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Eisbildende Prozesse sind für die Wolkenbildung von großer Bedeutung und haben erhebliche Auswirkungen auf das Wetter und Klima der Erde, indem sie den Strahlungsantrieb und die Niederschlagsbildung beeinflussen. In den mittleren Breiten entsteht der meiste Niederschlag in sogenannten Mischphasenwolken (MPC), welche sowohl aus unterkühlten Wolkentröpfchen als auch aus Eiskristallen bestehen. Bei Temperaturen zwischen 0°C und -38°C erfolgt die Bildung von Eiskristallen in MPC in Gegenwart von Aerosolpartikeln, die als sogenannte Eiskeime (INP) die Fähigkeit besitzen, auf ihrer Oberfläche Eis zu nukleieren. Trotz der großen wissenschaftlichen Fortschritte in den letzten Jahrzehnten, weist der heterogene Eisbildungsprozess, als einer der wichtigsten in der Atmosphäre auftretenden Aerosol-Wolken-Wechselwirkungsprozesse, immer noch große Unsicherheiten auf. Um zukünftige Klimavorhersagen und -projektionen in Modellen besser abbilden zu können, ist es somit notwendig den Wissensgrad der räumlichen und zeitlichen Heterogenität von INP in Bezug auf Herkunft, Anzahl und Zusammensetzung zu erhöhen. Im Zentrum dieser Arbeit steht der Eiskeimzähler FINCH (Fast Ice Nucleus Chamber), der für Labor- und Feldexperimente von der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main entwickelt wurde. Durch das Mischen des Probenstroms mit einem warm-feuchten und einem kalten-trockenen Luftstrom wird eine Übersättigung in der in-situ Eiskammer erreicht, die benötigt wird, eisbildende Partikel zu aktivieren. Die aktivierten Partikel können beim Durchströmen der Kammer zu Wassertropfen oder Eiskristallen anwachsen. Am Ausgang der Kammer wird die Anzahl und Größe der Partikel durch die FINCH-Optik erfasst. Als grundlegender Schritt und aufbauend auf den Charakterisierungsmessungen von Frank (2017) wurden in der vorliegenden Arbeit die Leistung, die Zuverlässigkeit sowie die Reproduzierbarkeit von FINCH in Validierungsexperimenten im Labor überprüft. Im Zuge dessen wurden heterogene Gefrierexperimente mit definierten Referenzaerosolproben (bspw. K-Feldspat) bei wasserübersättigten Bedingungen und verschiedenen Gefriertemperaturen durchgeführt. Für den Großteil der erzielten Resultate konnte eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit Literaturwerten von anderen INP-Messinstrumenten aus der ganzen Welt erzielt werden. Es zeigte sich, dass die Leistungsfähigkeit von FINCH messtechnische Limitationen für Messexperimente bei Temperaturen >-10°C und <-30°C aufweist, was eine Einschränkung des Messbereichs bedeutet. Hinsichtlich der Quantifizierung des Unsicherheitsbereiches des Messgerätes in Bezug auf Temperatur und relativer Feuchte bedarf es im Nachgang an dieser Arbeit weiterer Charakterisierungsmessungen. Im Rahmen der Ice Nuclei Research Unit (INUIT) Forschergruppe wurde FINCH mit einem gepumpten Gegenstrom-Impaktor PCVI und dem online Einzelpartikel-Massenspektrometer ALABAMA gekoppelt. Diese spezielle Messmethodik dient zur chemischen und mikrophysikalischen Charakterisierung der INP und der Eispartikelresiduen (IPR). Der Fokus lag zunächst darauf die Funktionalität des gekoppelten Messsystems im Labor zu überprüfen. Ausführliche Charakterisierungsmessungen zeigten unter eisübersättigten und unterkühlten Bedingungen, dass das Prinzip der Trennung der INP von nicht-aktivierten Aerosolen und unterkühlten Tropfen hinter FINCH durch den PCVI funktioniert. Ebenso konnten erste quantitative Aussagen zur chemischen Zusammensetzung der IPR getroffen werden. Es zeigte sich, dass bei den Aktivierungsexperimenten ein geringer Anteil an Partikeltypen metallischer Art von ALABAMA detektiert wurden, der nicht dem untersuchten Aerosoltyp zugeordnet werden konnte. Der Ursprung dieser Kontamination konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht abschließend geklärt werden und bedarf weiterer Validierungsmessungen im Labor. Atmosphärische Eiskeimkonzentrationen wurden im Rahmen von Feldmesskampagnen an der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch (JFJ) in den Schweizer Alpen und am Campus Riedberg der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main untersucht. Hier konnten erste Erfahrungen mit Außenluftmessungen bezüglich der Leistungsfähigkeit und der Nachweisgrenze (LOD) des Messgerätes gesammelt werden. Durch den Einfluss der freien Troposphäre am JFJ waren die Messungen hauptsächlich von aerosolpartikelarmer Luft mit einer geringen Anzahl von Eiskeimen geprägt, so dass sich die gemessenen INP-Konzentrationen oftmals unter die Nachweisgrenze von FINCH fielen. Unter Einsatz eines Aerosolkonzentrators konnte die Detektionseffizienz verbessert und das LOD herabgesetzt werden. Am JFJ wurden die INP im Mittel bei einer Temperatur von -23°C und einem Wassersättigungsverhältnis von 107% beprobt. Die mediane (mittlere) INP-Konzentration inklusive LOD lag bei 2,1 (3,3) sL-1 und oberhalb des LOD bei 3,1 (4,5) sL-1. Ein Vergleich mit den Messungen am Campus Riedberg unter annähernd gleichen Bedingungen resultiert in ähnlichen Konzentrationen.
