Geowissenschaften
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Das Ziel dieser Arbeit wurde eingangs über den Begriff der erweiterten Schließung der optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel definiert. Hierunter versteht man das Zusammenfügen von verschiedenen Messungen zu einem konsistenten Bild der betrachteten Partikeleigenschaften. Darüber hinaus sollen die Messungen auch in anderen Teilgebieten der Aerosolphysik verwendbar sein, um so das konsistente Bild zu erweitern. Dieses so umschriebene Ziel konnte für die mikrophysikalischen und optischen Messergebnisse, die während des LACE 98 Experimentes, einem vom Bundesministerium für Forschung und Bildung (Bmb f) geförderten Schließungsexperiment, in Lindenberg (Brandenburg) rund 50 km südöstlich von Berlin im Juli und August 1998 erfasst wurden, erreicht werden. Die Messungen wurden erfolgreich zu einem konsistenten Datensatz und einem "Bild" der Partikeleigenschaften zusammengefügt. Unter dem Begriff "Bild" subsummiert sich hierbei nicht nur eine Charakterisierung der Variabilität und Abhängigkeit der Partikeleigenschaften, z.B. von der rel. Luftfeuchte, sondern darüber hinaus auch eine Charakterisierung der Beeinflussung verschiedener von den Eigenschaften der Partikel abhängiger Größen. Hierzu zählen Strahlungshaushaltsgrößen (Erwärmungsrate der Luft durch Absorption solarer Strahlung und die Volumenabsorption solarer Strahlung durch Partikel), wolkenphysikalische Größen (maximale Übersättigung der Wolkenluft während der Wolkenentstehung und Anzahlkonzentration der wachsenden Wolkentropfen), die massengewichtete mittlere Sedimentationsgeschwindigkeit von Partikeln und nicht zuletzt gesundheitsrelevante Größen, wie z.B. die vom Menschen beim Atmen aufgenommene und eingelagerte Partikelmasse. Nachfolgende Zusammenstellung soll nochmals die erzielten Ergebnisse zusammenfassen. Für eine detaillierte Darstellung der in den einzelnen Kapiteln erzielten Ergebnisse soll hier nur auf die jeweiligen Zusammenfassungen der einzelnen Kapitel verwiesen werden. . Im Rahmen der direkten Schließung, wurden unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der optischen Eigenschaften der Partikel erfolgreich miteinander verglichen. Beteiligt waren bei diesem Vergleich folgende Methoden: Partikel im trockenen Zustand: -- Aerosolphotometer (alle optischen Eigenschaften, ) -- Nephelometer (Streukoeffizient) -- PSAP (Absorptionskoeffizient) -- IPMethode (Absorptionskoeffizient) -- Telephotometer (Extinktionskoeffizient) Partikel bei Umgebungsfeuchte: -- Telephotometer (Extinktionskoeffizient) -- horizontales Lidar (Extinktionskoeffizient) Es zeigte sich, dass sich das Aerosolphotometer mit seinem schon aus der Theorie des Messverfahrens her begründeten konsistenten Satz aller optischen Eigenschaften als Referenzmethode während LACE 98 bewährte. Mit seiner Hilfe konnte nun auch die Gültigkeit einer empirischen Korrektur des PSAP nach Bond et al. [1999] für natürliche Aerosolpartikel bestätigt werden. Dem Anwender dieses Gerätes, das mit einer hervorragenden zeitlichen Auflösung von wenigen Minuten den Absorptionskoeffizienten bestimmt, stehen somit zwei unabhängig voneinander gewonnene Kalibrierungsfunktionen zur Verfügung, die innerhalb der Fehlergrenzen auch mit einander im Einklang stehen. . Im Rahmen der indirekten Schließung wurde ein Modell entwickelt, mit dem auf Basis eines Kugelschalenmodells der Partikel aus Messungen der mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel den Extinktions, den Streu- und