils were intensively investigated for their preservation state (CL, SEM, trace elements). The lowest T(Δ47) values of ca. 28 to 33 °C were estimated from ultrastructurally well-preserved regions of some shells. For these samples also the lowest δ18Ow values of Silurian seawater were determined. These estimates of ca. −1‰ confirm the assumption that the δ18O value of the Silurian ocean was buffered to (0 ± 1)‰.
Nevertheless, most studied shells were characterized by a patchwork of pristine and altered shell portions resulting in elevated T(Δ47) values which plot mostly between 40 and 60 °C. Our results indicate that the clumped isotopic composition of the shells were altered at low water-rock ratios, not affecting the δ18O values. Δ47 and δ18O data of associated diagenetic phases (sparitic and micritic phases of the inner fillings of the fossils) provide evidence that the sparitic cements grew during several diagenetic events which occurred at different temperatures in fluid-buffered systems. We, furthermore, conclude that the micritic phases lithified at a very early diagenetic stage with the δ18O values being most probably close to a Silurian seawater composition
In dieser Arbeit werden Schmelz- und Anreicherungsprozesse des Erdmantels, sowie Kristallisationsereignisse der Erdkruste zweier ausgewählter Gebiete in Namibia und Spanien mithilfe geochemischer Methoden rekonstruiert und in einen zeitlichen Zusammenhang gebracht. Ein Vergleich der gewonnenen Ergebnisse beider Kompartimente soll dabei weitere Informationen liefern inwieweit Prozesse des Erdmantels und der Erdkruste miteinander verknüpft waren. Insbesondere soll ein weitere Beitrag zur aktuellen Diskussion geliefert werden, bei der sich das sogenannte „pulsed growth“ und „steady accumulation“ Modell gegenüberstehen (siehe Zusammenstellung Pearson et al., 2007). Zudem tragen die neu gewonnenen Daten dazu bei, die regionalen geologischen Gegebenheiten im besonderen Hinblick auf die geotektonische Geschichte besser zu verstehen.
Das Gibeon Kimberlit Feld befindet sich in der tektonischen Einheit des Rehoboth Terranes in Namibia und ist gekennzeichnet von Vulkanismus vor etwa 72.5 Ma (Davies et al., 2001), der Granat Peridotite und krustale Xenolithe mit an die Oberfläche beförderte. Eine klare Einordnung des Rehoboth Terranes in die Gesamtheit des Süd Afrikanischen Plattenverbunds ist noch nicht vollständig geklärt.
Die Südöstliche vulkanische Provinz in Spanien (SEVP) mit besonderem Hinblick auf die Region um Casas de Tallante stellt das zweite Probengebiet für diese Arbeit dar. Vor etwa 2.6 Ma (Bellon et al., 1983) kam es zur Extrusion von alkali-basaltischen Schmelzen, die zahlreiche Spinell / Plagioklas Peridotite mit sich brachten. Tufflagen, sowie die Matrix der Basalte ermöglichen einen Einblick in die untere Kruste der Region.
Untersuchungen der Erdmantelproben aus Namibia auf ihre Haupt- und Spurenelementchemie, sowie Lu-Hf und Sm-Nd Isotopie zeigten, dass zwei verschiedene Manteltypen vorliegen („N“ und „σ“ Typ), die zu einem Zeitpunkt um etwa 850 Ma („N“) und 1.9 Ga („σ“) angereichert wurden. Eine letzte Anreicherung beider Typen fand vermutlich während der Pan–Afrikanischen Orogenese um etwa 450 Ma statt. Die Reinterpretation eines zuvor publizierten Datensatzes (Pearson et al., 2004), suggeriert, dass es zu einer ersten Verarmung der σ Peridotite um etwa 2.9 Ga kam.
Untersuchungen der U-Pb und Hf Isotopie an Zirkonen aus der unteren Kruste des Probengebiets in Namibia ergaben, dass es zur Bildung von juvenilem Krustenmaterial vermutlich bereits im Archaikum kam (wie bereits vorgeschlagen durch z.B. Hoal et al., 1995; Franz et al., 1996), sowie in den Zeiträumen von 2.3 bis 2.7 und 1.5 bis 1.6 Ga, mit jeweils anschließendem krustalem Recycling und Krustenmischung. Eine Übereinstimmung von Mantel- und Krustenevents konnte für die Zeiträume von etwa 1.8, 0.8 - 0.9 Ga und 0.4 – 0.5 Ga gefunden werden. Eine mögliche erste Verarmung des σ Mantels wird bestätigt durch Zirkonalter im Bereich von 2.7 bis 2.9 Ga.
Die Analyse ausgewählter Spinell / Plagioklas Peridotite aus der SEVP, ergaben, dass ein heterogener Mantel mit mindestens 3 verschiedenen Typen vorliegt. Eine Korrelation der Lu-Hf Isotopie von 3 Proben dieses Probensatzes, sowie den Hf Isotopien einer weiteren Probe von Bianchini et al. (2011) suggerieren, dass es eventuell zu einem Verarmungsereignis zu einem Zeitpunkt von etwa 550 Ma kam. Sr Isotopien von Klinopyroxenen und Plagioklasen im Vergleich ergaben, dass die Sr Isotopie der Plagioklase, im Gegensatz zu den Klinopyroxenen, von denen der Alkali Basalte überprägt wurden.
Zirkonanalysen aus Lokalitäten innerhalb der SEVP (U-Pb, Hf) ergaben ein weitreichendes Altersspektrum, beginnend bei etwa 2-3 Ma bis hin ins Archaikum (2.7 bis 2.9 Ga) mit Provenance Ursprung aus Gondwana und dem Arabisch-Nubischen Schild. Die Kombination der U-Pb Altersinformationen mit den entsprechenden Hf Isotopien, zeigten, dass es vermutlich bereits im Archaikum zu juveniler Krustenbildung kam. Zirkone > 100 µm datieren den Zeitpunkt der Eruption der Alkali Basalte mit Altern um etwa 2.6 Ma und Hf Isotopien, die einem leicht verarmten Mantel entsprechen. Ein mögliches Verarmungsereignis im Erdmantel zu einem Zeitpunkt von etwa 550 Ma, ist im Einklang mit Krustenrecycling zu selbigem Zeitpunkt.
Die neugewonnenen Daten dieser Arbeit unterstützten das „pulsed growth“ Modell.
Literatur
Bellon, H., Bordet, P. and Montenat, C., 1983. Chronology of the Neogene Magmatism from Betic Ranges (Southern Spain). Bulletin De La Societe Geologique De France, 25(2): 205-217.
Bianchini, G., Beccaluva, L., Nowell, G.M., Pearson, D.G. and Siena, F., 2011. Mantle xenoliths from Tallante (Betic Cordillera): Insights into the multi-stage evolution of the south Iberian lithosphere. Lithos, 124(3-4): 308-318.
Davies, G.R., Spriggs, A.J. and Nixon, P.H., 2001. A non-cognate origin for the Gibeon kimberlite megacryst suite, Namibia: Implications for the origin of Namibian kimberlites. Journal of Petrology, 42(1): 159-172.
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Derivation and characterization of a new filter for nonlinear high-dimensional data assimilation
(2015)
Data assimilation (DA) combines model forecasts with real-world observations to achieve an optimal estimate of the state of a dynamical system. The quality of predictions in nonlinear and chaotic systems such as atmospheric or oceanic circulation is strongly sensitive to the initial conditions. Therefore, beyond the consistent reconstruction of past states, a primary relevance of advanced DA methods concerns the proper model initialization. The ensemble Kalman filter (EnKF) and its deterministic variants, mostly square root filters such as the ensemble transform Kalman filter (ETKF), represent a popular alternative to variational DA schemes. They are applied in a wide range of research and operations. Their forecast step employs an ensemble integration that fully respects the nonlinear nature of the analyzed system. In the analysis step, they implicitly assume the prior state and observation errors to be Gaussian. Consequently, in nonlinear systems, the mean and covariance of the analysis ensemble are biased and these filters remain suboptimal. In contrast, the fully nonlinear, non-Gaussian particle filter (PF) relies on Bayes' theorem without further assumptions, which guarantees an exact asymptotic behavior. However, it is exposed to weight collapse, particularly in higher-dimensional settings, known as the curse of dimensionality.
This work presents a new method to obtain an analysis ensemble with mean and covariance that exactly match the corresponding Bayesian estimates. This is achieved by a deterministic matrix square root transformation of the forecast ensemble, and subsequently a suitable random rotation that significantly contributes to filter stability while preserving the required second-order statistics. The forecast step remains as in the ETKF. The algorithm, which is fairly easy to implement and computationally efficient, is referred to as the nonlinear ensemble transform filter (NETF). The limitation with respect to fully-nonlinear filtering is that the NETF only considers the mean and covariance of the Bayesian analysis density, neglecting higher-order moments.
The properties and performance of the proposed algorithm are investigated via a set of experiments. The results indicate that such a filter formulation can increase the analysis quality, even for relatively small ensemble sizes, compared to other ensemble filters in nonlinear, non-Gaussian scenarios. They also confirm that localization enhances the applicability of this PF-inspired scheme in larger-dimensional systems. Finally, the novel filter is coupled to a large-scale ocean general circulation model with a realistic observation scenario. The NETF remains stable with a small ensemble size and shows a consistent behavior. Additionally, its analyses exhibit low estimation errors, as revealed by a comparison with a free ensemble integration and the ETKF. The results confirm that, in principle, the filter can be applied successfully and as simple as the ETKF in high-dimensional problems. No further modifications are needed, even though the algorithm is only based on the particle weights. Thus, it is able to overcome the curse of dimensionality, even in deterministic systems. This proves that the NETF constitutes a promising and user-friendly method for nonlinear high-dimensional DA.
Development of the flash-heating method for measuring melting temperatures in the diamond anvil cell
(2016)
A new ‘laser flash-heating’ method has been developed for measuring melting temperatures above 2000 K in a diamond anvil cell at gigapascals of pressure. It overcomes the general difficulties in detecting an onset of melting in a diamond anvil cell. It also circumvents the notorious experimental difficulties associated with the long heating durations of the CW laser-heating and the short timescales in the pulsed laser-heating and shock-compression experiments.
In this method, the duration of heating a sample is tuned to avoid chemical reactions of the sample with the diamond anvils and the surrounding pressure medium, while maintaining the accuracy of the temperature measurements. The absence of chemical reactions is confirmed by the EDS technique. Melt detection is now unambiguous from the analysis of textures on the surface and in depth of the recovered samples using the SEM and FIBM techniques, respectively. Using this method, the following has been achieved.
1. The melting curve of hcp-Re has been measured to 48 GPa, 4200 K for the first time. It has a significantly steeper slope than those observed for other transition metals like W and Mo with bcc structures. Above 20 GPa, Re becomes the most refractory metal surpassing W.
2. The melting curve of bcc-Mo has been measured to 45 GPa, 3100 K. It agrees with previous melt-slopes approaching zero value with pressure as reported in the LHDAC experiments using ADXRD and visual observation techniques for inferring the onset of melting. Flash-heating experiments at pressures higher than 50 GPa are required to further corroborate the flat melt-slope and resolve the long standing controversy about melting of Mo.
3. The melting curve of bcc-Ta has been measured to 85 GPa, 4300 K. Unlike in previous experiments using ADXRD and visual observation as probes, it has been tightly bracketed with an unambiguous detection of the onset of melting, without any chemical reaction. The present melting curve cannot be reconciled with shock measurements and theoretical predictions, and the precision of measurements calls for a reevaluation of theoretical, shock compression, and other DAC approaches to determine melting at high pressures. A further analysis with TEM technique for investigating the structure of the heated portion below and above melting temperatures of Ta may benefit in resolving various phase transitions predicted to explain the vast discrepancies in the reported melt-slopes.
When extrapolated to one atmosphere pressure, all the measured flashmelting curves agree with the known melting points.
Die Anwendung der WKB-Theorie zur Simulation der schwach nichtlinearen Dynamik von Schwerewellen
(2014)
Es ist schon seit Längerem bekannt, dass Schwerewellen die Zirkulation der mittleren Atmosphäre beeinflussen. Sie werden fast ausschließlich in der Troposphäre durch Prozesse wie Gebirgsüberströmung, Konvektionen, Frontogenese etc. erzeugt. Sie propagieren von ihrem Entstehungsort in der Troposphäre in die höheren Schichten der Atmosphäre und transportieren dabei ihre Energie und ihren Impuls. Unter der Voraussetzung, dass die Energie von Schwerewellen erhalten bleibt und die Dichte der Atmosphäre mit der Höhe exponentiell abnimmt, wächst die Amplitude der Schwerewellen so stark an, dass sie brechen und ihren Impuls in Stratosphäre und Mesosphäre deponieren. Als Folge davon beeinflussen Schwerewellen die großräumige Zirkulation der Atmosphäre und sind damit ein wichtiges Bindeglied, welches die Troposphäre mit anderen Atmosphärenbereichen verbindet. Folglich ist es wichtig, dass die Klima- und Wettermodelle in der Lage sind, die Schwerewellendynamik zu beschreiben. Bedauerlicherweise können diese Modelle nicht das komplette Schwerewellenspektrum auflösen. Somit müssen Schwerewellen in den Modellen parametrisiert werden. Viele Parametrisierungsschemen basieren auf Wentzel-Kramer-Brillouin(WKB)-Theorie. Die WKB-Gleichungen, die sogenannten Strahlengleichungen, beschreiben die räumliche und zeitliche Variation der Welleneigenschaften wie Wellenzahl, Wellenamplitude und Wellenfrequenz entlang der Charakteristiken, welche durch die lokale Gruppengeschwindigkeit vorgegeben sind. Die numerische Modelle, die auf den Strahlengleichungen basieren, werden als Strahlenmodelle bezeichnet. In Strahlenmodellen werden Schwerewellen durch Wellenteilchen dargestellt. Zur Zeit verwenden die Strahlenmodelle stationäre Strahlengleichungen, da die Wechselwirkung eines zeitabhängigen Schwerewellenfeldes mit einem zeit- und ortsabhängigen Hintergrund zu Problemen in Strahlenmodellen führen kann. Die Strahlengleichungen basieren auf der Annahme, dass sich nie zwei Wellenteilchen mit den unterschiedlichen Welleneigenschaften an einer Position befinden können. Wenn an einer Position zwei Wellenteilchen mit den unterschiedlichen Wellenzahlen befinden, entsteht sogenannte Kaustik: ein Punkt im Raum, an dem sich mehrere Charakteristiken kreuzen. Wenn eine Kaustik entsteht, kann die Wellenamplitude nicht mehr bestimmt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es mithilfe der WKB-Theorie die Ausbreitung von Schwerewellenpaketen in einer raum- und zeitabhängigen Hintergrundströmung zu beschreiben und ein numerisches Modell zu entwickeln, welches die Schwerewellen parametrisieren und ihre Wechselwirkung mit der raum- und zeitabhängigen Hintergrundströmung beschreiben kann.
