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During winter 2015/2016, the Arctic stratosphere was characterized by extraordinarily low temperatures in connection with a very strong polar vortex and with the occurrence of extensive polar stratospheric clouds. From mid-December 2015 until mid-March 2016, the German research aircraft HALO (High Altitude and Long-Range Research Aircraft) was deployed to probe the lowermost stratosphere in the Arctic region within the POLSTRACC (Polar Stratosphere in a Changing Climate) mission. More than 20 flights have been conducted out of Kiruna, Sweden, and Oberpfaffenhofen, Germany, covering the whole winter period. Besides total reactive nitrogen (NOy), observations of nitrous oxide, nitric acid, ozone, and water were used for this study. Total reactive nitrogen and its partitioning between the gas and particle phases are key parameters for understanding processes controlling the ozone budget in the polar winter stratosphere. The vertical redistribution of total reactive nitrogen was evaluated by using tracer–tracer correlations (NOy–N2O and NOy–O3). The trace gases are well correlated as long as the NOy distribution is controlled by its gas-phase production from N2O. Deviations of the observed NOy from this correlation indicate the influence of heterogeneous processes. In early winter no such deviations have been observed. In January, however, air masses with extensive nitrification were encountered at altitudes between 12 and 15 km. The excess NOy amounted to about 6 ppb. During several flights, along with gas-phase nitrification, indications for extensive occurrence of nitric acid containing particles at flight altitude were found. These observations support the assumption of sedimentation and subsequent evaporation of nitric acid-containing particles, leading to redistribution of total reactive nitrogen at lower altitudes. Remnants of nitrified air masses have been observed until mid-March. Between the end of February and mid-March, denitrified air masses have also been observed in connection with high potential temperatures. This indicates the downward transport of air masses that have been denitrified during the earlier winter phase. Using tracer–tracer correlations, missing total reactive nitrogen was estimated to amount to 6 ppb. Further, indications of transport and mixing of these processed air masses outside the vortex have been found, contributing to the chemical budget of the winter lowermost stratosphere. Observations within POLSTRACC, at the bottom of the vortex, reflect heterogeneous processes from the overlying Arctic winter stratosphere. The comparison of the observations with CLaMS model simulations confirm and complete the picture arising from the present measurements. The simulations confirm that the ensemble of all observations is representative of the vortex-wide vertical NOy redistribution.
"High-aluminous coal" is an important coal kind and widely distributed in North China in age of Permo-Carboniferous period. To explore their occurrence state, a total of 15 harmful elements (Li, Ga, In, Cd, Cr, Pb, Be, Mn, Zn, Ag, Co, Ni, Cu, Ba and U) in the No.9 coal and No.11 coal collected from Pingshuo mining district were determined by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and scanning electron microscope with energy spectrum (SEM-EDX). The results showed that the content of Li, Ga, In, Pb, Ag and U were all exceed the world hard coal. In view of the result of clustering analysis within trace elements, it was found that Co, Ni, Zn, Cu, Ag and Cr were mainly associated with sulfide minerals due to their common sulfophilic property. Manganese was mainly occurred in carbonate minerals, while Ba, Cd and U were mainly associated with total minerals. In addition, Pb was related to sulfides and Be is mainly distributed in clay minerals. The enrichment of such harmful elements in Pingshuo coal was caused by the combined effect of transgression and input of terrestrial materials in the peat accumulation stage. Li, Ga, In and Ag have reached the harmful grade.
Ob Klimawandel oder Luftverschmutzung: Die chemischen und physikalischen Prozesse in der Atmosphäre haben wichtige Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und Ökosysteme. Dabei ist die Atmosphäre mehr als ein Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf, Helium und Kohlenstoffdioxid. Es gibt zahlreiche Spurengase, deren Gesamtanteil am Volumen weniger als 1 % ausmacht. In dieser Arbeit werden Stickstoffoxide, Schwefeldioxid, Kohlenstoffmonoxid und Schwefelsäure näher betrachtet, die im Rahmen der flugzeugbasierten Messkampagne Chemistry of the Atmosphere: field experiment in Europe (CAFE-EU)/BLUESKY gemessen wurden.