Following votes in the Coniacian Working Group, the Cretaceous Subcommission and the International Commission on Stratigraphy, on May 1st, 2021, the International Union of Geological Sciences voted unanimously to ratify the Global Stratotype Section and Point (GSSP) proposal for the base of the Coniacian Stage of the Upper Cretaceous Series and Cretaceous System. The lower boundary of the Coniacian Stage is placed at the base of Bed 46 of the Salzgitter-Salder section in northern Germany. The boundary is defined by the first appearance of the inoceramid bivalve species Cremnoceramus deformis erectus (Meek) and complemented by the Navigation carbon isotope event. Additional data include the bivalve genus Didymotis, foraminifera, ammonite, nannofossil and organic-walled dinoflagellate cyst events. Three auxiliary sections (Słupia Nadbrzeżna, central Poland; Střeleč, Czech Republic; El Rosario, NE Mexico) supplement the details of the boundary record in various facies, and in differing geographic and biogeographic contexts.
The climate system is one of the classical examples of a complex dynamical system consisting of interacting sub-systems through mass, momentum, and energy exchange across various spatial and temporal scales. This thesis aims to detect and quantify sub-component interactions from an information exchange (IE) perspective. For this purpose, IE estimators derived from information theory are explored and applied to the available climate data obtained from observations, reanalysis, global and regional climate models. Specifically, this thesis investigates the usefulness of information theory methods for process-oriented climate model evaluation.
Firstly, methods derived from the concepts of information theory such as transfer entropy and information flow along with their linear and non-linear estimation techniques are initially tested and applied to idealized two-dimensional dynamical systems. The results revealed an expected direction and magnitude of IE providing insights into underlying dynamics. However, as expected the linear estimators are robust for linear systems but fail for non-linear systems. Though the non-linear estimators (kernel and kraskov) showed expected results for all the idealized systems, their free tuning parameters are to be tested for consistent results. Moreover, these methods are sensitive to the available time series length.
A real world example case study involving the dynamics between the Indian and Pacific oceans revealed a physically consistent bi-directional IE. However, unexpected IE was detected in the example of North Atlantic and European air temperatures indicating hidden drivers. Though IE provides insights into system dynamics, the availability of time series length and the system at hand must be carefully taken into account before inferring any possible interpretations of the results.
Quantifying the IE from El-Ni\~{n}o southern oscillation (ENSO) and Indian Ocean Dipole (IOD) to the Indian Summer Monsoon Rainfall (ISMR) with the observational and reanalysis data sets revealed that both ENSO and IOD are synergistic predictors for the inter-annual variability of the ISMR over central India i.e., the monsoon core region. Though the investigated three Global Climate Models (GCM) could not reveal the underlying IE dynamics of ENSO, IOD, and ISMR, a Regional Climate Model (RCM) simulation downscaling one of the GCMs with realistic large scale signals across the lateral boundaries showed good agreement with the observations.
Evaluating a coupled regional climate modeling system driven by two different global data sets with IE estimators revealed significant differences between the process chains linking the north-west Mediterranean sea surface temperatures, evaporation, wind speed, and the Vb-cyclone induced precipitation over Danube, Odra, and Elbe catchments in the historical period (1951-2005). Detailed investigation revealed that the north-west Mediterranean Sea in the coupled regional simulation driven by ERA-20C reanalysis corresponded to the Vb-cyclone precipitation over the three catchments while no such correspondence is noted in the EC-EARTH driven simulation. This discrepancy is attributed to the inheritance of the simulation biases from GCM into the RCM. In the future period (1965-2099), no significant changes in the processes are noted from the simulation.