Einfachheitshalber wird in dieser Arbeit nur die Wechselwirkung zwischen horizontal periodischen, vertikal lokalisierten Schwerewellenpaketen und der raum- und zeitabhängigen Hintergrundströmung betrachtet.
Die Genese der Leptinite und Paragneise zwischen Nordrach und Gengenbach im mittleren Schwarzwald
(1990)
Nachdem die Erforschung der anatektischen Prozesse lange Jahre das Bild des metamorphen Schwarzwalds prägte, wurden durch das Erkennen von Niedrigdruck- und Mitteldruck-Faziesserien (BLÜMEL 1983) und durch die lithologische Gliederung (WIMMENAUER 1984) neue Akzente im metamorphen Grundgebirge gesetzt. Im Rahmen des Kontinentalen Tiefbohrprogramms der Bundesrepublik Deutschland (KTB) wurde im Raum Nordrach-Gengenbach eine Leptinit-Paragneis-Wechselfolge kartiert. Vier Einheiten konnten unterschieden werden: (1) homogene Areale aus biotitarmen Leptiniten, (2) homogene Areale aus biotitreichen Leptiniten, (3) Areale aus verschiedenen, psammopelitischen Paragneisen und (4) eine Wechsellagerung im Aufschlussbereich zwischen Paragneisen und biotitarmen Leptiniten. Die ganze Wechselfolge stellt einen metamorphen, vulkano-sedimentären Komplex aus mindestens zwei verschiedenen Rhyolithen, rhyolithischen Tuffen, Tonsteinen, Grauwacken/Arkosen und Tuffiten dar. Die Struktur des Arbeitsgebiets wird durch die Wippersbach-Mulde, einen Bereich entlang des Haigerach-Tals mit Tendenz zu einem hochtemperatur-mylonitischen Gefüge und den Nordracher Granit, der parallel zur Foliation der Metamorphite intrudierte, geprägt. Im Mittelbachtal ist in streichender Verlängerung der Zone Diersburg-Berghaupten eine ca. 200 m breite Störungszone aufgeschlossen, die mehrphasig mylonitisch und kataklastisch überprägt wurde. Die biotitarmen Leptinite bestehen im wesentlichen aus 40 % Quarz und 60 % Feldspat. Sie sind nahezu massig, feinkörnig-ungleichkörnig (0,1 - 1 mm) mit amöboiden Kornformen. Mylonitische Gefüge kommen untergeordnet vor. Ihr Mineralbestand lautet: Quarz, Biotit, Granat, Sillimanit, Cordierit, Spinell, Ilmenit, Rutil. Die ehemaligen Hypersolvus-Feldspäte Mesoperthit und Antiperthit zeigen eine Entwicklungsreihe zu diskreten Plagioklas(An10-20)- und Orthoklas-Körnern. Um Granat ist eine Corona aus Cordierit-Quarz-Symplektit oder hellgrünem Biotit entwickelt. Die biotitreichen Leptinite haben durch den erhöhten Biotit-Gehalt (um 3 %) ein flaseriges Gefüge. Ihnen fehlt Mesoperthit, dafür führen sie reichlich Antiperthit (An20). Monazit ist ein charakteristischer akzessorischer Gemengteil. Die chemische Zusammensetzung der Leptinite entspricht der von Rhyolithen und ist über viele km nahezu konstant. Eine Probe ist stark an Uran verarmt. Die untersuchten Leptinite ähneln nach Auftreten, Chemismus und Metamorphose den Leptiniten von Todtmoos im Südschwarzwald. Die Paragneise werden in Quarz-Feldspat-reiche Meta-Grauwacken/Meta-Arkosen und Cordierit-reiche Meta-Pelite gegliedert. Das Gefüge ist feinkörnig, lagig-flaserig, teilweise mittelkörnig-migmatitisch und selten mylonitisch oder metablastisch. Der Mineralbestand lautet: Quarz, Plagioklas(An30), Antiperthit, Orthoklas, Biotit, Cordierit, Granat, Kyanit, Sillimanit (meist pseudomorph nach Kyanit), Andalusit (kontaktmetamorph), Spinell, Diaspor, Rutil, Graphit, Ilmenit und Sulfide. Die chemischen Analysen der Paragneise wurden mit denen von nicht metamorphen Sedimenten verglichen: die cordieritreichen Paragneise konnten als metamorphe Tongesteine bestimmt werden, die Quarz-Feldspat-reichen Paragneise sind metamorphe Grauwacken oder Arkosen, da sich Grauwacken und Arkosen nach ihrer chemischen Analyse nicht eindeutig unterscheiden lassen. Im Arbeitsgebiet gibt es nur ein kleines Amphibolit-Vorkommen. Es handelt sich um einen Cummingtonit-führenden Amphibolit, bei dem sich noch ein früheres Metamorphose-Stadium unter hohen Drücken nachweisen lässt. Der Strukturzustand der Alkalifeldspäte (Or85) ist lithologieabhängig und liegt zwischen Orthoklas und Maximum Mikroklin. Granat ist nur schwach diffusions-zoniert. Die Ca-reichen Zentren und Ca-armen Ränder der Granate zeigen eine Druckentlastung an. Aus den Biotit-Analysen (TiO2 bis 5,3 Gew.-%) wurde abgeleitet, da die Tschermak-Substitution die AlVI-Variation nicht erklären kann, sondern dass der AlVI-Gehalt in den untersuchten Biotiten wahrscheinlich vom Fe/(Fe+Mg)-Verhältnis des Gesteins abhängt. Cordierit (teilweise Fe-reich) ist meist pinitisiert. Bei einigen Piniten kann nicht ausgeschlossen werden, dass nach NEDELEC & PAQUET (1981) nicht Cordierit sondern eine Schmelze das Edukt war. Grüner und brauner Fe-Mg-Zn-Aluminat-Spinell kommt vorwiegend zusammen mit Cordierit (±Diaspor) als Corona um Kyanit vor. Das ganze Aggregat wird durch eine äußere Plagioklas-Corona vom Rest des Gesteins abgekapselt. Die metamorphe Entwicklung der untersuchten Gesteine beginnt mit einem druckbetonten Stadium (Hochdruck-Granulitfazies bis ?Eklogit-Fazies) und der Paragenese Granat + Kyanit + Hypersolvus-Feldspäte + Quarz ± Biotit. Die Temperatur lässt sich nur recht unsicher zu 700 °C abschätzen. Mit dem jetzt vorliegenden Plagioklas ergibt sich mit dem GPAQ-Thermobarometer, dem GRAIL- und dem GRIPS-Barometer ein Druck um 7-9 kbar, der als gut belegter Mindestdruck interpretiert wird. Falls aber während dieses Stadiums die Ca-reichen Granat-Zentren der biotitarmen Leptinite mit einem Hypersolvus-Alkalifeldspat (3 Mol-% Anorthit-Komponente nach der CIPW-Norm der Gesteinsanalyse) und Kyanit im Gleichgewicht standen, dann ergeben sich deutlich höhere Drücke von 14-19 kbar. Dieses Metamorphose-Stadium lässt sich mit dem geochronologischen 480 Ma-Ereignis (Ordovizium) korrelieren. Darauf folgt ein Druckentlastungs-Zwischenstadium mit der Umwandlung von Kyanit in Sillimanit und der Bildung der Spinell-Coronen um Al2SiO5-Minerale. Den Abschluss der Metamorphose-Entwicklung bildet ein statisches Cordieritisierungs-Stadium (LP-HT-Metamorphose, Cordierit-Kalifeldspat-Paragenese). Es bewirkte das statische Wachstum von reichlich Cordierit in Biotit-Sillimanit-reichen Teilgefügen und um Granat. Die Temperatur lag dabei nach dem Granat-Biotit-, dem Granat-Cordierit- und dem Granat-Ilmenit-Thermometer bei 650±50 °C. Der Druck betrug dabei nach dem GPAQ-Thermobarometer 3±2 kbar. Dieses Metamorphose-Stadium ist im NE des Raums Nordrach-Gengenbach stark ausgeprägt, im SW, wo das frühe, druckbetonte Stadium gut erhalten ist, nur schwach. Das statische Cordieritisierungs-Stadium lässt sich in das Karbon einstufen.
Die Montagne Noire am Südrand des französischen Zentralmassivs gehört in das Vorland der französischen Varisziden. Es handelt sich um einen metamorphen Kemkomplex mit einem Kern ("Axialzone") aus Graniten sowie teilweise migmatisierten Ortho- und Paragesteinen. Die Axialzone wird im Norden ("Nordflügel") und Süden ("Südflügel") von paläozoischen Sedimenten umrahmt. Der Nordflügel wird in die "westlichen Monts de Lacaune" (im Westen) und die "Nördliche Schuppenzone" (im Osten) unterteilt und besteht aus Gesteinen mit kambrischem bis silurischem Alter. Der Südflügel wird von einem Stapel aus mehreren Deckeneinheiten aufgebaut, deren stratigraphisches Alter vom Kambrium bis ins Karbon reicht. Die Deckeneinheiten heißen (von oben nach unten im Stapel): Pardailhan-Decke, Minervois-Decke, Mont Peyroux-Decke, Faugeres-Decke und Parautochthon. Die Montagne Noire repräsentiert den seltenen Fall eines "heißen" metamorphen Kernkomplexes, ist aber auch ein ideales Gebiet für vergleichende methodische Studien der sehr niedriggradigen Metamorphose: unterschiedliche Gesteinstypen (Sand- und Siltsteine, Tonschiefer, verschiedene Karbonate) lassen sich quer zur Metamorphosezonierung vom Bereich der Diagenese bis in die Grünschieferfazies verfolgen. In der vorliegenden Arbeit wurde die tektono-metamorphe Entwicklung der niedriggradigen paläozoischen Sedimente untersucht. Dazu wurde eine flächenhafte Studie der Schichtsilikatentwicklung in den Peliten durchgeführt. Es wurden folgende Methoden angewandt: Kubier Index ("Illitkristallinität"), Arkai-Index ("Chloritkristallinität"), "bo-Index" (zur Bestimmung des geothermischen Gradienten), Polytypie-Untersuchungen, sowie an ausgesuchten Proben Mikrosondenanalytik und Röntgenfluoreszenzanalyse. Femer wurden von K. Wemmer (Göttingen) an einigen Proben K-Ar-Datierungen der Feinfraktionen (<2 mikro m und <0,2 mikro m) durchgeführt, um die Entwicklung auch zeitlich zu erfassen. Die petrologischen und geochronologische Daten wurden zur Deformation in Bezug gesetzt. Dabei wurden sowohl Literaturdaten als auch eigene strukturgeologische Befunde verwendet. Es konnten drei tektono-metamorphe Hauptphasen nachgewiesen werden: Die erste Phase (D1 entspricht dem variszischen Deckenbau. Dabei wurde eine M1-Metamorphose angelegt, die durch den bo-Index als Mitteldruck-Metamorphose charakterisiert werden kann. Das Strukturinventar belegt einen etwa südgerichteten tektonischen Transport während D1. Diese Phase ist in der Nördlichen Schuppenzone sowie im W-Teil der Pardailhan-Decke erhalten. Das Alter dieser Phase konnte in kambro-ordovizischen Gesteinen mit der K-Ar-Methode auf 340 bis 330 Ma datiert werden. Diese Alter zeigen eine gute Übereinstimmung mit Ar/Ar-Datierungen aus den im N angrenzenden grünschieferfaziellen Decken des Albigeois. In den tieferen Decken des Südflügels, die ursprünglich weiter im Süden gelegen haben, kann die D1-Deformation erst nach Ende der Flyschsedimentation an der Grenze Vise/Namur (<320 Ma) stattgefunden haben. Die zweite Phase (D2) entspricht dem Aufstieg des metamorphen Kemkomplexes. Im Kontakt mit dem aufsteigenden, heißen Kern ist der größere Teil der paläozoischen Hüllschichten kinematisch und thermisch geprägt wurden. Dabei sind Strukturen und Mineralbestand von D1 und M1 ganz oder teilweise gelöscht worden. Die Extensions-bedingte penetrative S2-Schieferung ist im größten Teil des Südflügels das dominante Flächensystem: dies gilt für das Parautochthon, die gesamte Faugeres-Decke. den westlichen Teil der Mont Peyroux-Decke, den östlichen Teil der Pardailhan- Decke und wahrscheinlich auch die Minervois-Decke. Der Grad der Mz-Metamorphose, die auch in den westlichen Monts de Lacaune (Nordflügel) die prägende Metamorphose ist, nimmt generell mit zunehmender Entfernung von der Axialzone ab. Der bo-Index belegt Niederdruck-metamorphe Bedingungen. K-Ar-Datierungen aus verschiedenen Decken des Südflügels ergeben für D2/M2 Werte zwischen 310 und 300 Ma. Dieses Altersspektrum entspricht Ar/Ar-Datierungen (etwa 311 bis 303 Ma; synkinematischer Biotit und Muskovit; Maluski et al.1991) aus Scherzonen am S-Rand der Axialzone, die während der Exhumierung angelegt wurden. Die K-Ar-Alter der paläozoischen Decken passen auch sehr gut zu U/Pb-Altem aus Paragneisen (308 Ma, Monazit; Gebauer et al. 1988), Graniten (308 Ma, Monazit) und migmatischen Gneisen (313 Ma; beide Krause et al. 2004) der Axialzone, die eine starke thermische Aktivität zu dieser Zeit belegen. Das dritte metamorphe Ereignis (M3) ist unter Anderem im Stephanbecken von Graissessac, nachgewiesen, das im Zuge der Extensionstektonik (D2) am ENE-Ende der Axialzone entstanden ist. Nach dem bisherigen Kenntnisstand ist diese Metamorphose statisch. Der bo-Index belegt - wie auch bei M2 - eine LP-Metamorphose. Sie wurde vermutlich durch magmatische Instrusionen hervorgerufen. M3 muss jünger sein als das U-Pb-Alter eines Tuffes im tiefen Teil der Stefan-Abfolge (c. 295 Ma). Dazu passen Rb-Sr Mineralisochronen von 292 bis 277 Ma aus zwei benachbarten Granitplutonen. Ähnliche Alter treten auch in Pegmatiten der Axialzone auf. Nicht alle der untersuchten Bereiche können eindeutig einer der drei tektono-metamorphen Hauptphasen zugeordnet werden (St. Gervais-Einheit im NE der Axialzone, östlicher Teil der Mont Peyroux-Decke). Dies liegt vielfach an einer unzureichenden strukturgeologischen Datenlage. Teilweise haben aber auch Alterationsprozesse stattgefunden, welche die K-Ar-Alter verjüngt haben, oder der regionale Metamorphosegrad ist sehr niedrig. Schließlich ist in schwach anchimetamorphen oder nur diagenetisch beeinflussten Gesteinen die bo-Index-Methode nicht anwendbar. Insgesamt bestätigen die regionalen Untersuchungen das Bild eines heißen Gneiskerns, der während seines Extensions-bedingten Aufstieges seine Hüllschichten syntektonisch aufheizt. Zusätzlich zur geodynamischen Fragestellung wurden in dieser Arbeit auch methodische Aspekte verfolgt. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Untersuchung der K-Na-Verteilung in den Illiten bzw. Muskoviten. Es hat sich gezeigt, dass einige Proben Paragonit und/oder K/Na-Illit rührten. Diese Minerale stören die Bestimmung der Illitkristallinität im Röntgendiffraktogramm, da sich ihre Peaks mit denen des Illit überlagern. Es wurden daher verschiedene "Peak-Fittings" durchgeführt, bei denen sich zum einen zeigte, dass der 10 A-Peak besser für das Fitting von Illit und diskretem Paragonit geeignet ist als der 5 A-Peak. Es wurde zudem festgestellt, dass es nur schwer oder gar nicht möglich ist, Illit und eine K/Na-Phase mit einer zufriedenstellenden Qualität zu fitten. da die Peakmaxima zu nahe beieinander liegen. Eine Mikrosondenanalyse (teilweise auch Mikrosonden- Mapping) der betreffenden Proben zeigte, wie unterschiedlich die K-Na-Verteilung in den Illiten im anchimetamorphen Bereich sein kann. Es wurden diskrete Mineralphasen, eine domänenartige Verteilung und auch relativ homogene Mischkristalle beobachtet.