Die Stickstoffoxide NO und NO2, als NOx zusammengefasst, besitzen hauptsächlich anthropogene Quellen, allen voran fossile Verbrennung und industrielle Prozesse. Zwischen NO und NO2 besteht ein photochemisches Gleichgewicht, sodass in der Atmosphäre vor allem NO2 in relevanten Konzentrationen vorkommt; dies wirkt aufgrund der Bildung von Salpetersäure, HNO3, in wässriger Lösung beim Einatmen ätzend und ist entsprechend gesundheitsschädlich. Troposphärisches Ozon, O3, wesentlicher Bestandteil von Sommersmog, wird hauptsächlich durch die Reaktion von NO mit Peroxiden (HO2 und RO2) gebildet. In der Stratosphäre entstehen NOx hauptsächlich durch die Photodissoziation von Lachgas, N2O, das aufgrund seiner langen Lebenszeit von der Tropo- in die Stratosphäre transportiert werden kann und dort die wichtigste Stickstoffquelle darstellt. In der Stratosphäre tragen NOx zum katalytischen Abbaumechanismus des Ozons bei (Bliefert, 2002; Seinfeld and Pandis, 2016).
Schwefeldioxid, SO2, ist ein toxisches Gas, dessen atmosphärische Quellen hauptsächlich anthropogen sind, nämlich fossile Verbrennung und industrielle Prozesse; Senken sind trockene und feuchte Deposition, wobei letztere zu saurem Regen führen kann. Seit den 1980ern sinken die globalen SO2-Emissionen. SO2 kann in der Atmosphäre zu Sulfat und Schwefelsäure oxidiert werden, was Hauptbestandteil des Wintersmogs ist. Der wichtigste Mechanismus ist die Oxidation mit dem Hydroxylradikal, OH˙, unter Beteiligung von Wasserdampf. In der Stratosphäre ist Carbonylsulfid, OCS, die wichtigste Schwefelquelle, da es analog zum N2O dank seiner langen Lebenszeit von der Tropo- in die Stratosphäre transportiert werden kann (Bliefert, 2002; Seinfeld und Pandis, 2016). Typische Konzentrationen von Schwefelsäure sind 105 cm–3 nachts und 107 cm–3 tagsüber in der Troposphäre sowie 105 cm–3 tagsüber in der Stratosphäre (Clarke et al., 1999; Weber et al., 1999; Fiedler et al., 2005; Arnold, 2008; Kürten et al., 2016; Berresheim et al., 2000).
Kohlenstoffmonoxid, CO, ist ein toxisches Gas, das zu gleichen Teilen durch direkte Emissionen (v.a. Biomasseverbrennung und fossile Verbrennung) und In-situ-Oxidation (v.a. von Methan, Isopren und industriellen Kohlenwasserstoffen) in die Atmosphäre gelangt. Die Hauptsenke ist die Reaktion mit OH˙ in der Troposphäre. Seit 2000 sinkt die globale CO-Konzentration (Bliefert, 2002).
Doch neben Gasen sind auch Aerosolpartikel fester Bestandteil des Gemisches Luft, welche luftgetragene feste oder flüssige Teilchen sind. Primäre Aerosolpartikel werden direkt als solche in die Atmosphäre emittiert, während sekundäre Aerosolpartikel in der Atmosphäre gebildet werden, indem gasförmige Vorläufersubstanzen mit geringer Flüchtigkeit auf primären Partikeln kondensieren oder durch Zusammenclustern und Anwachsen komplett neue Partikel bilden. Aerosolpartikel ermöglichen als Wolkenkondensationskeime erst die Bildung von Wolken und wirken somit – neben ihrem direkten reflektierenden Effekt – durch Änderung der Wolkenbedeckung und -eigenschaften insgesamt kühlend aufs Klima und beeinflussen die lokalen und globalen Wasserkreisläufe. Doch sie haben auch negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und sind für eine Verkürzung der durchschnittlichen Lebensdauer in Regionen mit hohen Feinstaubbelastungen verantwortlich (Seinfeld und Pandis, 2016; Bellouin et al., 2020; World Health Organization, 2016).