Overall, this thesis used IE estimators in investigating the underlying dynamics of climate system and climate models. The estimators proved useful in providing insights into climate system dynamics assisting in a process based climate model evaluation.
Carbon is an element that controls planetary habitability, and is fundamental for life on Earth. Its behaviour has important consequences for the global climate system, the origin and evolution of life on Earth. While the biosphere and atmosphere’s carbon cycle only accounts for less than 1% of the global carbon budget, hidden reservoirs of deep carbon in the Earth’s interior comprise the predominant storage of carbon on the planet. At the Earth’s surface, 60-70 % of carbon is hosted by carbonate minerals, which are then transported to the Earth’s interior, mainly in the form of sediments, by subduction of the oceanic lithosphere. Subducting plates are subjected to decarbonation, dehydration, and melting with CO2 release via supra-subduction volcanism. Nevertheless, part of the subducted carbonates’ may survive and be further transported to the deep mantle. Direct evidence of the existence of carbonates in the Earth’s interior, possibly reaching down to the lower mantle, comes from the finding of syngenetic inclusions of carbonates in diamonds and mantle xenoliths. The presence of carbonates in the deep Earth has a critical effect on the physical properties of the mantle. Melting and chemical speciation of the mantle are strongly affected by the form of C and carbonate stability. Therefore, the study of the stability and physical properties of carbonates at high pressures and temperatures is fundamental, because understanding the processes involved in the deep carbon cycle helps to improve our picture of the whole mantle.
The systematic characterization of the elastic properties of carbonates as a function of their structure and chemical composition is of great importance because it may allow to identify their presence and distribution by seismology. Inverting seismic observations to successfully constrain the chemical composition and mineralogy of the Earth’s interior requires knowledge of the physical properties of all possible Earth’s materials at pressures and temperatures applicable to the Earth’s interior. Up to now, a multitude of studies has focused on the construction of phase diagrams and structural transitions by means of X-ray diffraction and vibrational spectroscopy experiments.
Few studies are available on the complete elastic tensor of carbonates, however most of the datasets are not accompanied by an accurate characterization of the samples, which are often solid solutions and the exact chemical composition, density or the details about the experimental methods used are not presented. The aim of this thesis is to study the effect of chemical composition on the elastic properties of carbonates, providing a reliable dataset on the elasticity of the main carbonates. In particular, the elastic properties of crystalline aragonite, CaCO3, and Fe-dolomite, (Ca, Mg, Fe)(CO3)2, with different compositions were studied by Brillouin spectroscopy at ambient conditions. Brillouin spectroscopy was also used to investigate the elastic behaviour of amorphous calcium carbonate samples with different water contents (up to 18 wt%) at high pressures, up to 20 GPa.
Furthermore, the importance of cationic substitution on the structure and high pressure behaviour of carbonates was investigated by studying a synthetic CaCO3-SrCO3 solid solution at ambient conditions and at high pressures, up to 10 GPa, by single crystal X-ray diffraction. Finally, the study of the effect of composition on the elastic properties of families of isostructural solids was also extended to a different class of materials, the metal guanidinium formates. The elasticity of a family of perovskite metal organic frameworks, metal guanidinium formates C(NH2)3MII(HCOO)3, with MII =Mn, Zn, Cu, Co, Cd and Ca was investigated by combining Brillouin spectroscopy, resonant ultrasound spectroscopy, density functional theory and thermal diffuse scattering analysis.
Extreme convective precipitation events are among the most severe hazards in central Europe and are expected to intensify under global warming. However, the degree of intensification and the underlying processes are still uncertain. In this thesis, recent advances in continuous, radar-based precipitation monitoring and convection-permitting climate modeling are used to investigate Lagrangian properties of convective rain cells such as precipitation intensity, cell area, and precipitation sum and their relationship to large-scale, environmental conditions.