Die folgende Arbeit ist eine von drei Dissertationen des interdisziplinären Forschungsvorhabens „Landschaftsarchäologie im Hessischen Ried“, das im Rahmen des Frankfurter Graduiertenkollegs „Archäologische Analytik“ stattfand. Das Projekt bestand aus einer archäologisch-historischen (MAURER 2003), einer bodenkundlichen (KANNENGIEßER Diss. in Arbeit) sowie dieser palynologischen Dissertation. Gemeinsam beschäftigen sich diese Arbeiten mit der Landschaftsrekonstruktion des nördlichen Hessischen Rieds. Die palynologischen Untersuchungen hatten das Ziel, die bisher weitgehend unbekannte ‚jüngere’ Vegetationsgeschichte von der vorrömischen Eisenzeit bis etwa zum 5. Jh. n. Chr. zu rekonstruieren. Zwischen der Eisenzeit und dem Frühmittelalter gab es im Hessischen Ried mehrere kulturelle Umbrüche. In der Spätlatènezeit siedelte eine keltische Bevölkerungsgruppe im nördlichen Hessischen Ried. Deren Spur verliert sich aber im 1. Jh. v. Chr. Erst nach einer ‚Fundlücke’ von etwa 50 Jahren findet man schließlich Überreste eine elbgermanische Population (LENZ-BERNHARD & BERNHARD 1991). Über Lebensweise und Anzahl dieser germanischen Bevölkerung wissen wir fast nichts. Zumindest ein Teil von ihnen aber diente im römischen Heer. Etwa ab dem Jahr 13/12 v. Chr. in augusteischer Zeit stand das Ried unter dem Einfluss des seitdem am Rhein stationierten römischen Militärs (MAURER 2003). Im Zuge der Okkupation kamen römische Soldaten mitsamt ihrem Tross von Angehörigen und Marketendern an den Rhein. Da sehr wenig über die zuvor ansässige Bevölkerung bekannt ist, ist es unklar, wie sich die Bevölkerungsstärke und damit der Bedarf an landwirtschaftlicher Nutzfläche während dieser Zeit veränderte. In der mittleren Kaiserzeit (ca. 70–260 n. Chr.) bildete das Hessische Ried das südöstliche Vorfeld der Provinzhauptstadt Mogontiacum (Mainz) bzw. das Umland des Auxiliarkastells/Zivilvicus Groß-Gerau-„Auf Esch“. In die sog. „agri decumates“ rechts des Rheins (Tacitus, GERMANIA 29, 3) gesellten sich nach und nach noch gallische Siedler zur römischen Bevölkerung. Es ist zu erwarten, dass sich die kulturellen Umbrüche dieser Zeit auch im Landschaftsbild widerspiegelten. Beispielsweise werden vielerorts den Römern die ersten großflächigen Waldrodungen und Raubbau an der Landschaft zugeschrieben (BEHRE 1988, CÜPPERS 1990, DUMAYNE 1993). In den letzten Jahren mehren sich allerdings die Indizien dafür, dass zumindest in einigen Gebieten einschneidende Landschaftseingriffe bereits in der Eisenzeit stattgefunden haben und die Landschaft bei Ankunft der Römer schon weitgehend entwaldet und anthropogen geprägt war (BUNNIK et al. 1995, STOBBE 1996, 2000, STOBBE & KALIS 2001, 2002, DÖRFLER et al. 2000, KOOISTRA 1996, DUMAYNE 1993, DUMAYNE-PEATY 1998). Auch für das nördliche Hessische Ried bestätigt die vorliegende Arbeit dieses Bild. Schon in der Eisenzeit entstand im Hessischen Ried eine weitgehend geöffnete Landschaft mit Grünlandflächen und Äckern. Die Vegetationsveränderungen beim Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit (um 800 BC) sind dabei weit deutlicher als beim Übergang von der Eisenzeit zur Römischen Kaiserzeit. In der Römerzeit wurde zwar der Ackerbau intensiviert und einige typische Kulturpflanzen wurden eingeführt, doch das restliche Pollenspektrum verändert sich kaum. Beim Rückzug der römischen Armee vom Odenwaldlimes kam es zu einer leichten Regeneration der Buche im Umland. Während der Völkerwanderungszeit sieht man in den Profilen keine deutliche Waldregeneration, sondern nur einen leichten Rückgang der Bewirtschaftung.
The development of benthic foraminiferal assemblages during the past 6,000 yrs was investigated in Holocene sediment cores from three carbonate platforms (Turneffe Islands, Lighthouse Reef, and Glovers Reef) of Belize, Central America. Foraminiferal assemblages and their diversity were determined in different time periods to identify their dependence on environmental factors, such as lagoonal age, lagoonal depth, water circulation, substrate, bottom-water temperature, and salinity. Geochemical proxies (δ18O and δ13C), obtained from the common larger foraminifer Archaias angulatus were used to estimate Holocene seasonal BW-temperatures and climate variabilities. A total of 51 samples were taken from 12 vibracores for taxonomic determination and 10 to 15 subsamples of 32 tests of Archaias angulatus were used for stable oxygen and carbon isotope analyses. Based on cluster analyses, seven benthic foraminiferal assemblages are distinguished during the Holocene. The three platforms exhibit characteristic differences in benthic foraminiferal fauna and diversity, which are controlled by their respective environments during the last 6,000 yrs. Turneffe Islands has four benthic foraminiferal assemblages, which are typical for restricted lagoons with fluctuating salinity. Lighthouse Reef is inhabited by two benthic foraminifera associations, which are characteristic of high water exchange with the surrounding ocean and clear waters. Glovers Reef is characterized by two benthic foraminiferal assemblages, which occur in deeper lagoons with slow water circulation. In general, during the Holocene, the highest mean diversity, evenness, and richness of benthic foraminifera were found in the Turneffe Islands and the lowest occurred at Glovers Reef. The foraminiferal faunas of the Lighthouse and Glovers Reefs had been in a “Diversification Stage” since 6,000 yrs, whereas the foraminiferal fauna of the Turneffe Islands reflects the development from a “Colonisation” (~4,000 yrs BP) to a “Diversification Stage” (~2,000 yrs to present time). Lagoonal depth, water circulation, substrate, and BW-temperature have higher influence on foraminiferal diversity as compared to lagoonal size and age. The negative correlation between diversity and lagoonal depth is based on differences in light intensity and substrate. In contrast to Lighthouse Reef, the Turneffe Islands and Glovers Reef show decreasing diversity of benthic foraminifera with increasing lagoon depth, due to finer sediment, turbid waters and/or dense mangrove growth, which reduce the light intensity and the number of species. Water Circulation also affected the benthic foraminifera modes of living and their diversity during the last 6,000 yrs. Increasing abundances of infaunal taxa refer to restricted circulation and/or lower oxygen conditions, as assumed for the Turneffe Islands and Glovers Reef. Increasing abundances of epifaunal foraminifera, as observed in the Lighthouse Reef indicate better circulation and/or higher oxygen conditions. Holocene BW-temperature reconstructions based on δ18O of single Archaias angulatus tests do not correspond to typical Holocene climate models of the Caribbean. In the Belize area, mean BW-temperature trends indicate local climate variations. A decrease of δ13C values during the last 1,000 yrs could be related to the “Suess Effect”. The seasonal BW-temperature variations within single large benthic foraminifera tests correspond to present-day temperature fluctuations in the lagoons, and indicate higher temperatures in Summer and Autumn and lower temperatures in Winter and Spring.
Drevermanns Name ist in der Geologie nicht mit bahnbrechenden Ideen und Theorien verknüpft. Er hat nicht seine gesamte Energie auf seine Forschungen gerichtet. Stattdessen seine - manchmal auch schwache - Kraft (vgl. 3.6.) auf die Lehre (bei der Senckenbergischen Naturforschenden Gesellschaft und Universität), die Aufklärung des Volkes (in Vorträgen und „Natur und Museum“) und vor allem auf sein Museumsengagement aufgeteilt. Schon in seinem zweiten Senckenberg-Jahr zeichnete sich das Engagement für die Museumskunde ab. Er arbeitete sicher in der ersten Zeit eher angeleitet, später freier planend und ergänzend für die Vollständigkeit der Sammlung. Und schon 1911 leidet Drevermann daran, daß er zu wenig Zeit für seine eigene Arbeit hat. Er bat am 10. Oktober 1911 den Anfang seiner „Dienststunden auf 9 statt um 8“ festzusetzen, also die „Anzahl reduzieren von 42 auf 36“ Stunden. Als Grund nannte er: „Während der Arbeitszeit im Museum ist es wegen der fortwährenden und vielseitigen Inanspruchnahme meiner Tätigkeit nicht möglich, zu eigener wissenschaftlichen Tätigkeit zu gelangen.“ Er schreibt weiter, daß er dadurch hofft, „länger am Abend arbeiten“ zu können. Schon damals zeigt sich sein offensichtlicher Zeitmangel für seine eigenen Forschungsarbeiten. Dies sollte ihn sein ganzes Leben begleiten. Als fast tragisch ist deswegen zu werten, daß er seine schon 1915 begonnene Arbeit über Placodus trotz großer Anstrengungen in 1930 und 1931 nicht mehr beenden kann. Als ausschlaggebend für den Wandel und für die Abkehr von der eigenen devonischen Forschung und den Beginn des enormen Museumsengagements darf die Schenkung des Diplodocus gewertet werden. Dieses Museumsexponat verlegte Drevermanns Forschungsschwerpunkt zu den fossilen Wirbeltieren, im speziellen den Dinosauriern und Artverwandten, und damit hin zu einem für Drevermann und damit für das Senckenberg-Museum noch heute erfolgreichen Museumsthema. Drevermann ging damit den Weg vom klassischen Devon-Paläontologen hin zum Museumswissenschaftler. In seinen Schaffensjahren zeigt sich sein Werdegang zum Agitator, er setzte die Akzente und arbeitete für seine Museumsvorstellungen. Dazu ein Zitat Drevermanns aus seiner frühen Veröffentlichung über die Meersaurier im Senckenberg-Museum (1914): „Das Streben unseres Museums nach einer möglichst vollständigen Vertretung aller wichtigen Typen des Tierlebens der Vorzeit ist am ersten bei den Meersauriern mit Erfolg gekrönt worden. Durch das wiederholte verständnisvolle Eingreifen mehrerer Gönner des Museums ist es gelungen, in einem Jahrzehnt eine Sammlung zu schaffen, auf die das Museum stolz sein kann.“ Drevermann deutet hier nur versteckt an, daß das angesprochene Jahrzehnt sein erstes im Senckenberg-Museum war. Mit Hilfe von Gönnern, deren Wohlwollen er in der Lage war sich zu verschaffen, gelang es ihm durch Täusche und Käufe diese Sammlung aufzubauen. Er wurde zur prägenden Persönlichkeit. Deswegen machte ihn die Senckenbergischen Naturforschende Gesellschaft zum ersten Geologieprofessor der jungen Frankfurter Universität. Ein Ergebnis seiner intensiven engagierten Arbeit: 1924 wird er zum geschäftsführenden Direktor des Senckenberg-Museums ernannt. Drevermann betrieb als Museumswissenschaftler eine populäre Wissenschaft. Die Beispiele dafür sind mannigfaltig: seine Texte in der Frankfurter Zeitung, das Entwickeln der Zeitschrift „Natur und Museum“ und seine Veröffentlichungen und Fragenbeantwortung hierin, seine vielen Reden, seine Radio-Aktivitäten. Das außerordentliche Engagement Drevermanns für „sein“ Museums-Periodikum zeigt dabei deutlich, wie er als Museumswissenschaftler agierte und nicht als forschender Naturwissenschaftler. Und er ist als Museumswissenschaftler erfolgreich, weil er besondere Qualitäten als Autor und Redner hat. Er beschreibt anschaulich - auch für den Laien - , aber wissenschaftlich genau. Beschäftigt hat sich Drevermann tatsächlich mit geologisch und paläontologischer Forschung nur sekundär. Er war nicht der Spezialist, sondern der Generalist - er verstand viele geologische und paläontologische Fragestellungen. Denn er war immer auf der Höhe des disziplinären Diskussionen – auch wenn er selbst nur einen geringen Beitrag an Lösungen dazu lieferte. Er selbst liest die Veröffentlichungen über die Forschungsarbeiten anderer, spricht in seinen Vorlesungen und Reden darüber, stellt Bücher vor, greift auch in die fachliche Diskussion ein mit Stellungnahmen und Essays, aber entfacht keine solche. Letzteres war nur einmal der Fall: bei seinen Vorstellungen über das Museum der Zukunft. Dieses Thema ist das eigentliche Vermächtnis Drevermanns.