Neben den bisher betrachteten neutralen, also ungeladenen Gasen und Partikeln sind Ionen in der Gasphase sowie geladene Partikel ebenfalls Bestandteil der Atmosphäre. Sie spielen bei vielen atmosphärischen Prozessen eine wichtige Rolle, wie etwa bei Gewittern, Radiowellenübertragung und ionen-induzierter Nukleation von Aerosolpartikeln. Die Hauptquellen für Ionisation in der Tropo- und Stratosphäre ist die galaktische kosmische Strahlung, die entgegen ihrem Namen hauptsächlich aus Protonen und α-Partikeln (primäre Partikel genannt) besteht und in der Erdatmosphäre durch Kollision mit Luftmolekülen Teilchenschauer von sekundären Partikeln (u.a. Myonen, Pionen und Neutrinos) hervorruft. Die primären und sekundären Partikel können die Luftmoleküle ionisieren unter Entstehung von N+, N2+, O+, O2+ und Elektronen. Sauerstoff reagiert rasch mit letzteren zu O– und O2–. Diese Kationen und Anionen reagieren weiter, bis Ionenclustern der Summenformeln (HNO3)n(H2O)mNO3– und H+(H2O)n(B)m gebildet werden, wobei B Basen wie Methanol, Aceton, Ammoniak oder Pyridin sind. Weitere Ionisationsquellen sind der Zerfall des Radioisotops 222Rn in Bodennähe und ionisierende Solarstrahlung oberhalb der Stratosphäre. Atmosphärische Ionen haben zwei wichtige Senken: die Wiedervereinigung, auch Rekombination genannt, bei der sich ein Kation und ein Anion gegenseitig neutralisieren sowie das Anhaften an Aerosolpartikeln. Letztere Senke ist vor allem in der Troposphäre aufgrund der relativ hohen Konzentration an Aerosolpartikeln relevant (Arnold, 2008; Viggiano und Arnold, 1995; Bazilevskaya et al., 2008; Hirsikko et al., 2011).
In dieser Dissertation wird die Parametrisierung von subgitterskaligen (SGS) Prozessen in Atmosphärenmodellen untersucht. Die Arbeit befasst sich mit den stochastisch angetriebenen Flachwassergleichungen, im ersten Teil in einer räumlichen Dimension und im zweiten Teil in zwei Dimensionen. Die Einteilung in aufgelöste und SGS-Variable erfolgt in beiden Fällen über lokale räumliche Mittel der Ursprungsvariable und deren Abweichungen vom lokalen Mittel.
Im eindimensionalen Fall liegt zwischen den Variablen eine deutliche Separation der charakteristischen Zeitskalen vor, wodurch die Anwendung der stochastischen Moden Reduktion (SMR) ermöglicht wird. Die SMR generiert ein reduziertes Modell der aufgelösten Variable mit einer stochastischen SGS-Parametrisierung, im Folgenden auch Schließung genannt. Die SMR-Schließung basiert auf den Grundgleichungen des Flachwassermodells und ist numerisch effizient einsetzbar, da sie nur eine geringe Anzahl von benachbarten Zellen koppelt. Sie verbessert die Ergebnisse des reduzierten Modells und übertrifft die Ergebnisse zweier zum Vergleich untersuchter empirischer stochastischer Schließungen. Den größten Zugewinn liefert sie im Energiespektrum, insbesondere für kleine Skalen. Das Ergebnis der SMR-Schließung kann verbessert werden, indem die Amplitude der stochastischen Schließungskomponente gedämpft wird. Die SMR-Schließung ist skalenabhängig im Sinne der räumlichen Modellauflösung. Untersucht wird die Schließung bei Halbierung und Viertelung der räumlichen Auflösung, wo sie ihre Überlegenheit gegenüber den empirischen Schließungen wiederholt bestätigt.
Im Unterschied zum eindimensionalen Fall ist in zwei Dimensionen auch die Corioliskraft enthalten und eine räumliche Divergenz der Schwerewellen möglich. Zwischen der aufgelösten und der SGS-Variable kommt es erneut zu einer Separation der charakteristischen Zeitskalen. Die Separation ist allerdings weniger stark ausgeprägt als im eindimensionalen Fall. Grund hierfür ist das Auftreten einer lang korrelierten geostrophisch balancierten Mode, welche auch auf die SGS-Variable projiziert. Das Vorgehen zur Bestimmung der SMR-Schließung für das zweidimensionale Modell verläuft analog zum eindimensionalen Fall. Es werden die Ergebnisse des hoch aufgelösten Referenzmodells und zweier Modelle ohne SGS-Schließung verglichen.