Firstly, convective precipitation objects are tracked in a gauge-adjusted radar-data set and the properties of these cells are related to large-scale environmental variables to investigate the observed super-Clausius-Clapeyron (CC) scaling of convective extreme precipitation. The Lagrangian precipitation sum of convective cells increases with dew point temperature at rates well above the CC-rate with increasing rates for higher dew point temperatures. These varying, high rates are caused by a covarying increase of CAPE with dew point temperature as well as the effect of high vertical wind shear causing an increase in cell area and thus precipitation sum. At the same time, cells move faster at high vertical wind shear so that Eulerian scaling rates are lower than Lagrangian but still above the CC-rate. The results show that wind shear and static instability need to be taken into account when transferring precipitation scaling under current climate conditions to future conditions. Secondly, the representation of convective cell properties in the convection-permitting climate model COSMO-CLM is evaluated. The model can simulate the observed frequency distributions of cell properties such as lifetime, area, mean and maximum intensity, and precipitation sum. The increase of area and intensity with lifetime is also well captured despite an underestimation of the intensity of the most severe cells. Furthermore, the model can represent the temperature scaling of intensity, area, and precipitation sum but fails to simulate the observed increase of lifetime. Thus, the model is suitable to study climatologies of convective storms in Germany. Thirdly, two COSMO-CLM projections at the end of the century under emission scenario RCP8.5 were investigated. While the number of convective cells and their lifetime remain approximately constant compared to present conditions, intensity and area increase strongly. The relative increase of intensity and area is largest for the highest percentiles meaning that extreme events intensify the most. The characteristic afternoon maximum of convective precipitation is damped, and shifted to later times of day which leads to an increase of nighttime precipitation in the future. Scaling rates of cell properties with dew point temperature are nearly identical in present and future in the simulation driven by the EC-Earth model which means that the upper limit of cell properties like intensity, area, and precipitation sum could be predicted from near-surface dew point temperature. However, this result could not be reproduced by the simulation driven by MIROC5 and needs further investigation.
Diamant hat besondere physikalische und optische Eigenschaften sowie eine starke Resistenz gegenüber Strahlenschädigung. Diese Eigenschaften ermöglichen eine vielfältige Anwendung von Diamant in Wissenschaft und Technik, wie zum Beispiel als Sensormaterial in Strahlungsdetektoren.
Kubisches Zirconiumdioxid (ZrO2) wird aufgrund seiner mechanisch und optisch ähnlichen Eigenschaften unter anderem an Stelle von Diamant eingesetzt. Es ist ebenfalls ein geeignetes Material für viele technische Anwendungen und wird durch seine Strahlenresistenz in Strahlungsumgebungen verwendet. Da beide Materialien in diesem Anwendungsbereich hoher energetischer Strahlung ausgesetzt sind, sind Reaktionen auf die Bestrahlung wie etwa strukturelle Veränderungen oder die Änderungen von Materialeigenschaften von großem Interesse.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Morphologie, Struktur und physikalischen Eigenschaften von Diamant und Yttriumoxid-stabilisiertem kubischem ZrO2 nach der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen und 1.6 GeV Au-Ionen untersucht. Die durch die Bestrahlung verursachten Veränderungen der Oberflächen und der bestrahlten Volumina wurden mit diversen komplementären analytischen Methoden charakterisiert, bewertet und für die verschiedenen Materialien und Ionenenergien verglichen.
Mittels Röntgenfluoreszenzmessungen wurde die Verteilung und Menge an implantiertem Au semi-quantitativ ermittelt. Die Oberflächen der Proben wurden mit optischer Mikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenreflektometrie und Elektronenrückstreubeugung untersucht. Strukturelle Veränderungen wurden mit Raman-Spektroskopie analysiert. Der elektrische Widerstand, die Dichte, die Härte sowie das Ätzverhalten der bestrahlten Proben wurden ermittelt und geben Auskunft über die Änderung physikalischer Eigenschaften der Materialien.
Diamant und kubisches ZrO2 reagieren sehr unterschiedlich auf die Bestrahlung mit Au-Ionen gleicher Energien und Fluenzen. Die Diamantproben zeigen nach der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen deutliche Veränderungen und Schädigungen der Oberfläche sowie des bestrahlten Volumens. Es wird eine Änderung der Struktur, der Dichte, der Härte, des elektrischen Widerstands sowie des Ätzverhaltens der Proben beobachtet, was auf die Amorphisierung von Diamant zurückgeführt wird. Kubisches ZrO2 ist deutlich strahlungsresistenter gegenüber der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen. Es werden keine signifikanten strukturellen Änderungen im getesteten Fluenzbereich beobachtet.
Die mit 1.6 GeV Au-Ionen bestrahlten Diamanten zeigen nur geringe Schädigungen und keine deutliche Änderung der Struktur oder der physikalischen Eigenschaften. Die kubischen ZrO2 Proben sind als Folge der Bestrahlung mit 1.6 GeV Au-Ionen zerbrochen, was auf hohe interne Spannung durch Defektbildung zurückgeführt wird.