den Absorptionskoeffizienten sowie die Single Scattering Albedo berechnet wurden. Mit Hilfe dieses Modells wurde der Feuchteeffekt der oben genannten optischen Eigenschaften berechnet. Mit diesen Ergebnissen konnten dann die Messwerte des Telephotometers feuchtekorrigiert, und mit den Messungen des Aerosolphotometers verglichen werden, wo bei eine gute Übereinstimmung der Messreihen festgestellt werden konnte. Die beobachteten Unterschiede konnten auf Ernteaktivitäten, die nur die Messungen des Telephotometers beeinflussten, zurückgeführt werden. Ein Vergleich der mit Hilfe des Modells auch direkt berechenbaren optischen Eigenschaften mit den direkten Messwerten der beteiligten Verfahren fiel ebenfalls positiv aus. Anhand aller Modellrechnungen wurde eine physikalisch motivierte Näherungsfunktion für den Feuchteeffekt des Extinktions- und des Streukoeffizienten als Funktion des Aktivierungsparameters bereit gestellt. In Klimamodellen kann mit Hilfe der vorgestellten Näherungsfunktionen der Feuchteeffekt auf einfache Weise parametrisiert werden. Wenn man allerdings konkrete Messergebnisse miteinander vergleichen möchte, ist man auf eine vollständige Erfassung der mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel angewiesen. . Im Teil IV der Arbeit wurden auf der Basis des zuvor vorgestellten Datensatzes und der hierfür entwickelten Verfahren (Algorithmen) weitere Auswertungen zu unterschiedlichen, für die Meteorologie interessanten Themengebieten, vorgestellt und ihre Ergebnisse charakterisiert. . In Kapitel 6.1 wurde mit Hilfe von Auswertegleichungen aus den in dieser Arbeit erstellten Messungen des Sieben-Sensor-Bilanzphotometers und den Messungen des Aerosolphotometers die Volumenabsorptionsrate solarer Strahlung der bodennahen Partikel und die daraus resultierende Erwärmungsrate der Luft berechnet. Die Ergebnisse wurden mit Literaturwerten anderer Messkampagnen verglichen. Insbesondere konnte ein interessantes Ergebnis von Hänel
Li6UO6 has a reversible phase transformation at 680°C and decomposes above about 850°C. At high pressure the low temperature modification becomes unstable because of an invariant point in the system Li2O—Li4UO5 at approximately 13 Kb and 620°C. β-Li6UO6 has a triclinic unit cell with a = 5.203, b= 5.520, c = 5.536 Å, α = 114.7, β = 120.7 and γ = 75.5°. The close relationship between the crystal structures of Li6TeO6 and Li6UO6 is also suggested from similar infrared spectra and from partial solid solution Li6UO6—Li6TeO6.
Seit nunmehr 20 Jahren findet regelmäßig alle zwei Jahre das Symposium "Tektonik — Strukturgeologie — Kristallingeologie" (TSK) statt. Die Tagung soll insbesondere jungen Nachwuchswissenschaftlern die Möglichkeit bieten, ihre Ergebnisse zu diskutieren und einem breiten Fachpublikum vorzustellen. Dies ist natürlich besonders attraktiv, wenn auch die ‚alten Hasen‘ der Zunft eifrig dabei sind.
In diesem Jahr wird schon TSK 11 — nach Tübingen, Erlangen, Graz, Frankfurt, Salzburg, Freiberg, Freiburg und Aachen nun zum zweiten Mal nach 1994 wieder in Göttingen durchgeführt. Wir freuen uns, auch dieses Mal wieder ein vielseitiges Tagungsprogramm präsentieren zu können. Die vorgestellten Arbeiten befassen sich mit Geländebeobachtungen, Laboranalysen und -experimenten bis hin zu Computermodellierungen. Im Maßstab reichen sie vom submikroskopischen Bereich bis hin zu ganzen Orogenen. Dabei werden sowohl duktile als auch spröde Deformationsprozesse beleuchtet. Regionale Geologie ist ebenso Thema wie auch eher angewandte Fragestellungen.