We present the first oxidation state measurements for the subcontinental lithospheric mantle (SCLM) beneath the Rae craton, northern Canada, one of the largest components of the Canadian shield. In combination with major and trace element compositions for garnet and clinopyroxene, we assess the relationship between oxidation state and metasomatic overprinting. The sample suite comprises peridotite xenoliths from the central part (Pelly Bay) and the craton margin (Somerset Island) providing insights into lateral and vertical variations in lithospheric character. Our suite contains spinel, garnet-spinel and garnet peridotites, with most samples originating from 100 to 140 km depth. Within this narrow depth range we observe strong chemical gradients, including variations in oxygen fugacity (ƒO2) of over 4 log units. Both Pelly Bay and Somerset Island peridotites reveal a change in metasomatic type with depth. Observed geochemical systematics and textural evidence support the notion that Rae SCLM developed through amalgamation of different local domains, establishing chemical gradients from the start. These gradients were subsequently modified by migrating melts that drove further development of different types of metasomatic overprinting and variable oxidation at a range of length scales. This oxidation already apparent at ~ 100 km depth could have locally destabilised any pre-existing diamond or graphite.
Das Studium der Diplomgeographie an der Universität Frankfurt am Main ist auf die Verknüpfung des Mensch-Umwelt-Verhältnisses in seiner räumlichen Bewertung ausgerichtet und so angelegt, daß die Studierenden im Grundstudium mit den entsprechenden Analyse-und Bewertungsverfahren vertraut gemacht werden, während sie im Hauptstudium verstärkt durch Projektstudium reale Berufsfeldsituationen einüben sollen. Unter dem Leitbild der nachhaltigen Raumentwicklung werden inhaltlich die Veranstaltungen auf vier Felder konzentriert: die naturräumliche Situation (Landschaftshaushalt, Erkundung und Analyse des oberflächlichen Untergrunds), Geographie der Alltagswelt (Individualebene des Wohnens, der Freizeit, der Identität), Wirtschaft und Logistik und Strukturen der dritten Welt.
Diese Arbeit nimmt Weiße Freiwillige aus Deutschland in den Blick, die einen Freiwilligendienst im Ausland geleistet haben und in rassistischen Machtverhältnissen eine privilegierte, das heißt Weiße Position einnehmen. Dabei dienen die Critical Whiteness Studies als fruchtbare Grundlage, um die Auseinandersetzung mit Rassismus aus Weißer privilegierter Perspektive zu untersuchen. Die Arbeit geht daher der Frage nach: Inwiefern die Erfahrungen im Freiwilligendienst und die begleitenden rassismuskritischen Seminare Weiße Nord-Nord und Nord-Süd Freiwillige dazu anregen, ihre Privilegien zu reflektieren und sich kritisch im rassistischen Machtsystem zu positionieren. Die Analyse der Interviews mit Weißen Freiwilligen zeigt, dass die Interviewten zum einen unterschiedliche Konfrontationserfahrungen mit Whiteness gemacht haben und zum anderen ihre daraus resultierenden Reflexionsprozesse und Umgangsweisen sehr divers ausfallen. Unterschiede zeigen sich jedoch nicht nur zwischen den Nord-Nord und Nord-Süd Freiwilligen, sondern auch situationsabhängig anhand der jeweiligen Erfahrungen der einzelnen Weißen Freiwilligen. Aus diesen Untersuchungen lässt sich ableiten, dass es auch für rassismus- und machtkritische Begleitseminare weiterhin eine zu bewältigende Herausforderung bleibt, die Relevanz der persönlichen Auseinandersetzung mit Whiteness und somit mit eigenen Privilegien und Verstrickungen in Rassismus – unabhängig vom Zielland des Freiwilligendienstes – zu vermitteln.
Plant community biomass production is co-dependent on climatic and edaphic factors that are often covarying and non-independent. Disentangling how these factors act in isolation is challenging, especially along large climatic gradients that can mask soil effects. As anthropogenic pressure increasingly alters local climate and soil resource supply unevenly across landscapes, our ability to predict concurrent changes in plant community processes requires clearer understandings of independent and interactive effects of climate and soil. To address this, we developed a multispecies phytometer (i.e., standardized plant community) for separating key drivers underlying plant productivity across gradients. Phytometers were composed of three globally cosmopolitan herbaceous perennials, Dactylis glomerata, Plantago lanceolata, and Trifolium pratense. In 2017, we grew phytometer communities in 18 sites across a pan-European aridity gradient in local site soils and a standardized substrate and compared biomass production. Standard substrate phytometers succeeded in providing a standardized climate biomass response independent of local soil effects. This allowed us to factor out climate effects in local soil phytometers, establishing that nitrogen availability did not predict biomass production, while phosphorus availability exerted a strong, positive effect independent of climate. Additionally, we identified a negative relationship between biomass production and potassium and magnesium availability. Species-specific biomass responses to the environment in the climate-corrected biomass were asynchronous, demonstrating the importance of species interactions in vegetation responses to global change. Biomass production was co-limited by climatic and soil drivers, with each species experiencing its own unique set of co-limitations. Our study demonstrates the potential of phytometers for disentangling effects of climate and soil on plant biomass production and suggests an increasing role of P limitation in the temperate regions of Europe.