Mantle convection is the process by which heat from the Earth’s core is transferred upwards to the surface and it is accepted to explain the dynamics of the Earth’s interior. On geological time-scales, mantle material flows like a viscous fluid as a consequence of the buoyancy forces arising from thermal expansion. Indeed, mantel convection provides a framework which links together the major disciplines, such as seismology, mineral physics, geochemistry tectonic and geology. The numerical model has been applied to understand the dynamic, structure and evaluation of the Earth, and other terrestrial planets and the investigations continue to explore, different aspects of the mantle convection.
In fact, to model this phenomenon, two complementary approaches are possible. On the one hand, one can solve self-consistently the equations of thermal convection, including parameters and employing physical relationships derived from mineral physics. Our understanding of mantle convection depends ultimately upon the success of such fully self-consistent dynamic models in explaining observable features of the flow. Although, these models presently unable to predict the actual convection pattern of the Earth, they are extremely useful to investigate general characteristics of given physical systems. On the other hand, to permit comparison with specific observables associated with the flow, one can consider a more restricted problem. Instead of focusing on the time evolution of mantle flow, if we know a priori the temperature - and hence presumably the density - anomalies that drive the convection, we can try to build a snapshot of the present-day flow pattern, consistent with those anomalies, that can successfully predict the observables. As matter of fact, the aim of this study is to investigate both approaches in comparison with the main geophysical constraints on mantle structure. These constraints include the geoid anomalies, the dynamic surface and core-mantle boundary topography and tectonic plate motions.
The most appropriate mathematical basis functions for describing a bounded and continuous function on a spherical surface are spherical harmonics. We may therefore expand the geodynamic observables in terms of spherical harmonics. We have investigated two methods of the global spherical harmonic analysis by specific attention to the dynamic geoid computation of the geodynamic models. The first method is the quadrature method in which the loss of the orthogonality of the Legendre functions in transition from continues to discrete case is the major drawback to the method. Particularly, we showed that in the absence of the tesseral harmonics, quadrature formulation leads to obtain inaccurate results. The second method is the least-squares which can be considered as the best linear unbiased estimator that provides the exact results. We showed that even with a low resolution grid data it is possible to reconstruct the data and achieve an accurate result by using this method, which is extremely remarkable in three-dimensional global convection studies. However, special care has to be taken since there is some source of errors that might influence the efficiency of this method.
In general, to better understanding of the properties of the mantle, it is useful to assess observable characteristics of plumes in the mantle, including geoid, topography and heat flow anomalies. However, only few studies exist on geoid and topography for axi-symmetric convection and their models were restricted to isoviscous (or stratified) mantle and low Rayleigh numbers. We studied fully coupled depth and temperature dependent Arrhenius type of viscosity in axi-symmetric spherical shell geometry in order to investigate the shape of geoid anomalies and dynamic topography above a plume. Indeed, the topography and geoid anomalies produced from plumes are sensitive to rheology of the mantle and rheology of the plume; both have effects on shape and amplitude of the geoid anomalies. As results we are able to define different classes of plumes by their geoid signals.
Mainly depth-dependent viscosity models show a geoid with negative sign above the plume which can turn to the positive sign by decrease the viscosity contrast. This can be considered as a transition between the strongly depth dependent and the constant viscosity case. Our results basically support the idea by Morgan [1965] and McKenzie [1977]. They have shown the magnitude and even the sign of the total gravity anomaly depend on the spatial variation in effective viscosity. In addition, Hager [1984] has concluded that the total gravity field is depend on the radial distribution of effective viscosity, and a small change in viscosity contrast leads to varying sign of the response function.
In the case of temperature-dependent viscosity, the formation of an immobile lithosphere is a natural result, and the flow as well as the total geoid becomes strongly time dependent. When we increase the activation energy, all geoids associated with the first arriving plumes look like bell shaped whereas for typical plumes, after reaching a statistical steady state, bell-shaped geoids with decreasing amplitude as well as linear flank shaped geoids are observed. It is surprising that in spite of large differences in lateral and depth varying viscosities, the shapes of the geoid anomalies remained rather similar. We also identified different behaviors in the combined model with temperature-and pressure-dependent viscosity. In fact, in spite of the strongly different rheology, the geoid anomalies in all cases were surprisingly similar. Furthermore, we proposed a scaling law for the geoid which makes our results directly applicable to other planets. Moreover, we can apply the results of our calculation to find relations between different rheology and sub-lid temperature, since we know that the mantle temperature can change significantly with variation in pressure-temperature dependent viscosity. It is also possible to define a range of stagnant lid thickness related to the amplitude of the geoid which can be reasonable for study of the lid thickness in Venus or Mars.
Nevertheless, in these series of models, we simplified a number of complexities within the Earth. One of the most important of such simplification is the Boussinesq approximation. This approximation is valid if the temperature scale height (i.e. the depth over which temperature increases by a factor of “ ” due to adiabatic compression) is much greater than the convection depth. However, a temperature scale height in the Earth’s mantle is at best only slightly greater than the mantle depth. Hence, the Boussinesq approximation could mask some very important stratification and compressibility effects that influence both the spatial and temporal structure of the convection. Therefore, in more advance models we considered compressibility in our mantle convection models, assuming that density vary both radially and laterally, being determined as a function of pressure and temperature through an appropriate equation of the state. Moreover, thermodynamic properties assumed to be a function of depth.
We examined the details of the structure of the spherical axi-symmetric Anelastic Liquid Approximation model (ALA) with special attention to the Arrhenius rheology, and compare it to the cases of compressible convection without depth dependent thermodynamical properties, and to cases of the extended Boussinesq approximation. At the same time, the effects of the interaction between temperature and pressure-dependent viscosity and thermodynamic parameters in the compressible mantle convection on the geoid and topography have been studied. We showed that assuming compressible convection with depth-dependent thermodynamic properties strongly influence the geoid undulations. Using compressible convection with constant thermodynamic properties is physically inconsistent and may lead to spurious results for the geoid and convection pattern. Indeed, by a systematic study of different approaches of compressibility in the spherical shell convection for different Arrhenius viscosity laws we proved that only in the unrealistic case of zero activation energy the different compressibility modes result in comparable convection and geoid patterns. In all other rheological cases, large differences have been obtained, that stressing the important role of consistent compressible thermodynamic properties for mantle convection.
In addition, we examine the impact of compressibility as well as different rheologies on the power law relation that connects the Nusselt number to the Rayleigh number. We have discovered that the power law index of the relationship is controlled by the rheology, independent of which approximation is used. Instead, the bound of this relation is controlled by a combination of different approximation and rheology.
Next, instead of focusing on the time evolution of mantle flow, we have carried out three-dimensional spherical shell models of mantle circulation to investigate the effects of joint radial and lateral viscosity variations on the Earth’s non-hydrostatic geoid, surface and core-mantle boundary topographies. These models include realistic lateral viscosity variations (LVV) in the lithosphere, upper mantle and lower mantle in combination with different stratified viscosity structures. We have demonstrated that the contradictory results concerning the effects of LVV can be clarified by the most straight-forward problem in geoid modeling; namely, rather poorly known stratified viscosity structure. We explored three classes of dynamic geoid models due to lateral viscosity variations. In the first class, the LVV strongly improved the fit to the observed geoid. Indeed, when the viscosity contrast between lower and upper mantles is not large enough to produce a good fit to geoid the LVVs are able to perform this action by adjusting amplitudes, so that it becomes comparable with observation. In the second class, inducing the LVV moderately improved the fit. Actually, when the geoid induced by a stratified viscosity structure already has a good correlation with observation, then the LVV causes its amplitude to further improve. In the last class, if the viscosity contrast between upper and lower mantle would be high enough, inducing LVV deteriorate the fit to the observed geoid.. Indeed, depending on the stratified viscosity, inducing the LVV may take place in one of these categories.
We also quantified the effects of LVV in the mantle and lithosphere individually. We found that the presence of LVV in the mantle (upper and lower) improves the fit to the observed geoid regardless of stratified viscosity. While LVV in the lithosphere is a crucial parameter, and dependent of the stratified viscosity, may increase or decrease the geoid fit. In fact, when the lower mantle considers being viscous enough, it would support the negative buoyancy of subducting slabs. Thus, it transmits some of the stress back to the top boundary and causes a weak coupling between slab and surface. Therefore, by including the low viscous plate boundaries in this model, the slabs and overriding plates decouples and the fit to the observed geoid degrades. In contrast, when the lower mantle viscosity is not sufficiently stiff, the presence of the low viscous plate boundaries assists to weaken the strong mechanical coupling between slab and surface. Hence, a better fit achieved.
Basierend auf der Feststellung, daß selbst die aufwendigsten zur Zeit verfügbaren Klimamodelle (das sind gekoppelte atmosphärisch-ozeanische Zirkulationsmodelle, AOGCM) nicht in der Lage sind, alle bekannten externen Antriebe und internen Wechselwirkungen des Klimas simultan zu erfassen, werden zunächst die Stärken und Schwächen von rein statistischen Ansätzen zur Analyse von Zusammenhängen zwischen beobachteten Zeitreihen diskutiert. Speziell geht es dabei um die Frage, welche natürlichen und anthropogenen Antriebe in welchem Ausmaß zu den beobachteten Variationen der globalen Mitteltemperatur beigetragen haben (Signaltrennung). Es wird gezeigt, daß ein einfacher physikalisch motivierter Ansatz, der einige Schwächen der rein statistischen Ansätze vermeidet, nicht zum Ziel der Signaltrennung führt. Damit ergibt sich die Notwendigkeit, sich eingehender mit den Eigenschaften des globalen Klimasystems zu beschäftigen. So stellt sich die Frage, unter welchen Bedingungen das Klima überhaupt vorhersagbar ist. Aufgrund dieser Überlegungen erscheint es möglich, das globale Klima, repräsentiert durch die globale Mitteltemperatur, mit Hilfe von Energie-Bilanz-Modellen (EBM) zu beschreiben. Es folgt, daß ein 3-Boxen-EBM (Atmosphäre, ozeanische Mischungsschicht und tieferer Ozean) ausreicht, um den Verlauf der globalen bodennahen Mitteltemperatur zu untersuchen. Um das Problem einer Überanpassung zu vermeiden, wird das Modell am hemisphärisch gemittelten Jahresgang von Temperatur und Ausstrahlung, am Verlauf der bodennahen Mitteltemperatur eines Zirkulationsmodells im Einschaltexperiment, sowie im Vergleich zu paläoklimatologischen Daten kalibriert. Es wird eine Lösung dieses Modells abgeleitet, die als rekursiver Filter zur Zeitreihenanalyse verwendet werden kann. Um auch den hemisphärischen Temperaturverlauf untersuchen zu können, wird das 3-Boxen-Modell auf fünf Boxen erweitert (hemisphärische Atmosphären- und ozeanische Mischungsschicht-Boxen sowie ein globaler tieferer Ozean). Auch dieses Modell wird im wesentlichen an den Jahresgängen der Temperatur kalibriert und eine Lösung in Form eines rekursiven Filters abgeleitet. Von besonderer Bedeutung ist dabei, daß die so abgeleiteten Filter weder in ihrer Struktur, noch in ihren Parameterwerten aus einer Anpassung an die zu untersuchenden Zeitreihen stammen. Bevor die beobachteten Temperaturzeitreihen für den Zeitraum von 1866 bis 1994 mit den zwei Modellversionen rekonstruiert werden können, müssen die berücksichtigten externen Antriebe in Form von Heizratenanomalien vorliegen. Es werden zwei natürliche (solare Schwankungen und explosive Vulkanaktivität) und zwei anthropogene externe Antriebe (Treibhausgas- und Schwefeldioxidemissionen, die zur Bildung von anthropogenem troposphärischen Sulfat führen) untersucht. Die Heizratenanomalien der solaren Schwankungen folgen aus Satellitenmessungen und einer Extrapolation mit Hilfe von Sonnenflecken-Relativzahlen. Für den Einfluß des Vulkanismus wurde eine Parametrisierung erstellt, die sowohl die Ausbreitung von stratosphärischem Vulkanaerosol als auch dessen Einfluß auf den Strahlungshaushalt berücksichtigt. Zur Beschreibung des anthropogenen Zusatztreibhauseffekts wurde auf Ergebnisse von Strahlungs-Konvektions-Modellen (RCM) zurückgegriffen. Der Einfluß des anthropogenen troposphärischen Sulfats wurde entsprechend dem ungenauen Kenntnisstand nur grob parametrisiert. Mit den Modellen lassen sich zu jedem Antrieb Zeitreihen der globalen und hemisphärischen Temperaturanomalien berechnen. Die beobachteten ENSO-korrigierten Temperaturanomalien lassen sich (außer im Fall der Nordhemisphäre) sehr gut als Summe dieser Antriebe und Zufallsrauschen ausdrücken. Dabei hat das Zufallsrauschen mit dem Modell verträgliche Eigenschaften und kann somit als internes Klimarauschen interpretiert werden. Es ist demnach möglich, zusätzlich zur Signaltrennung zu testen, ob sich die Temperaturzeitreihen ohne die anthropogenen Antriebe signifikant anders verhalten hätten. Der Unterschied ist auf der Südhemisphäre und global mit 99 % signifikant, auf der Nordhemisphäre mit 95 %. Das bedeutet, daß der Mensch das Klima mit hoher Wahrscheinlichkeit beeinflußt. Auf der Basis von Szenarien wird außerdem der anthropogene Einfluß auf das Klima der nächsten Dekaden prognostiziert. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie groß die Zeitverzögerung zwischen anthropogenen Antrieben und deren Wirkung auf das Klima ist. Auch dieser Frage wird nachgegangen und es ergibt sich, daß diese Verzögerung zur Zeit bei etwa zehn Jahren liegt. Da die Verzögerungszeit aber keine Eigenschaft des Klimasystems ist (wie etwa eine Trägheitsoder Mischungszeit), sondern von der zeitlichen Struktur des Antriebs abhängt, ist sie keine Konstante und kann somit nur eingeschränkt für Prognosen verwendet werden. Andererseits erlaubt die Kenntnis der Verzögerungszeit eine statistische Verifikation mit Hilfe eines multiplen Regressionsmodells. Diese unterstützt die Prognosen des EBM.