Um die einzelnen Beiträge schnell auffinden zu können, wurden diese alphabetisch nach Erstautoren geordnet. Aus Zeitgründen konnte nur der kleinere Teil der mehr als einhundert eingegangen Beiträge in das Vortragsprogramm aufgenommen werden. Auf parallele Vortragssitzungen haben wir bewusst verzichtet. Besonderen Raum für anregende Diskussionen sollen auch die thematisch zusammengestellten Postersitzungen bieten, für die wir spezielle Zeiten eingeräumt haben. Hierzu werden Poster jeweils vorher im Plenum kurz vorgestellt.
Die eingegangenen Manuskripte wurden, wie bei TSK üblich, für die Publikation keinem Gutachterverfahren unterzogen. Daher sind die jeweiligen Autoren allein für den Inhalt verantwortlich. ...
In der Stratosphäre finden eine Reihe von dynamischen und chemischen Prozessen statt, die u.a. den Abbau von Ozon beeinflussen. Um die langfristigen Veränderungen in der Stratosphäre untersuchen zu können müssen die Abhängigkeit dieser Prozesse von Raum und Zeit bekannt sein. In dieser Arbeit wird eine Untersuchung zur Variabilität der Stratosphäre auf der Grundlage der Varianz von Tracern, die in Form der „Equivalent Displacement Height“, kurz: EDH, dargestellt wird, vorgestellt. Die EDH ist tue mit Hilfe des lokalen vertikalen Gradienten normierte lokale Standardabweichung des Mischungsverhältnisses eines Tracers und besitzt die Dimension einer Länge. Durch die Normierung kann die Varianz verschiedener Tracer miteinander verglichen werden. Mit dem Konzept ist allerdings nur die Diagnose der Variabilität möglich und keine Quantifizierung der dafür verantwortlichen Prozesse. Für die Fragestellung werden drei Datensätze ausgewertet. Ein Datensatz ist mit Hilfe eines kryogenen Luftprobensammlers entstanden. Die Berechnungen iii dieser Arbeit zeigen, dass die zeitliche und räumliche Abdeckung dieses Datensatzes zu niedrig ist, um mit ihm eine repräsentative Aussage über die Varianz von Spurengasen in der Stratosphäre treffen zu können. Eine bessere zeitliche und räumliche Abdeckung besitzt der Datensatz des Satellitenexperimentes HA-LOE. Dieser wird dazu verwendet die monatlichen Verteilungen der mittleren EDH von CH4 und O3 in einem Höhenbereich zwischen 19 und 50 km für einen Zeitraum von 1993 bis 2000 zu berechnen. Die mittlere EDH von OH4 besitzt über den Hemisphären jeweils einen unterschiedlichen Jahresgang. Die Diskussion zeigt, dass dieser hemisphärische Unterschied auf die verschiedenen dynamischen Bedingung in der Stratosphäre über den Hemisphären zurückgeführt werden kann, vor allem auf die Existenz eines stabileren und langlebigeren Polarwirbels in der Südhemisphäre. Im Gegensatz dazu zeigt die mittlere EDH von O3 über beiden Hemisphären einen vergleichbaren Jahresgang, mit minimalen Werten der Varianz während der Sommermonate, wenn die Ausbreitung planetarer Wellen in die Stratosphäre durch die vorherrschende Ostwindzirkulation behindert wird. Dieser Jahresgang steht in Verbindung mit den chemischen und dynamischen Prozessen bzw. der Kombination, welche die Verteilung und Varianz von O3 in der Stratosphäre kontrollieren. Eine eindeutige Trennung der einzelnen Effekte ist dabei allerdings nicht möglich. Der Datensatz des Simulationsmodell KASIMA enthält die Verteilung von CH4 und O3 mit der höchsten zeitlichen und räumliche Abdeckung aller drei Datensätze. Ein Vergleich zwischen den daraus berechneten Verteilungen der mittleren EDH beider Spurengase mit den HALOE-Daten soll helfen, die Varianz welche durch das Modell simuliert wird, mit der gemessenen zu vergleichen. Für das O3 wird eine gute Übereinstimmung zwischen der modellierten und gemessenen Varianz gefunden. Diese guten Übereinstimmungen ergeben sich für CH4 nicht. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Eigenschaften der beiden Tracer wird aus den Ergebnissen geschlossen, dass das Modell die chemischen Prozesse besser simuliert als den atmosphärischen Transport. Mit Hilfe von drei Fallstudien werden weitere Möglichkeiten aufgezeigt. die mit dem Konzept und den Datensätze von HALOE und KASIMA noch bestehen. In der ersten Fallstudie werden anhand der Verteilungen der EDH von CH4 aus dem März 1996 und 1997 die Auswirkungen vorm zwei unterschiedlichen meteorologischen Situation diskutiert, wobei ein eindeutiger Zusammenhang festgestellt wird. In einer zweiten Fallstudie wird der Frage nachgegangen, ob die Normierung auf den vertikalen Gradienten bei der Berechnung der EDH sinnvoll ist, da horizontale Transportprozesse in der Stratosphäre dominieren. Es wird daher zum Vergleich die „Equivalent Displacement Length (EDL)“ von CH4 berechnet, bei der eine Normierung der Varianz auf den horizontalen Gradienten erfolgt. In der dritten Fallstudie wird die Verteilung der mittleren EDH von N20, welche ebenfalls mit dem Datensatz von KASIMA berechnet worden ist, mit der von CH4 verglichen.