Im Sinne einer nachhaltigen Stadt- und Verkehrsentwicklung verspricht das Konzept autoreduzierter Quartiere, die Autonutzung und den Autobesitz der Bewohnenden zu verringern sowie deren autounabhängige Mobilität zu fördern. Der Forschungsstand zeigt indes, dass nicht automatisch davon auszugehen ist, dass die gelebte Praktik der Planungsvision entspricht, da die Mobilität nicht nur von oben herab geplant, sondern auch von unten, also den Bewohnenden selbst sowie den Mobilitätskontexten, geprägt ist.
Anhand zweier autoreduziert entwickelter Quartiere in Darmstadt verfolgt die Arbeit deshalb das Ziel, mittels eines planungskritischen Ansatzes zunächst die Narrative autoreduzierter Quartiere zu identifizieren, um die Planungsvision zu ergründen. Des Weiteren werden mithilfe eines biographisch inspirierten, praxistheoretischen Ansatzes die mobilitätsbezogenen Praktiken autoreduzierter Quartiere sowie etwaige Veränderungen dieser nach dem Wohnortwechsel analysiert, um das Verständnis der Alltagsmobilität und deren Wandel zu verbessern sowie Potenziale und Grenzen der Umsetzung solcher Quartierskonzepte zu ermitteln. Abschließend soll der Vergleich beider Perspektiven dazu beitragen, besser zu verstehen, was eine nachhaltige Stadt- und Verkehrsgestaltung sowie eine autounabhängige Mobilität und ein autofreies Leben unterstützt bzw. behindert.
Zur Identifikation der Narrative wurden Expert*inneninterviews mit verschiedenen Personen durchgeführt, die am Planungs- und Umsetzungsprozess beider Quartiere beteiligt waren. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Entwicklung autoreduzierter Quartiere (i) bewusst in die Nachhaltigkeitsdebatte eingebettet und (ii) von Machtverhältnissen geprägt ist sowie (iii) normativen Indikatoren folgt und (iv) deren Planungsideale im Kontrast zur gelebten Realität stehen können.
Zur Analyse der mobilitätsbezogenen Praktiken sowie der Veränderungen derselben wurden Bewohnende qualitativ interviewt. Dabei zeigt sich, dass der materielle Kontext eines autoreduzierten Quartiers sowie die persönlich-zeitlichen und soziokulturellen Kontexte der Mobilitätspraktiken die Autounabhängigkeit der Bewohnenden stabilisieren und fördern. Behindert wird sie dagegen vom materiellen Kontext außerhalb der Quartiere, der Verwobenheit des Autofahrens mit anderen Alltagspraktiken sowie der affektiven Zufriedenheit mit der Autonutzung und dem Autobesitz.
Aus dem Vergleich beider Erhebungen und damit der Gegenüberstellung der Planungsvision mit der gelebten Praktik lässt sich schlussfolgern, dass trotz feststellbarer Unterschiede die Realität im autoreduzierten Quartier größtenteils dem Ideal einer autounabhängigen Mobilität entspricht. Dagegen erweisen sich ein autofreies Leben und die Parkrestriktionen weiterhin als kontroversere Themen. Schließlich offenbart die Arbeit sowohl Veränderungen in der Mobilitätsgestaltung von oben als auch in der Mobilitätspraktik von unten, gleichzeitig aber auch persistente automobile Abhängigkeiten, weshalb sie im Sinne der Verkehrs- und Mobilitätswende einen kontinuierlichen materiellen und immateriellen Wandel fordert.
The future of work has become a pressing matter of concern: Researchers, business consultancies, and industrial companies are intensively studying how new work models could be best implemented to increase workplace flexibility and creativity. In particular, the agile model has become one of the “must-have” elements for re-organizing work practices, especially for technology development work. However, the implementation of agile work often comes together with strong presumptions: it is regarded as an inevitable tool that can be universally integrated into different workplaces while having the same outcome of flexibility, transparency, and flattened hierarchies everywhere. This paper challenges such essentializing assumptions by turning agile work into a “matter of care.” We argue that care work occurs in contexts other than feminized reproductive work, namely, technology development. Drawing on concepts from feminist Science and Technology Studies and ethnographic research at agile technology development workplaces in Germany and Kenya, we examine what work it takes to actually keep up with the imperative of agile work. The analysis brings the often invisibilized care practices of human and nonhuman actors to the fore that are necessary to enact and stabilize the agile promises of flexibilization, co-working, and rapid prototyping. Revealing the caring sociotechnical relationships that are vital for working agile, we discuss the emergence of power asymmetries characterized by hierarchies of skills that are differently acknowledged in the daily work of technology development. The paper ends by speculating on the emancipatory potential of a care perspective, by which we seek to inspire careful Emancipatory Technology Studies.