Eintrag organischer Umweltchemikalien aus der Oder in den anaeroben Grundwasserleiter des Oderbruchs
(2002)
In der vorliegenden Arbeit wurde im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogrammes 546 ,,Geochemische Prozesse mit Langzeitfolgen im anthropogen beeinflussten Sickerwasser und Grundwasser" der Eintrag organischer Umweltchemikalien aus der Oder in den anaeroben Grundwasserleiter des Oderbruchs untersucht. Ausgewählt wurden verschiedene Vertreter der Stoffklassen Antioxidantien und Phosphorsäureester sowie die beiden Xenoöstrogene Bisphenol A und 4-Nonylphenol, denen eine endokrine (hormonähnliche) Wirkung auf Organismen zugeschrieben wird. Solche Umweltchemikalien werden seit ca. 40 Jahren in großen Mengen für verschiedene Zwecke in Industrie und Privathaushalten eingesetzt oder sie entstehen durch photochemischen oder mikrobiologischen Abbau unter Umweltbedingungen. Die Chemikalien gelangen durch Produktion und Verwendung in die Abwässer und werden durch Direkteinleitungen geklärter Abwässer in die Oberflächengewässer eingetragen. Durch den Prozess der Uferfiltration werden im Oderbruch organische Verbindungen von der Oder ins Grundwasser des angrenzenden Aquifers transportiert. Viele Umweltkontaminanten sind unter aeroben Bedingungen gut biologisch abbaubar. Wie sie sich aber in einer sauerstofffreien Umgebung verhalten, ist bis heute relativ unerforscht. Es ist notwendig, die Prozesse bei der Uferfiltration zu kennen, da heute zunehmend mehr Trinkwasser aus Uferfiltrat gewonnen wird und Umweltchemikalien somit eine potentielle Gefahr für die Trinkwasserversorgung darstellen. Eine zweite Eintragsquelle stellen die Niederschläge dar. Viele organische Verbindungen besitzen die Fähigkeit, aufgrund ihrer physikalischen Paramter von freien Wasser- und Bodenoberflächen oder aus den Produkten, in denen sie enthalten sind, in die Atmosphäre zu verdampfen. Über den Regen gelangen sie schließlich zurück auf die Erde und können so mit dem Sickerwasser bis in tiefere Zonen des Aquifers transportiert werden. Für Vergleichszwecke wurden auch andere Fließgewässer in Deutschland bezüglich der Belastung durch die ausgewählten Umweltchemikalien untersucht. In Ergänzung und Fortsetzung bisheriger Publikationen wurde mit der vorliegenden Arbeit die Konzentrationsentwicklung dieser Stoffe in den Flüssen Rhein, Main, Elbe, Nidda und Schwarzbach dokumentiert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag darin, die Frage nach dem Eintrag dieser Umweltchemikalien in die Flüsse zu beantworten. Dazu wurde Abwasser und Regenwasser auf die Anwesenheit der entsprechenden Verbindungen untersucht. Das Hauptuntersuchungsgebiet stellte die Oder im Grenzbereich Deutschland-Polen sowie der anaerobe Grundwasserleiter des Oderbruchs dar. Dieses Gebiet westlich der Oder im Bundesland Brandenburg wurde ausgewählt, da hier die besondere hydrologische Situation gegeben ist, dass das Flusswasser der Oder mit Geschwindigkeiten von 0,2-5 m/d in den angrenzenden Aquifer infiltriert. Da im Aquifer des Oderbruchs durchweg reduzierende Verhältnisse herrschen, eignet sich dieser in besonderer Weise, das Verhalten organischer Substanzen unter anaeroben Bedingungen zu untersuchen. Hydrogeologisch betrachtet sind im quartären Untergrund des Oderbruchs zwei Hauptgrundwasserleiter ausgebildet. Beide Horizonte werden durch eine undurchlässige Schicht aus Geschiebemergel voneinander getrennt. Gegenstand der vorliegenden Untersuchungen war ausschließlich der obere Hauptgrundwasserleiter, in dem durchweg anaerobe Bedingungen herrschen. Bei einer durchschnittlichen Mächtigkeit von 20-30 m wird der Aquifer im wesentlichen aus holozänen und pleistozänen Sanden und Kiesen aufgebaut. Charakteristisch für das Oderbruch ist der sogenannte ,,Auelehm". Es handelt sich hierbei um flächenhaft verbreitete bindige Deckschichten mit unterschiedlichen Mächtigkeiten. In einigen Bereichen des Oderbruchs fehlen diese undurchlässigen Deckschichten völlig, weshalb das Niederschlagswasser ungehindert in den Aquifer eindringen kann. In anderen Bereichen variiert die Mächtigkeit des Auelehms lokal. Mit zunehmender Entfernung von der Oder nimmt sie stark ab. In Bereichen ab ca. 3000 m Entfernung vom Fluss sind die Auelehmdeckschichten nicht mehr vorhanden, weshalb hier der Eintrag organischer Stoffe mit den Niederschlägen in einen Aquifer begünstigt wird. Im Vorfeld dieser Arbeit hat die Auswertung der zur Schadstoffbelastung der Oder vorliegenden Literatur gezeigt, dass sich die wenigen Untersuchungen vor allem mit dem Auftreten sogenannter persistenter organischer Schadstoffe wie polychlorierte Biphenyle (PCB), Dioxine, Furane und Chlorpestizide beschäftigten. Umweltchemikalien wie Antioxidantien, Phosphorsäureester und Xenoöstrogene, die unter aeroben Bedingungen gut biologisch abgebaut werden, treten oft in den Hintergrund der Betrachtung, da von einer vollständigen Eliminierung dieser Substanzen ausgegangen wird. Diese Industriechemikalien, die Gegenstand dieser Arbeit sind, werden in so hohen Mengen produziert und eingesetzt, dass die Abbaukapazität in Böden und Gewässern häufig überschritten wird. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst eine empfindliche Messmethode zur Bestimmung von mittelpolaren organischen Umweltkontaminanten aus matrixreichen Wasser- und Abwasserproben im unteren Nanogramm/Liter-Bereich entwickelt. Die Analysenmethode basierte auf der Extraktion der Wasserproben mittels Festphasenextraktion (SPE) sowie dem hochempfindlichen Nachweis der Analyten mittels Kapillargaschromatographie/ Massenspektrometrie (GC/MS). Damit konnten zahlreiche Verbindungen mit einem relativ geringen Arbeitsaufwand im Routinebetrieb mit Wiederfindungsraten von 68 bis 95 % in den Wasserproben identifiziert und quantifiziert werden. Die Bestimmungsgrenzen für die einzelnen Verbindungen lagen zwischen 3-53 ng/l. Insgesamt sind in diesem Projekt von März 1999 bis Juli 2001 sechs Beprobungskampagnen im halbjährlichen Rhythmus durchgeführt worden. Zur Beprobung standen die im Rahmen dieses Schwerpunktprogrammes von Mitarbeitern der FU Berlin sowie des ZALF in Müncheberg im Oderbruch installierten Grundwassermessstellen der Transsekten Bahnbrücke und Nieschen zu Verfügung. Im Bereich der Transsekte Bahnbrücke ist der ,,Auelehm" weit verbreitet, allerdings mit lokal variierenden Mächtigkeiten. Mit zunehmender Entfernung von der Oder nimmt die Mächtigkeit dieser Deckschicht ab, bis sie in einer Entfernung von ca. 5000 m überhaupt nicht mehr vorhanden ist. Vereinzelt sind den überwiegend sandig bis kiesigen Sedimentfolgen, die den Aquifer im Bereich der Transsekte Bahnbrücke überwiegend aufbauen, in unmittelbarer Nähe der Oder geringmächtige Tonlagen zwischengeschaltet. Dadurch wird der Aquifer in flussnähe in zwei Teilbereiche gegliedert. Der untere Teilbereich steht im direkten hydraulischen Kontakt zur Oder und wird so maßgeblich durch das Uferfiltrat beeinflusst. Im Hangenden dieses grundwasserleitenden Horizontes folgt ein zweiter Teilbereich, der durch eine stauende Tonschicht an der Basis hydraulisch von der Oder getrennt ist und so überwiegend von infiltrierendem Niederschlagswasser sowie vom Oderwasser bei Überschwemmungen geprägt wird. Im Bereich der Transsekte Nieschen besteht der Grundwasserleiter ausschließlich aus sandig-kiesigen Sedimentfolgen. Außerdem fehlt hier der Auelehm und damit eine den Aquifer schützende Deckschicht. Daher ist im Bereich der Transsekte Nieschen der Einfluss von infiltrierendem Niederschlagswasser auf den Grundwasserchemismus besonders stark ausgeprägt, da dieses ungehindert in den Aquifer eindringen kann. Parallel zu jeder Grundwasserprobennahme wurde an ausgewählten Standorten in Deutschland eine Beprobung verschiedener Oberflächengewässer durchgeführt sowie Dachablaufproben gesammelt. Bei der letzten Beprobungskampagne wurden im Oderbruch eine Niederschlagsprobe sowie zwei Dachablaufproben genommen. Zum gleichen Zeitpunkt wurden Zu- und Abläufe der Kläranlage einer Stahlverarbeitungsfirma sowie dreier kommunaler Kläranlagen in der Umgebung des Oderbruchs beprobt. Sämtliche beprobten Kläranlagen leiten ihre geklärten Abwässer in die Oder. Folgende organische Verbindungen wurden in den Proben identifiziert und in drei Gruppen eingeteilt: Die Gruppe der Antioxidantien mit den Vertretern 3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxytoluol (BHT), 3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxybenzaldehyd (BHT-CHO) und 1,2-Bis(3,5-di-tert.- butyl-4-hydroxy-phenyl)ethan (2-BHT), die Gruppe der Phosphorsäureester mit den Vertretern Tributylphosphat (TBP), Tris(2-chloroethyl)phosphat (TCEP) und Tris(2- butoxyethyl)phosphat (TBEP) sowie die Gruppe der Xenoöstrogene mit den Vertretern 2,2- Bis-(4-hydroxyphenyl)propan (BPA) und 4-Nonylphenol (4-NP). Die organischen Verbindungen BHT, TBP, TCEP, TBEP und BPA sind weltweit eingesetzte, industriell hergestellte Chemikalien. 4-NP ist ein Abbauprodukt nichtionischer Tenside (Nonylphenolpolyethoxylate = NPnEO), die als Detergentien in Waschmitteln eingesetzt werden. Bei der Verbindung BHT-CHO handelt es sich um ein Abbauprodukt des Antioxidationsmittels BHT und bei 2-BHT um ein Dimeres von BHT. Sämtliche organische Umweltchemikalien und Metabolite konnten in kommunalen und industriellen geklärten und ungeklärten Abwässern, im Niederschlag und im Dachablauf, in Oberflächengewässern sowie im Grundwasser nachgewiesen werden. Abwasser: In den kommunalen Zuläufen betrug die mittlere BHT-Konzentration 392 ng/l und in den Abläufen 132 ng/l. Für BHT-CHO lag die mittlere Konzentration in den kommunalen Zuläufen bei 113 ng/l und in den Abläufen bei 70 ng/l. Auch die drei Phosphorsäureester wurden in allen untersuchten kommunalen Zuläufen mit mittleren Konzentrationen von 15404 ng/l für TBP, 986 ng/l für TCEP und 12835 ng/l für TBEP nachgewiesen. Die Durchschnittskonzentration in den Abläufen der drei kommunalen Kläranlagen lag bei 622 ng/l für TBP, 352 ng/l für TCEP und 2955 ng/l für TBEP. Das Xenoöstrogen BPA wurde in den Zuläufen mit durchschnittlich 6579 ng/l und in den Abläufen mit 1656 ng/l bestimmt. Die Verbindung 4-NP trat hingegen nur in den Abläufen der kommunalen Kläranlagen mit durchschnittlich 385 ng/l auf. Die Konzentrationen von BHT, TBP, TCEP und TBEP im Zulauf der betriebseigenen Kläranlage einer Stahlverarbeitungsfirma bei Eisenhüttenstadt waren durchweg geringer als die mittleren Konzentrationen dieser Stoffe in den Zulaufproben der kommunalen Kläranlagen. Diese Industriechemikalien finden vor allem in Haushaltsprodukten Verwendung und werden so hauptsächlich durch die Abwassereinleitungen kommunaler Kläranlagen in die Oberflächengewässer eingetragen. Im Gegensatz dazu wurden im Abwasser der industriellen Kläranlage die höchsten Konzentrationen für die beiden Xenoöstrogene BPA und 4-NP festgestellt, da diese Stoffe bei der Metallverarbeitung als Zusatzstoff bzw. als Reinigungsmittel eingesetzt werden. Sämtliche hier zur Diskussion stehenden Verbindungen, mit Ausnahme von 4-NP, wurden durch den Klärprozess mit Raten von 29,1-96,0 % eliminiert. Die Substanzen TBP und TBEP, die in höheren Konzentrationen von mehreren Mikrogramm/l im ungeklärten Abwasser enthalten waren, wurden effektiver durch den Klärprozess eliminiert, als dies bei Substanzen mit geringeren Konzentrationen wie BHT und TCEP der Fall war. Eine besondere Stellung im Eliminierungsprozess in den Kläranlagen nimmt 4-NP ein. Diese endokrin wirksame Substanz konnte ausschließlich in den Ablaufproben der kommunalen Kläranlagen nachgewiesen werden, was darauf hindeutet, dass sie erst während des Klärprozesses durch biologischen Abbau von NPnEO gebildet wird. Da allerdings kommunale Kläranlagen neben Abwasser auch einen großen Anteil an Oberflächenabfluss und damit Niederschlagswasser aufnehmen, stellt sich an dieser Stelle die Frage, warum 4-NP in den Zulaufproben nicht oberhalb der Nachweisgrenze nachgewiesen werden konnte. Niederschlag- und Dachablauf enthielten immerhin durchschnittlich 942 ng/l 4-NP. Hier besteht weiterhin Klärungsbedarf. Das Auftreten aller Substanzen in sämtlichen Ablaufproben zeigt, dass die Direkteinleitungen geklärter Abwässer in die Flüsse eindeutig eine Eintragsquelle für das gesamte untersuchte Stoffspektrum in die