Aus Franken wird die Entwicklung quartärer Hohlformen beschrieben, deren Rekonstruktion mit Hilfe lößstratigraphischer Methoden (fossile Böden, Tuffbänder, Umlagerungszonen etc.) möglich ist. Bei vielen Formen zeigt sich, daß sie bereits größere Vorläuferformen präwürmzeitlichen Alters hatten. Die Entwicklung während des Würms läßt sich an manchen Beispielen in besonders instruktiver Weise verfolgen. Zu Beginn des Würms, im unteren Mittelwürm und im unteren Jungwürm dominierte zeitweise die Abtragung und Verlagerung. Im oberen Mittelwürm sowie im oberen Jungwürm herrschte äolische Lößsedimentation vor. Diese Ergebnisse stimmen gut mit den bereits aus anderen mitteleuropäischen Lößgebieten bekannten Befunden überein. Mit dem Trockental-System von Helmstadt wird die Entwicklung von Hohlformen beschrieben, deren Anlage bis in das ältere Pleistozän zurückreicht.
Das Cranium eines fossilen Hominiden des Formenkreises Homo sapiens sapiens wurde relativ-geologisch sowie absolut durch Radiokohlenstoff und Aminosäuren auf ungefähr 31 000 Jahre B.P. datiert. Andere absolute sowie relative Daten an Mollusken und Mammutzähnen in überlagernden jüngeren Straten datieren auf 18 000 — 21000 und 16 000 Jahren B.P. Geomorphologische und geophysikalische Datierungen stimmen somit gut überein. Er ist der älteste datierte und früheste Bewohner Zentraleuropas, der dem Homo sapiens sapiens angehört.
Die Frage, ob das Klima extremer wird, beschäftigt Wissenschaft und Öffentlichkeit mit zunehmender Intensität. Daher ist hier eine extremwertstatistische Untersuchung hinsichtlich Niederschlag und Temperatur durchgeführt worden. Dabei werden, entsprechend IPCCEmpfehlungen, für die untersuchten Zeitreihen obere und untere Schwellenwerte festgelegt. Durch Auszählen kann dann ermittelt werden, wie oft die entsprechende Schranke über- oder unterschritten wurde (relativer Extremwert). Das Verhältnis der Anzahl der relativen Extremwerte zu den Gesamtwerten nennt man empirische Extremwerthäufigkeit. Darüber hinaus wurden Häufigkeitsverteilungen an die Datensätze angepasst, aus denen vorher der Jahresgang eliminiert wurde. Über diese Häufigkeitsverteilungen bestimmt man die theoretische Über- oder Unterschreitungswahrscheinlichkeit der jeweiligen Schranke, und vergleicht diese mit der empirischen. Diese Daten bieten auch die Möglichkeit, weitere wahrscheinlichkeitstheoretische Größen (Risiko, Wartezeitverteilung, Wiederkehrzeit) zu bestimmen. Das Verfahren wird auf 78 100-jährige Zeitreihen des