We present the results of geochemical analysis of silver coinage issued by Rome and dated between the fourth and second century BCE, which are complemented by data of coinage issued by Carthage, the Brettii, and the Greek colony of Emporion. Each of these minting authorities represents one of the major parties involved in the struggle for hegemony in the fourth to second centuries BCE Western Mediterranean region. This study retraces how the metal supply shifts in response to the transforming power relations and how this change is related to Rome's rise to the virtually uncontested ruler of the region.
In this dissertation, different aspects of turbulent transport and thermally driven flows over complex terrain are investigated. Two publications concentrate on the vertical heat and moisture exchange in the convective boundary layer over mountainous terrain. To study this, Large-Eddy Simulation (LES) is used. Both turbulent and advective transport mechanisms are evaluated over the simple orography of a quasi-two-dimensional, periodic valley with prescribed surface fluxes. Here, terrain elevation varies along only one of the horizontal coordinate axes. Even a relatively shallow orography, possibly unresolved in existing numerical weather prediction models, modifies the domain-averaged moisture and temperature profiles. For the analysis, the flow is decomposed into a local turbulent part, a local mean circulation, and a large-scale part. An analysis of the turbulent kinetic energy and turbulent heat and moisture flux budgets shows that the thermal circulation significantly contributes to the vertical transport. It is found that thermal upslope winds are important for the moisture transport from the valley to the mountain tops. In total, moisture export out of the valley is mostly accomplished by the mean circulation. On the temperature distribution, which is horizontally relatively homogeneous, the thermal circulation has a weaker impact. If an upper-level wind is present, it interacts with the thermal circulation. This weakens the vertical transport of moisture and thus reduces its export out of the valley. The heat transport is less affected by the upper-level wind because of its weaker dependence on the thermal circulation. These findings were corroborated in a more realistic experiment simulating the full diurnal cycle using radiation forcing and an interactive land surface model.
Based on these results, coherent turbulent structures in the convective boundary layer over non-flat terrain are studied in further detail. A conditional sampling method based on the concentration of a decaying passive tracer is implemented in order to identify the boundary-layer plumes objectively. Conditional sampling allows to quantify the contribution of plume structures to the vertical transport of heat and moisture. In case of the idealized valley, vertical transport by coherent structures is the dominant contribution to the turbulent components of both heat and moisture flux. It is comparable in magnitude to the advective transport by the mean slope-wind circulation, although it is more important for heat than for moisture transport. A set of less idealized simulations considers the flow over three-dimensional terrain. In this case, conditional sampling is carried out by using a simple domain-decomposition approach. We demonstrate that thermal updrafts are generally more frequent on hill tops than over the surroundings, but they are less persistent on the windward sides when large-scale winds are present in the free atmosphere.
The tools for flow decomposition and budget analysis are also applied in another idealized case with a quasi-two-dimensional valley featuring the stable boundary layer. Here, the formation of a low stratus cloud is investigated. The main driver for the cloud formation is radiative cooling due to outgoing longwave radiation. Despite a purely horizontal flow, the advection terms in the prognostic equations for heat and moisture produce vertical mixing across the upper cloud edge leading to a loss of cloud water content. However, this behavior is not due to any kind of thermally-driven circulation. Instead, this spurious mixing is caused by the diffusive error of the advection scheme in regions where the sloping surfaces of the terrain-following vertical coordinate intersect the cloud top. It is shown that the intensity of the (spurious) numerical diffusion strongly depends on the horizontal resolution, the order of advection, and the choice of the scalar advection scheme. A LES with 4 m horizontal resolution serves as a reference. For horizontal resolutions of a few hundred meters, carried out with a model setup as it is used in Numerical Weather Prediction, a strong reduction of the simulated liquid-water path is observed. In order to keep the (spurious) numerical diffusion at coarser resolutions small, at least a fifth-order advection scheme should be used. In the present case, a WENO scalar advection scheme turns out to increase the numerical diffusion along a sharp cloud edge compared to an upwind scheme. Furthermore, the choice of the vertical coordinate has a strong impact on the simulated liquid-water path over orography. With a modified definition of the terrain-following sigma coordinate, it is possible to produce cloud water where the classical sigma coordinate does not allow any cloud formation.