aquatische Umwelt darstellen. Ein weiterer Schadstoffeintrag ist durch die Aufbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftliche Nutzflächen gegeben. Aufgrund der hohen Werte der Octanol/Wasserverteilungskoeffizienten (logPOW) der hier untersuchten Verbindungen muss eine Adsorption der Substanzen an Klärschlamm und ein damit verbundener Eintrag ins Grundwasser durch Remobilisierungserscheinungen ebenfalls als Eintragsquelle in Betracht gezogen werden. Generell gingen in den letzten Jahren die Mengen an BHT, die über die Einleitungen geklärter Abwässer in die Oberflächengewässer gelangen, zurück. Vor fast 30 Jahren gelangte in den USA vereinzelt noch ungefähr die 100fache Menge der Substanz über Abwassereinleitungen in die Vorfluter. Für TBP, TCEP und TBEP war im geklärten Abwasser deutscher Kläranlagen in den letzten 20 Jahren ebenfalls eine Konzentrationsabnahme zu beobachten. Der Grund hierfür liegt in der Ausweitung des Kläranlagennetzes sowie in der Verbesserung vorhandener Abwasserreinigungsanlagen (vor allem in den neuen Bundesländern). Dagegen ist die BPA-Konzentration im geklärten Abwasser in der Bundesrepublik Deutschland in den letzten drei Jahren geringfügig gestiegen, was auf die steigenden Produktionszahlen dieser Massenchemikalie zurückgeführt werden kann. Für 4-NP wurde in der BRD in den letzten fünf Jahren ein leichter Konzentrationsrückgang im geklärten Abwasser beobachtet. Dies kann damit in Zusammenhang gebracht werden, dass die deutsche Wasch- und Reinigungsmittelindustrie im Jahr 1986 eine freiwillige Verzichterklärung bezüglich des Einsatzes von NPnEO abgegeben hat. Durch den geringeren Einsatz dieser nichtionischen Tenside in den Produkten gelangen weniger NPnEO mit dem Abwasser in die Kläranlagen. Folglich wird im Verlauf der Abwasserbehandlung auch weniger 4-NP durch biologischen Abbau gebildet. Trotz dieser Verzichterklärung kann 4-NP dennoch bis heute in deutschen Kläranlagenabläufen nachgewiesen werden. Im internationalen Vergleich mit Österreich, Italien, England, Schottland, Schweiz, Kanada und den USA sind die 4-NP-Konzentrationen im geklärten Abwasser in Deutschland allerdings relativ gering. Niederschlag und Dachablauf Alle ausgewählten Verbindungen konnten sowohl in der Niederschlagsprobe aus dem Oderbruch als auch in den Dachablaufproben nachgewiesen werden. Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften wie Dampfdruck und Henry-Konstante ist die Voraussetzung für einen Eintrag in die Atmosphäre für alle im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Substanzen generell gegeben. BHT und BHT-CHO konnten mit durchschnittlich 510 ng/l bzw. 171 ng/l in Niederschlag- und Dachablauf nachgewiesen werden (n=5). Der Maximalwert für BHT lag dabei bei 1797 ng/l in einer Dachablaufprobe und für BHT-CHO bei 474 ng/l in der Niederschlagsprobe. Die mittlere Konzentration der Phosphorsäureester in den untersuchten Niederschlags- und Dachablaufproben lag bei 951 ng/l für TBP, bei 151 ng/l für TCEP und bei 338 ng/l für TBEP. Dabei erreichte TBP ein Maximum von 1344 ng/l, TCEP von 327 ng/l und TBEP von 448 ng/l (die Maximalwerte der Phosphorsäureester wurden jeweils in einer Dachablaufprobe bestimmt). 4-NP wurde mit einer mittleren Konzentration von 942 ng/l im Niederschlag- und Dachablauf gemessen. Das 4-NP- Maximum lag bei 1231 ng/l (Dachablauf). BPA konnte mit durchschnittlich 1251 ng/l in Niederschlag- und Dachablauf nachgewiesen werden. Die maximale BPA-Konzentration lag dabei bei 4085 ng/l in der Niederschlagsprobe aus dem Oderbruch. Die hohen Konzentrationen von BPA im Regen konnten im Rahmen dieser Arbeit nicht erklärt werden. Die Verbindung besitzt einen sehr niedrigen Dampfdruck (0,000005 Pa bei 25°C), der nicht ausreicht, um solch hohe Konzentrationen in der Atmosphäre hervorzurufen. Eine Verunreinigung der Regenwasserproben bei der Probennahme ist hier als Grund für die hohen BPA-Konzentrationen in Betracht zu ziehen und durch die Analyse weiterer Niederschlags- und Dachablaufproben zu überprüfen. Die Substanzen BHT, BHT-CHO, TBP und 4-NP waren im Vergleich zum geklärten Abwasser in höheren Konzentrationen in Niederschlag und Dachablauf enthalten. Diese Stoffe werden somit verstärkt über die Atmosphäre mit den Niederschlägen in die Umwelt eingetragen. Hier besteht Klärungsbedarf bezüglich dessen, dass 4-NP zwar im Regenwasser nicht aber in den Zuläufen der kommunalen Kläranlagen nachgewiesen werden konnte. Die mittleren Regenwasserkonzentrationen von BHT, BHT-CHO, TBP und 4-NP lagen ebenfalls über den mittleren Konzentrationen in Oberflächen- und Grundwasser. Zwei der Dachablaufproben stammten aus dem Rhein-Main Gebiet. In solchen Ballungszentren sind häufig höhere Gehalte an organischen Umweltchemikalien im Regenwasser enthalten als in ländlichen Gebieten, was einen Anstieg der Durchschnittskonzentration in sämtlichen Regenwasserproben zur Folge hat. Hinzu kommt, dass sich Verbindungen wie 4-NP, die einen hohen Dampfdruck aufweisen, relativ gleichmäßig in der Atmosphäre verteilen und so auch in Gebiete gelangen, die nicht durch hohe Schadstoffemissionen gekennzeichnet sind. Dies hat ebenfalls relativ hohe Konzentrationen im Regenwasser zur Folge. Ein dritter Grund für die höheren Konzentrationen im Regenwasser im Vergleich zum Oberflächen- und Grundwasser könnte die Adsorption organischer Umweltchemikalien mit hohen Octanol/ Wasserverteilungskoeffizienten an Sedimentpartikel, Schwebstoffe und/oder organische Substanz in Fluss und Aquifer sein. Die mittleren Konzentrationen der beiden Phosphorsäureester TCEP, TBEP und BPA waren im Vergleich zum geklärten Abwasser der kommunalen Kläranlagen im Regenwasser deutlich niedriger. Der Eintrag über die Atmosphäre ist folglich für diese Verbindungen von geringerer Bedeutung. Am Beispiel des Phosphorsäureester TBEP konnte dennoch demonstriert werden, dass der atmosphärische Eintrag organischer Verbindungen mit relativ geringen Dampfdrücken nicht zu vernachlässigen ist, da solche Substanzen die Tendenz zeigen, an Aerosolpartikel zu adsorbieren und mit dem Aerosol transportiert zu werden. Oberflächenwasser Die untersuchten Umweltchemikalien konnten in fast allen Wasserproben aus den untersuchten Oberflächengewässern mit zum Teil erheblichen Konzentrationsschwankungen nachgewiesen werden. Für BHT lagen die Konzentrationen in den Oberflächengewässern zwischen Werten unterhalb der Nachweisgrenze (<1 ng/l) und 1594 ng/l. Der Metabolit BHT- CHO wies dagegen mit einem Konzentrationsbereich von Werten unterhalb der Nachweisgrenze (<5 ng/l) bis 236 ng/l durchweg geringere Konzentrationen in den Oberflächenwasserproben auf. Der Mittelwert lag für BHT bei 233 ng/l und für BHT-CHO bei 89 ng/l (n = 47). Die Konzentrationen der Phosphorsäureester TBP, TCEP und TBEP in den untersuchten Oberflächenwasserproben schwankten zwischen Gehalten unterhalb der Nachweisgrenzen (<7 ng/l für TBP, <5 ng/l für TCEP und <6 ng/l für TBEP) und 1510 ng/l für TBP. Dabei wiesen TBP und TBEP mit Mittelwerten von 481 bzw. 465 ng/l die höchsten Konzentrationen in den untersuchten Oberflächengewässern auf. Der Mittelwert der Substanz TCEP in allen untersuchten Oberflächenwasserproben lag dagegen nur bei 165 ng/l. Die Konzentrationen der Xenoöstrogene BPA und 4-NP reichten bis maximal 1672 bzw. 1220 ng/l. Die Nachweisgrenze für BPA lag bei 10 ng/l und für 4-NP bei 6 ng/l. 4-NP trug mit einem Mittelwert von 464 ng/l am meisten von allen untersuchten Verbindungen zur Gewässerverunreinigung bei. Der Mittelwert für BPA in den Oberflächengewässern lag bei 351 ng/l. In den hier untersuchten Flüssen in der BRD war die maximale BHT-Konzentration (1594 ng/l) um das 10fache geringer als die maximale BHT-Konzentration, die noch vor 30 Jahren in deutschen Oberflächengewässern gemessen wurde (14000 ng/l). Im Vergleich zu BHT- Gehalten in japanischen (1980) und amerikanischen (1975) Oberflächengewässern lagen die aktuellen BHT-Gehalte in deutschen Flüssen deutlich darunter. Die Konzentrationen für TBP und TCEP in deutschen Oberflächengewässern sind in der Vergangenheit ebenfalls deutlich zurückgegangen. Im internationalen Vergleich liegt die BRD in Bezug auf TBP-Gehalte in Oberflächengewässern mit an der Spitze. In der Elbe konnte für die Substanz TBEP in den letzten 15 Jahren ein leichter Konzentrationsanstieg beobachtet werden. Die TBEP- Konzentration in deutschen Oberflächengewässern ist im Vergleich zu Gehalten in japanischen und amerikanischen Flüssen sowie im Trinkwasser aus Kanada gering. Der BPA- Gehalt im Rhein ist in den letzten 10 Jahren geringfügig angestiegen. Im Vergleich mit Japan und Tschechien liegen die BPA-Konzentrationen in deutschen Flüssen innerhalb von Ballungsgebieten auf einem ähnlich hohen Niveau. Die Konzentrationsentwicklung des Xenoöstrogens 4-NP war seit 1986 in deutschen Oberflächengewässern stark rückläufig, was mit der freiwilligen Verzichterklärung in diesem Jahr zusammenhängt. Trotzdem tritt 4-NP auch heute noch in Konzentrationen im Nanogramm/Liter-Bereich in deutschen Flüssen auf. Die deutschen Werte lagen allerdings deutlich unterhalb der 4-NP-Konzentrationen in Oberflächengewässern der Schweiz, England, den USA und Taiwan.. Grundwasser Das Antioxidans BHT sowie sein Abbauprodukt BHT-CHO konnten in den meisten Grundwasserproben aus dem Oderbruch mit Gehalten bis zu 2156 bzw. 541 ng/l nachge- wiesen werden. Der Mittelwert für BHT im Grundwasser lag bei 353 ng/l und für BHT-CHO bei 105 ng/l (n=76). Die Verbindung 2-BHT wurde ausschließlich im Grundwasser nachgewiesen. Dies zeigt, dass die anaeroben Bedingungen im Aquifer des Oderbruchs zur Bildung des Dimeren von BHT geführt haben. Ob diese Vermutung stimmt, dass 2-BHT tatsächlich aus dem Antioxidans BHT gebildet wird, soll in naher Zukunft anhand mikrobiologischer Abbauversuche von BHT unter anaeroben Bedingungen geklärt werden. Die Gehalte der Phosphorsäureester im Grundwasser bewegten sich in Konzentrationsbereichen bis zu 1605 ng/l (TBP), bis zu 754 ng/l (TCEP) und bis zu 2010 ng/l (TBEP) mit einem Mittelwert für TBP von 276 ng/l, für TCEP von nur 80 ng/l und für TBEP von 289 ng/l. Der Maximalwert für BPA in den Grundwasserproben betrug 4557 ng/l. Der Mittelwert für diese Verbindung im Grundwasser lag bei 630 ng/l. Betrachtet man die BPA- Konzentration in den Grundwasserproben, fällt auf, dass diese sehr starken Schwankung unterliegt, die an dieser Stelle nicht erklärt werden können. Es besteht der Verdacht einer BPA-Kontamination der Grundwasserproben bei der Probennahme, da die beprobten Messstellen im Oderbruch zur Förderung des Grundwassers mit Kunststofflinern ausgestattet wurden, die eventuell BPA als Antioxidans enthalten. In Zukunft sind daher weitere Grundwasseranalysen mit einer verbesserten Probennahmetechnik notwendig, um eine Kontamination mit BPA auszuschließen. In den Grundwasserproben war das Isomerengemisch 4-NP, ebenso wie in den Oberflächenwasserproben, im Mittel mit der höchsten Konzentration vertreten (724 ng/l). Das 4-NP-Maximum lag dabei bei 2542 ng/l. Alle ausgewählten organischen Industriechemikalien konnten in den odernahen Bereichen innerhalb der Transsekte Bahnbrücke sowohl im Grundwasser aus dem Teilbereich des Aquifers, der nur durch infiltrierendes Oderwasser gespeist wird, als auch im Grundwasser aus dem Teilbereich des Aquifers, der überwiegend von infiltrierendem Niederschlagswasser beeinflusst wird, nachgewiesen werden. Die anthropogenen Stoffe gelangen also im Bereich der Transsekte Bahnbrücke sowohl über das Uferfiltrat als auch durch Niederschlagsinfiltration ins Grundwasser. Durch die Uferfiltration spiegelten sich die Konzentrationen der vor wenigen Tagen infiltrierten organischen Verbindungen aus dem Oderwasser direkt im Grundwasser aus odernahen Bereichen wieder. Auch weiter vom Fluss entfernt liegende Aquiferbereiche innerhalb der Transsekte Bahnbrücke wurden noch von infiltriertem Oderwasser beeinflusst. Die jahreszeitlichen Konzentrationsschwankungen demonstrieren hier jedoch die Flusskonzentrationen vor einigen Jahren, da das Oderwasser mehrere Jahre braucht, um in diese Bereiche zu gelangen. Weiterhin ist auch ein Stoffeintrag ins Grundwasser mit dem Oderwasser bei Hochwasserereignissen zu berücksichtigen. Generell nahmen die Konzentrationen der organischen Umweltchemikalien mit