Niederschlags und 10 100-jährige Zeitreihen der Temperatur in Deutschland angewendet. Dabei ist zu beachten, dass eine Übereinstimmung von empirischen und theoretischen Ergebnissen nur im statistischen Mittel zu erwarten ist. Die Untersuchungen zeigen, dass die ersten 10 bis 15 Jahre des letzten Jahrhunderts, sowohl bei den Niederschlägen als auch bei der Temperatur, nicht so extrem gewesen sind wie der Rest des Jahrhunderts. Bei den Niederschlagsdaten zeigt sich darüber hinaus um die Jahrhundertmitte ein etwa 10-jähriger Zeitraum mit hoher Niederschlagsvariabilität. Für die Abschätzung der Wahrscheinlichkeit des Überschreitens von Schranken bei Niederschlagsdaten ist die angepasste Gumbelverteilung am besten geeignet. Der Unterschied zu den anderen angepassten Verteilungen ist um so klarer, je höher die Schranke gewählt wird. Für die Abschätzung der Wahrscheinlichkeit des Unterschreitens von Schranken bei Temperaturdaten ist die angepasste Weibullverteilung am besten geeignet. Kein klares Bild ergibt sich bei den Kombinationen untere Schranke und Niederschlagsdaten sowie obere Schranke und Temperaturdaten. Die Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit und damit verbunden die Bestimmung der Wiederkehrzeit und des Risikos ist in allen Fällen um so besser, je geringer der Jahresgang der Variabilität der untersuchten Größe ist. Beim Trend der Wiederkehrzeit zeigt sich bei den Niederschlagsdaten und der unteren Schranke im äußersten Westen Deutschlands ein Rückgang trockener Ereignisse. Ansonsten erkennt man nur schwache Änderungen. Für obere Schranken zeigt sich im Westen Deutschlands ein Rückgang der Wiederkehrzeit, also ein Trend zu häufigeren extremen Niederschlägen, mit einem Maximum im östlichen Nordrhein-Westfalen. Im Osten dagegen ermittelt man einen Rückgang extremer Niederschläge und damit einen Trend zu trockenerer Witterung, am stärksten ausgeprägt im westlichen Erzgebirge. Für die Temperaturdaten zeigt sich in fast ganz Deutschland für untere Schranken ein Anstieg der Wiederkehrzeit. Extrem niedrige Temperaturen treten also tendenziell seltener auf. Die Ausnahme bilden hier nur, je nach zugrunde liegender Verteilung, der (äußerste) Norden und Osten Deutschlands. Die gleiche geographische Unterteilung, jedoch mit umgekehrtem Trend, zeigt sich bei den oberen Schranken. Extrem warme Ereignisse treten, mit Ausnahme des Nordostens, tendenziell häufiger auf. Die stärkste Zunahme im Trend der warmen Ereignisse zeigt sich dabei im Südwesten Deutschlands.
The present study was elaborated within the scope of the INTAFERE (Integrated Analysis of Mobile Organic Foreign Substances in Rivers) project which investigates the occurrence of xenobiotics in small freshwater streams with particular consideration of social impact factors. The aim of this study is to investigate the seasonal and spatial variance of organic micropollutants in small fresh water streams and to identify possible sources and sinks. Therefore four small freshwater river systems in Hesse, Germany, have been investigated with respect to common organic pollutants such as: the organophosphates tri-n-butyl phosphate (TBP), tris(2-butoxyethyl)phosphate (TBEP), tris(2-chloroethyl)phosphate (TCEP), tris(1-chloro-2-propyl)phosphate (TCPP), and tris(1,3-dichloro-2-propyl)phosphate (TDCPP), the synthetic musk fragrances 1,3,4,6,7,8-hexahydro-4,6,6,7,8,8-hexa-methylcyclopenta-[g]-2-benzopyran (HHCB) and 7-acetyl-1,1,3,4,4,6-hexamethyl-1,2,3,4-tetrahydronaphthalene (AHTN), the endocrine disruptors bisphenol A (BPA), 4-tert-octylphenol (OP) and the technical isomer mixture of 4-nonylphenol (NP), the herbicide terbutryn [2-(t-butylamino)-4-(ethylamino)-6-(methylthio)-s-triazine] as well as the insect repellent N,N-diethyl-m-toluamide (DEET). Water samples were collected in the time span from September 2003 to September 2006 at 26 sampling locations. The samples were extracted with solid phase extraction (SPE) and analyzed by coupled gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). For quantification the internal standard method was used. The results of the study showed an ubiquitous occurrence of organic pollutants in the fresh water streams of the study area. The organophosphates have been detected in 90 % of the water samples with mean concentrations of 502 ng/l (TCPP), 276 ng/l (TBP), 183 ng/l (TBEP), 118 ng/l (TCEP) and 117 ng/l (TDCPP). Sewage treatment plant (STP) effluents were identified as the dominating source for the chlorinated organophosphates as well as for the synthetic musk fragrances and the insect repellent DEET in the river systems. Consequently the highest concentrations were observed in the Schwarzbach system characterized by the highest proportion of waste water compared to the other river systems. Mean concentration levels of the synthetic musk fragrances HHCB and ATHN were 141 ng/l and 46 ng/l, respectively and 124 ng/l in case of DEET. The synthetic musk fragrances showed a clear seasonal trend with significantly lower concentrations in summer times compared to winter times, which is ascribed to stronger photodegradation and volatization during summer times. In contrast, mean DEET concentrations and loads were significantly higher in summer than in autumn, winter and spring, in parallel with the main insect season. The concentrations of the endocrine disruptors BPA, NP and OP in the river water samples ranged from <20 ng/l to 1927 ng/l, <10 ng/l to 770 ng/l, and <10 ng/l to 420 ng/l, respectively. Whereas OP was present in about 2/3 of the samples, NP and BPA could only be detected in 56% and 13% of the water samples, respectively. BPA levels exceeded in two samples the predicted no-effect concentration (PNEC) for water organisms. In case of NP, highest concentrations and loads were found in September 2003 and decreased significantly since then. In contrast, concentrations and loads of OP which serves in a similar application field remained nearly constant during the sampling period. The decrease of NP can be attributed to the implementation of the European Directive 2003/53/EG, which restricts the use of nonylphenols and nonylphenol ethoxylates since January 2005. However, at the end of the sampling period in September 2006, NP could still be detected at mean concentrations of 18 ng/l in the river waters of the sampling area. Furthermore, absence of NP in several samples from associated STP effluents indicate that the STPs cannot be the only sources for NP found in the river water. The herbicide terbutryn was present in the rivers during the whole sampling period from September 2003 to September 2006 despite a ban on its use as a herbicide from January 2004 on. Terbutryn levels ranged from < 4 ng/l to 5600 ng/l, showing a clear spatial pattern with high terbutryn concentrations in the Weschnitz and Modau river systems and significantly lower terbutryn levels in Schwarzbach and Winkelbach. Results from the analysis of two STP effluents discharging into the Weschnitz and the Modau, respectively, indicate that terbutryn enters the rivers from this source. Furthermore, terbutryn concentrations and loads showed a clear seasonal trend with significantly higher levels in summer and autumn. Obviously, the ban on agricultural use of terbutryn at the end of 2003 had no discernable influence on terbutryn concentration in the rivers because there was no trend of decreasing.
Laut jüdischem Kalender entstand die Welt vor genau 5778 Jahren, nach der Bibel vor 6021 Jahren. Doch als Forscher begannen, auf und in der Erde selbst nach Spuren ihres Alters zu suchen, mussten sie die Zahl immer weiter nach oben korrigieren. Nach heutigen Datierungsmethoden ist unser Planet zwischen 4,5 und 4,6 Milliarden Jahre alt.