zunehmender Entfernung von der Oder ab, was den fehlenden Niederschlagseinfluss im Aquiferbereich der Transsekte Bahnbrücke bedingt durch die schützenden undurchlässigen Deckschichten demonstriert. Im Grundwasser, das aus dem Aquiferbereich in unmittelbarer Nähe der Entwässerungsgräben stammte, war häufig eine Konzentrationsabnahme der organischen Umweltchemikalien zu beobachten. Dies beweist den hydraulischen Zusammenhang zwischen Fluss und Entwässerungsgräben. Das infiltrierte Flusswasser steigt nach der Aquiferpassage in Grabennähe auf, was zu Verdünnungseffekten im Grundwasser verbunden mit einer Konzentrationsabnahme führt. Weiterhin wurden die ausgewählten Stoffe auch in den Grundwasserproben aus dem Aquiferbereich der Transsekte Nieschen nachgewiesen, der durch das Fehlen undurchlässiger Deckschichten gekennzeichnet ist. Da hier aufgrund der Entfernung dieser Transsekte von der Oder der hydraulische Kontakt zum Fluss stark eingeschränkt ist, sind die im Grundwasser auftretenden organischen Umweltchemikalien auf einen Eintrag mit dem infiltrierenden Niederschlagswasser zurückzuführen. Für einen Eintrag der Substanzen mit dem Niederschlagswasser spricht auch die Tatsache, dass die mittleren Konzentrationen der organischen Verbindungen in den Grundwasserproben aus der Transsekte Nieschen im Gegensatz zu denen aus der Transsekte Bahnbrücke trotz eines fehlenden hydraulischen Kontakts zur Oder erhöht waren. Die starken Konzentrationsschwankungen der organischen Umweltchemikalien im Aquiferbereich der Transsekte Nieschen können zum einen auf einen Eintrag dieser Substanzen mit dem Niederschlag zurückgeführt werden. Der Aquifer im Oderbruch ist heterogen ausgebildet, was den Eintrag organischer Stoffe mit den Niederschlägen ins Grundwasser lokal fördert oder hemmt und es dadurch zu unterschiedlichen Konzentrationen kommt. Zum anderen kann angenommen werden, dass die Konzentrationsschwankungen in diesem Aquiferbereich Folge einer Aufkonzentrierung der gelösten organischen Stoffe durch Verdunstung des oberflächennahen Grundwassers waren. Diese Annahme bestätigen die erhöhten Konzentrationen der Stoffe im Grundwasser im November 2000 und im März 2001 im Vergleich zum März 2000. Zu beiden Zeitpunkten waren die Niederschläge gering, was sich im Niedrigwasserstand der Oder wiederspiegelte. Vor allem in niederschlagsarmen Gebieten wie das Oderbruch, kann dieser Prozess der Aufkonzentrierung organischer Stoffe im Grundwasser durch Evaporation von Bedeutung sein. Die Frage, ob letztendlich der Niederschlagseintrag oder der umgekehrte Prozess, die Evaporation des Grundwassers, zu den starken Konzentrationsschwankungen der organischen Umweltchemikalien im Aquiferbereich der Transsekte Nieschen geführt hat, kann an dieser Stelle nicht beantwortet werden. Sicher ist, dass bei fehlenden undurchlässigen Deckschichten ein atmosphärische Eintrag organischer Umweltchemikalien in den Aquifer stattfindet. Auch in den Messstellen, die außerhalb der beiden Transsekten Nieschen und Bahnbrücke ca. 3000 bzw. 5000 m entfernt von der Oder liegen, konnten die organischen Verbindungen zum Teil in erheblichen Konzentrationen nachgewiesen werden. Dies ist zum einen wiederum mit einem Eintrag durch Niederschlagswasser und dem Transport der organischen Umweltchemikalien in größere Tiefen des Aquifers mit dem Sickerwasser zu erklären. Die undurchlässige Auelehmschicht ist in diesem Bereich nicht mehr vorhanden, so dass das Niederschlagswasser ungehindert in den Aquifer infiltrieren kann. Ein Einfluss des Oderfiltrats in dieser Entfernung vom Fluss kann ausgeschlossen werden, da in den mittleren Bereichen des Oderbruchs 50-100 Jahre für einen vollständigen Grundwasseraustausch realistisch sind und die Produktion sämtlicher Industriechemikalien, die Gegenstand dieser Arbeit sind, zu diesen Zeiten ohne Bedeutung war. Eine Remobilisierung der organischen Umweltchemikalien aus Klärschlamm, der im Land Brandenburg noch häufig auf Agrarflächen aufgebracht wird, muss als Eintragsquelle hier ebenfalls in Betracht gezogen werden, da Stoffe mit einem hohen Octanol/ Wasserverteilungskoeffizienten häufig die Tendenz zeigen, an Klärschlamm zu akkumulieren. Der photochemische Abbau des Antioxidationsmittels BHT zu seinem Metabolit BHT-CHO in der Atmosphäre war im Sommer höher als im Herbst und im Frühjahr, wobei der Metabolit selbst ebenfalls Abbauprozessen unterlag. Im Gegensatz dazu spielte der photochemische Abbau von TBP, TCEP, TBEP und 4-NP zu keinen Zeitpunkt eine große Rolle. Solange keine nennenswerten Direkteinleitungen in die Oder zu verzeichnen waren, konnte flussabwärts eine Konzentrationsabnahme für alle organischen Verbindungen festgestellt werden, welche auf aeroben Abbau der Substanzen zurückgeführt werden kann. Im Frühjahr war der Sauerstoffgehalt im Fluss mit 12,05 mg/l aufgrund der geringen Wassertemperatur (6,9 °C) und des Hochwasserereignisses am höchsten. Dies hatte höhere aerobe Abbauraten von BHT zu BHT-CHO zu diesem Zeitpunkt zur Folge. Ob es sich tatsächlich um einen biologischen Abbau der organischen Substanzen handelt oder ob Adsorptionseffekte an Schwebstoffe und Sedimente bei der Eliminierung dieser Stoffe ebenfalls eine Rolle spielen, muss anhand zukünftiger Analysen von Odersedimenten- und Schwebstoffen auf solche Substanzen geklärt werden. Der Abbau unter anaeroben Bedingungen, wie sie im Grundwasserleiter des Oderbruchs durchweg herrschen, spielte dagegen im Bezug auf alle untersuchten Verbindungen keine große Rolle, da diese in allen Tiefen des Aquifers (bis 21 m) noch nachgewiesen werden konnten. Sind sie einmal in das Grundwasser gelangt, werden sie aufgrund ihrer relativ guten Wasserlöslichkeit also leicht mit diesem in tiefere Bereiche transportiert. Sie sind damit relativ mobil. Die organischen Umweltchemikalien werden auch nicht wesentlich durch Adsorption an Sediment und/oder organischer Substanz zurückgehalten und dadurch aus dem Grundwasser eliminiert. Solche Faktoren wie ein schlechter anaerober Abbau, eine gute Wasserlöslichkeit und eine geringe Adsorption an Boden und Sediment einiger Schadstoffe müssen bei der Trinkwasserförderung aus tieferen Aquiferbereichen berücksichtigt werden. Chemikalien mit guten Wasserlöslichkeiten, wie beispielsweise die beiden Phosphorsäureester TCEP und TBEP, zeigten sogar die Tendenz sich besonders in den tieferen Aquiferbereichen anzureichern. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auch, dass es selbst in Gebieten wie dem Oderbruch, in denen die Grundwasserneubildung durch Niederschlag eine eher geringe Rolle spielt, durchaus zu einen nicht zu vernachlässigenden Eintrag von Stoffen durch Niederschlagswasser kommt und eine hohe Verdunstungsrate zu einer Aufkonzentrierung führt. Dies bedeutet, dass bei einer Betrachtung von hydrochemischen Prozessen in einem Grundwasserleiter, der hauptsächlich durch Uferfiltrat gespeist wird, keine einfache räumliche Struktur zugrunde gelegt werden kann. Zum lateralem Zustrom des infiltrierenden Flusswassers kommt der vertikale Einfluss des Sickerwassers. Dies muss neben Faktoren wie anaerober Abbau, Adsorption und Verdünnungseffekte bei der Interpretation des Schadstoffeintrags- und Transports im Grundwasser berücksichtigt werden.
Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil wurde der Einfluss der anthropogen verursachten Erhöhung der atmosphärischen Konzentration von Treibhausgasen auf beobachtete Klimaelemente für die letzten 100 bis 120 Jahre untersucht. Die bodennahe Lufttemperatur wurde in unterschiedlicher räumlicher Auflösung und Abdeckung analysiert: Globales und hemisphärische Mittel, 84 flächengleiche Gebietsmittel globaler Abdeckung und 5°x5°-Gitterpunkte für die europäische Region, für die außerdem der auf Meeresniveau reduzierte Luftdruck und der Niederschlag untersucht wurden. Es wurde ein empirisch-statistischer Ansatz verwendet, der die Datenfelder zunächst in ihre räumlichen und zeitlichen Hauptstrukturen zerlegt (EOF-Zerlegung) und nachfolgend Regressionsbeziehungen zwischen den zeitlichen Hauptstrukturen (Zielgrößen) und den potenziellen Einflussgrößen mittels einer Selektionsstrategie (schrittweise Regression) findet, was zu einer Signaltrennung bezüglich der unterschiedlichen anthropogenen sowie natürlichen Einflüsse führt. Durch eine Abschätzung der Überzufälligkeit der Signal-Rausch-Verhältnisse wurden die Signifikanzen der einzelnen Signale berechnet. Als anthropogene Einflussgrößen wurden neben der logarithmierten Treibhausgaskonzentration (GHG) noch die Konzentration von troposphärischem Sulfat (SUL) aus anthropogenen Quellen verwendet. Die natürlichen Einflussgrößen umfassen Schwankungen der Solarkonstanten (SOL), Strahlungsantrieb explosiver Vulkanausbrüche (VUL), den Southern Oscillation Index (SOI, als Maß für das El-Nino-Phänomen) und den Nord-Atlantik-Oszillations-Index (NAO). In der globalen und den hemisphärischen Mitteltemperaturen dominiert das GHG-Signal. Es unterscheidet sich dabei hochsignifikant vom Zufall und von der natürlichen Variabilität und weist eine mittlere Signalamplitude von etwa 0,5 K auf. Das SUL-Signal ist hier, wie auch in den anderen Datensätzen, unplausibel, was an den fragwürdigen verwendeten Einflüssen liegt, welche die zugrundeliegenden Prozesse nicht hinreichend erfassen. In den räumlich differenzierten Datensätzen ist der zufallsartige Anteil in den Zeitreihen generell höher als in den gemittelten, was die Signifikanzen der GHG-Signale herabsetzt. In Europa ist vor allem im Winter die NAO dominant, was dort zusätzlich den Nachweis des GHG-Signals erschwert. Im europäischen Luftdruck und Niederschlag werden zwar ebenfalls GHG-Signale gefunden, die jedoch aufgrund der hohen Rauschkomponente nur sehr schwach signifikant sind. Des Weiteren ist die Wirkung der anthropogenen Erhöhung der Treibhausgase auf diese Klimaelemente indirekter als bei der Temperatur, wodurch die statistische Ähnlichkeitsbetrachtung hier eventuell auch natürlich verursachte Trendkomponenten irrtümlich als anthropogen selektiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Witterungseinflüsse auf Ernteerträge in der BRD (West) von 1950-1998 untersucht. Die Ertragsdaten der 21 untersuchten Fruchtarten sind mit ausgeprägten Trends behaftet, die wahrscheinlich zum weitaus überwiegenden Teil durch gewollte Ertragssteigerungen verursacht worden sind. Diese sog. Züchtungsvarianz wurde daher mittels eines Gaußschen Tiefpassfilters von der interannulären Variabilität getrennt, welche Umwelteinflüssen zugeordnet wird. Hierdurch können keine Wirkungen langfristiger Klimatrends auf die Erträge untersucht werden. Als meteorologische Parameter wurden Bundeslandmittel der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlages in monatlicher Auflösung verwendet. Die quadrierten Klima- Zeitreihen sind ein Maß für extreme Anomalien. Durch Bildung von Produkten bzw. Quotienten aus Temperatur und Niederschlag erhält man Zeitreihen, welche die kombinierte Wirkung beider Klimaelemente beschreiben. Die Witterungsabhängigkeiten der Erträge wurden durch Korrelation und Regression (schrittweise Regression) mit den meteorologischen Parametern quantifiziert. Hierbei zeigte sich unter anderem ein negativer Einfluss feucht-warmer April-Anomalien auf Getreide-Erträge. Des Weiteren konnten Ernteeinbrüche verschiedener Fruchtarten mit extrem trocken-heißen Witterungsperioden im Sommer in Verbindung gebracht werden. Korrelationen und Regressionskoeffizienten von quadratischen Einflussreihen sind fast ausschließlich negativ. Somit wirken sich vor allem extreme Anomalien der meteorologischen Parameter ertragsmindernd aus. Mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation konnte die Überzufälligkeit der durch die meteorologischen Parameter erklärten Varianzen an den Erträgen qualitativ bewertet werden. In etwa 40% der untersuchten Beziehungen ist ein Witterungsein deutlich sichtbar. Des Weiteren ist eine Untersuchung der Veränderungen (Intensität und Häufung) extremer Witterungen, vor allem sommerlicher Hitzeperioden, nötig, um den Klima-Impakt auf deutsche Ernteerträge besser abzuschätzen. Auch ist die Frage noch offen, ob langfristige anthropogene Klimaänderungen, wie sie hier detektiert worden sind, mit Änderungen des Extremwertverhaltens verknüpft sind.