Wolken haben einen maßgeblichen Einfluss auf den Wasserhaushalt der Erde, das Wettergeschehen und das Klima. Sie wissenschaftlich zu beschreiben, ist schwierig – und das erschwert die Niederschlagsvorhersage ebenso wie die Klimamodellierung. Wichtig für die Entstehung von Regen in unseren Breiten sind Eispartikel. Sie machen einen großen Teil der Wolken aus. Doch wie bilden sie sich, und warum sind sie für viele physikalische Prozesse in den Wolken unentbehrlich? Und schließlich: Wirkt sich menschliches Handeln auf die Wolken aus?
wo assumptions underlie current models of the geographical ranges of perennial plant species: 1. current ranges are in equilibrium with the prevailing climate, and 2. changes are attributable to changes in macroclimatic factors, including tolerance of winter cold, the duration of the growing season, and water stress during the growing season, rather than to biotic interactions. These assumptions allow model parameters to be estimated from current species ranges. Deterioration of growing conditions due to climate change, e.g. more severe drought, will cause local extinction. However, for many plant species, the predicted climate change of higher minimum temperatures and longer growing seasons means, improved growing conditions. Biogeographical models may under some circumstances predict that a species will become locally extinct, despite improved growing conditions, because they are based on an assumption of equilibrium and this forces the species range to match the species-specific macroclimatic thresholds. We argue that such model predictions should be rejected unless there is evidence either that competition influences the position of the range margins or that a certain physiological mechanism associated with the apparent improvement in growing conditions negatively affects the species performance. We illustrate how a process-based vegetation model can be used to ascertain whether such a physiological cause exists. To avoid potential modelling errors of this type, we propose a method that constrains the scenario predictions of the envelope models by changing the geographical distribution of the dominant plant functional type. Consistent modelling results are very important for evaluating how changes in species areas affect local functional trait diversity and hence ecosystem functioning and resilience, and for inferring the implications for conservation management in the face of climate change.
Im Zusammenhang mit der Diskussion des globalen Klimawandels stellt sich die Frage, ob extreme Wettersituationen wahrscheinlicher werden. Diese Frage ist wegen der Gefahren, die von extremen Wettersituationen ausgehen, weit über die Grenzen der Meteorologie hinaus von Bedeutung. Dennoch findet man in der Fachliteratur sehr wenige Beiträge zu diesem Thema. Dies liegt im wesentlichen daran, dass bei der Analyse von Extremwerten im allgemeinen von konstanten Überschreitungswahrscheinlichkeiten für Schwellwerte ausgegangen wird. Wenn diese Arbeitshypothese wahr ist, können Wiederkehrzeiten einfach als Kehrwert der Eintrittswahrscheinlichkeit angesehen werden. Dann – nur dann - macht der Ausdruck Jahrhundertereignis einen Sinn, der über den Moment hinaus reicht. In diesem Beitrag soll zunächst das Vokabular zur Beschreibung von Extremwerten (hier als Werte oberhalb von Schwellen) vorgestellt bzw. in Erinnerung gerufen werden. Diese werden auf den einfachen Fall stationärer Zeitreihen angewendet, woraus die üblichen vereinfachten Zusammenhänge folgen. Im Anschluss wird ein künstliches Beispiel einer Variable mit veränderlichem Mittelwert untersucht. Dieses zeigt deutlich, wie stark die Kenngrößen des Extremverhaltens von Schwankungen im Mittelwert abhängen können. Bei der Analyse klimatologischer Beobachtungsdaten, steht man vor dem Problem, dass kein einfaches Modell für die Generierung der Zeitreihe zur Verfügung steht, woraus man die Eigenschaften des Extremverhaltens ableiten könnte. Gelingt es jedoch, die Beobachtungen mit Hilfe einfacher empirischer Modellgleichungen hinreichend gut zu beschreiben, so ist der Weg zur Analyse der Extremwerte in instationären Zeitreihen geebnet. Dabei braucht man nicht, wie oft üblich, nur die (relativ wenigen) (Extremwerte für die Analyse des Extremverhaltens heranzuziehen, sondern kann die gesamte von der Zeitreihe zur Verfügung gestellte Information nutzen. Diese Strategie wird exemplarisch an zwei Zeitreihen vorgestellt. Aus Gründen der Einfachheit sind dies Monatsmittel bzw. Jahresmittel der Temperatur. In diesen sind eindeutige Änderungen sowohl im mittleren als auch im extremen Verhalten sichtbar. Daraus kann zwar geschlossen werden, dass sich die Wettersituationen im Laufe der Zeit verändert haben, nicht aber wie. Ein häufigeres Auftreten extremer Mittelwerte kann bedeuten, dass warme Wettersituationen häufiger oder wärmer geworden sind, oder das kalte Wettersituationen wärmer oder weniger geworden sind, oder aber, dass eine Überlagerung verschiedener Veränderungen zu diesem Ergebnis führt. So kann die Frage, ob extreme Wettersituationen wahrscheinlicher werden, in diesem Beitrag nicht abschließend geklärt werden, jedoch wird ein Werkzeug vorgestellt, das geeignet erscheint, diese Frage zu beantworten.