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Integrierte Analyse von mobilen, organischen Fremdstoffen in Fließgewässern“ (INTAFERE) am Institut für Physische Geographie an der Goethe-Universität Frankfurt erstellt. In INTAFERE wurde das Gefährdungspotenzial von mobilen, organischen Fremdstoffen (MOF) für aquatische Ökosysteme und die natürlichen Wasserressourcen in integrierter und partizipativer Art und Weise untersucht. MOF sind chemische Substanzen, die in Alltagsprodukten enthalten sind und durch unterschiedliche Eintragsfade in unbekannten Mengen in Oberflächengewässer eingetragen werden. Problematisch sind aus Umweltgesichtspunkten ihre Eigenschaften: sie besitzen im Wasser eine hohe Mobilität und sind schwer abbaubar. Dies führt zu einer Persistenz über lange Zeiträume. Für einige dieser Substanzen wurde zudem gezeigt, dass sie in sehr geringen Konzentrationen biologisch aktiv sind und für aquatische Ökosysteme eine Gefahr darstellen. In INTAFERE wurden drei zentrale Ziele verfolgt: Charakterisierung des Problemfeldes MOF, Erzeugung von praxisrelevantem Wissen für das Management von MOF und Entwicklung einer Softwareanwendung, die gesellschaftliche Aushandlungsprozesse durch eine transparente Darstellung der Wirkungszusammenhänge im Problemfeld unterstützt. Um einen Beitrag für die Erfüllung der Ziele zu leisten, war es die Aufgabe der Verfasserin, eine Akteursanalyse und -modellierung durchzuführen sowie Zukunftsszenarien im Bereich der MOF zu entwickeln. Dafür existierte keine adäquate Methodik, daher verfolgt die Dissertation zum einen die Entwicklung einer Methodik und zum anderen deren Anwendung im Kontext des Projektes INTAFERE. Da im Forschungsprozess die Durchführung von Analysen, die wissenschaftliche und gesellschaftliche Sichtweise der Problematik sowie die Erarbeitung von praktischen Lösungen im Mittelpunkt standen, wurde eine transdisziplinäre Herangehensweise gewählt. Ziel war es, eine Methodik zu entwerfen, die sowohl eine Entwicklung von Szenarien als auch eine Modellierung von Handlungsentscheidungen umfasst. Eine Modellierung und Visualisierung von Handlungsentscheidungen ist notwendig, um Strategien für ein Umweltproblem für verschiedene Szenarien zu ermitteln, und damit einen Lernprozess der Stakeholder zu initiieren. Dies wurde mit der transdisziplinären Methode „Akteursbasierte Modellierung“ umgesetzt. Hierbei wurden insbesondere Aspekte der Problemwahrnehmung von Akteuren und deren Darstellung, der partizipativen Szenarienentwicklung sowie der semi-quantitativen Modellierung von Handlungsentscheidungen berücksichtigt. Die Verfasserin hat mit der semi-quantitativen akteursbasierten Modellierung eine Methode erarbeitet und getestet, die bisher unverbundene Komponenten (wie die Software Dynamic Actor Network Analysis (DANA) und die Szenarienentwicklung) zusammenführt. Um Handlungsentscheidungen unter verschiedenen Szenarien zu modellieren hat die Autorin eine sequentielle Modellierung entwickelt, die mit der Software DANA durchgeführt werden kann. Die dafür notwendige Weiterentwicklung von DANA wurde von Dr. Pieter Bots (TU Delft) umgesetzt. Die akteursbasierte Modellierung läuft in drei methodischen Schritten ab: 1. Modellierung von Akteurs-Sichtweisen in Form von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse, aufbauend auf Ergebnissen von qualitativen, leitfaden-gestützten Expertengesprächen (= Akteursmodellierung), 2. partizipative Szenarienentwicklung mit den Akteuren und 3. Zusammenführung der Ergebnisse der Akteursmodellierung und der Szenarienentwicklung und darauf aufbauend eine sequentielle Modellierung von Handlungsentscheidungen und deren Auswirkungen auf Schlüsselfaktoren. Im Zuge der Anwendung auf das Problemfeld der MOF wurde für folgende Akteure jeweils ein Wahrnehmungsgraph modelliert: Obere Wasserbehörde, Umweltbundesamt, Umwelt- und Verbraucherschutzorganisationen, Wasserversorger sowie für die Hersteller von verschiedenen MOF, weiterhin für die European Flame Retardants Association und die Weiterverarbeitende Industrie. Das Ergebnis der Szenarienentwicklung waren vier Szenarien: ein Gesundheitsszenario, unter der Annahme von hohen lokalen Umweltstandards durch nachhaltigkeitsorientierte KonsumentInnen, ein Umweltszenario, in dem eine starke Regulierung und nachhaltigkeitsorientierter Konsum Hand in Hand gehen, ein Globalisierungsszenario, in dem Wirtschaftsmacht und preisbewusste KonsumentInnen statt staatliche Regulierung vorherrschen und ein Technikszenario, unter der Annahme, dass Kläranlagen, bedingt durch eine starke Regulierung, aufgerüstet werden. Bei der Modellierung von Handlungsentscheidungen wurden die Wahrnehmungsgraphen und die vier Szenarien miteinander verknüpft. Pro Substanz wurde ein Modell entwickelt, welches die wichtigsten Systemkomponenten in einer angemessenen Komplexität umfasst und die von den Akteuren gemeinsam getragene Einschätzung der Wirkungsbeziehungen darstellt. Insgesamt wurden 16 Modelle entwickelt. Basierend auf den simulierten Akteurshandlungen wurden relativen Veränderungen der Schlüsselfaktoren Produktion, Import und Leistungsfähigkeit der Kläranlagen für die vier genannten Szenarien berechnet. In Zusammenarbeit mit Pieter Bots konnten algorithmische Beiträge zur Analyse- und Modellierungssoftware DANA getestet und verbessert werden. Da keine vollständige und zugleich leicht verständliche Einführung zu DANA vorlag, wurde für Nutzer im Rahmen dieser Dissertation eine Anleitung verfasst, die die Modellierung von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse sowie alle Schritte der akteursbasierten Modellierung mit DANA erläutert.
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.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von regionalen Klimasimulationen für die Region Ostasien. Hierfür werden zwei verschiedene Modellierungsansätze verwendet. Der dynamische Regionalmodellierungsansatz, vertreten durch COSMO CLM (CCLM), und der statistische Modellierungsansatz, vertreten durch STARS. Die Simulationen erfolgten unter den Rahmenbedingungen des Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX). Beide Regionalmodelle wurden im Rahmen dieser Arbeit umfassend für die Region CORDEX-Ostasien kalibriert und evaluiert. Das statistische Modell STARS wurde hierbei erstmals auf kontinentaler Ebene angewendet. Auf Basis der kalibrierten Modelle wurden Projektionen der zukünftigen klimatischen Entwicklung der Region durchgeführt.
Zur Auswertung der einzelnen Kalibrierungsläufe wurde ein komplexes Evaluierungsschema, mit einem Gütekennzahlensystem basierend auf einer linearisierten Form der relativen Modelldifferenz, entwickelt. Neben den etablierten univariaten statistischen Kennwerten (Mittelwert, Varianz, Trend) enthält das Gütekennzahlensystem auch ein bivariates statistisches Maß, welches die zweidimensionalen Stichprobenverteilungen zweier Variablen (beispielsweise Temperatur und Niederschlag) bewertet.
Im Rahmen der Kalibrierung konnte ein Großteil des Parameterraums des statistischen Modells STARS systematisch untersucht werden. Es zeigte sich, dass nur wenige Parameter einen Einfluss auf die Simulationen haben. Die meisten Parameter zeigten eine geringe und teilweise unsystematische Beeinflussung. Es konnte zudem eine Schwachstelle des Modells in Bezug auf die Variablenkorrelationen identifiziert werden. Bei der Kalibrierung des dynamischen Regionalmodells CCLM zeigte sich, dass aufgrund der groben horizontalen Auflösung des Modells eine signifikante Verbesserung der Simulationen durch eine Anpassung der physikalischen Parametrisierungen erfolgen kann.
Im Rahmen einer abschließenden Evaluierung wurden beide Modelle hinsichtlich ihres räumlichen Bias, des simulierten Jahresgangs und der Abbildung des asiatischen Monsunphänomens untersucht. Im ersten Punkt ergab sich kein qualitativer Unterschied zwischen CCLM und STARS. Beide Modelle zeigen eine deutliche Überschätzung der 2m-Temperatur im Winter über dem nördlichen Teil CORDEX-Ostasiens und eine Überschätzung des Luftdrucks über dem Hochland von Tibet im Sommer. Unterschiede zwischen beiden Modellen ergaben sich hingegen beim simulierten Jahresgang.
In Bezug auf die Modellierung des Monsunphänomens zeigt CCLM eine Unterschätzung der Intensität des indischen Sommermonsuns und eine Überschätzung des Sommermonsuns über dem westlichen Nordpazifik. Das statistische Modell STARS zeigte eine Auffälligkeit bei der Simulation des Jahresgangs sowie der räumlichen und zeitlichen Entwicklung des Sommermonsuns. Aufgrund der Konzeption des Modells ergab sich in einzelnen Regionen eine systematische Deformation des Jahresgangs. Trotz der identifizierten Schwachstellen von CCLM und STARS, bilden beide Modelle das Klima über der Region CORDEX-Ostasien qualitativ ähnlich gut ab wie aktuelle Reanalysen (ERA-Interim).
Auf Basis der kalibrierten und evaluierten Modelle wurden Klimaprojektionen für einen nahen (2020-2046), mittleren (2041-2070), und späten (2071-2100) Projektionszeitraum unter den Emissionsszenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 durchgeführt. Aufgrund von Modellbeschränkungen begrenzen sich die Rechnungen des Modells STARS auf den nahen Projektionszeitraum und die Emissionsszenarien RCP2.6 und RCP4.5. Die Projektionen beider Modelle zeigen eine deutliche und statistisch signifikante Erhöhung der 2m-Temperatur über der gesamten Region mit einer stärkeren Erwärmung über dem Kontinent gegenüber dem Meer. Aufgrund der relativ großen interannulären Variabilität des Niederschlags und des Luftdrucks werden statistisch nicht signifikante Änderungssignale und teils widersprüchliche Änderungen für den nahen Projektionszeitraum simuliert. Für den späten Projektionszeitraum ergeben sich jedoch deutliche Änderungssignale in den Simulationen des Modells CCLM. Insbesondere über dem Hochland von Tibet wird für den Zeitraum von 2071-2100 eine Temperaturerhöhung von über 7.0°C simuliert. Der Luftdruck und der Niederschlag zeigen räumlich heterogene Änderungssignale. Die spezifische Ausprägung der Luftdruckänderungen deutet auf eine Abschwächung der indischen Sommermonsunzirkulation und eine deutlichen Intensivierung des Sommermonsun über dem westlichen Nordpazifik hin. Die Niederschlagsänderungen über dem ostasiatischen Monsungebiet lassen auf eine Entkopplung der östlichen Monsunsysteme schließen. Trotz der heterogenen Änderungssignale im Niederschlag wird in den meisten Regionen eine Zunahme der Intensität von Extremniederschlägen simuliert. Dies gilt selbst für Regionen mit einer simulierten Abnahme der jährlichen Niederschlagssumme wie Westindonesien.
Im 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.