Water footprints have been proposed as sustainability indicators, relating the consumption of goods like food to the amount of water necessary for their production and the impacts of that water use in the source regions. We further developed the existing water footprint methodology, by globally resolving virtual water flows from production to consumption regions for major food crops at 5 arcmin spatial resolution. We distinguished domestic and international flows, and assessed local impacts of export production. Applying this method to three exemplary cities, Berlin, Delhi and Lagos, we find major differences in amounts, composition, and origin of green and blue virtual water imports, due to differences in diets, trade integration and crop water productivities in the source regions. While almost all of Delhi's and Lagos' virtual water imports are of domestic origin, Berlin on average imports from more than 4000 km distance, in particular soy (livestock feed), coffee and cocoa. While 42% of Delhi's virtual water imports are blue water based, the fractions for Berlin and Lagos are 2 and 0.5%, respectively, roughly equal to the water volumes abstracted in these two cities for domestic water use. Some of the external source regions of Berlin's virtual water imports appear to be critically water scarce and/or food insecure. However, for deriving recommendations on sustainable consumption and trade, further analysis of context-specific costs and benefits associated with export production will be required.
Water footprints have been proposed as sustainability indicators, relating the consumption of goods like food to the amount of water necessary for their production and the impacts of that water use in the source regions. We have further developed the existing water footprint methodology by globally resolving virtual water flows and import and source regions at 5 arc minutes spatial resolution, and by assessing local impacts of export production. Applying this method to three exemplary cities, Berlin, Delhi and Lagos, we find major differences in amounts, composition, and origin of green and blue virtual water imports, due to differences in diets, trade integration and crop water productivities in the source regions. While almost all of Delhi's and Lagos' virtual water imports are of domestic origin, Berlin on average imports from more than 4000 km distance, in particular soy (livestock feed), coffee and cocoa. While 42% of Delhi's virtual water imports are blue water based, the fractions for Berlin and Lagos are 2% and 0.5%, respectively, roughly equal to local drinking water abstractions of these cities. Some of the external source regions of Berlin's virtual water imports appear to be critically water scarce and/or food insecure. However for deriving recommendations on sustainable consumption and trade, further analysis of context-specific costs and benefits associated with export production will be required.
Wasser weltweit : wie groß sind die globalen Süßwasserressourcen, und wie nutzt sie der Mensch?
(2008)
Ohne Wasser kein Leben – die ersten organischen Moleküle entwickelten sich im Wasser, aus Wasser plus Kohlenstoff und Stickstoff, und auch heute brauchen Pflanzen, Tiere und Menschen viel Wasser, um zu überleben. Die Erde ist der einzige Planet mit flüssigem Wasser und der einzige Planet, auf dem es Leben gibt, zumindest in unserem Sonnensystem. Zwei Umstände bewirken gemeinsam, dass nur die Erde die richtige Temperatur für flüssiges Wasser an ihrer Oberfl äche hat: ihr Abstand zur Sonne und ihre Masse. Aufgrund ihrer ausreichend großen Masse kann sie eine Atmosphäre halten, die die mittlere Oberflächentemperatur von –18 °C auf +15 °C erhöht. Nur daher konnte sich im Frühstadium der Erdentstehung das Wasser, das in großen Mengen aus dem Erdinnern ausgaste, an der Oberfläche als flüssiges Wasser in den Ozeanen sammeln.
Wenn Klimaforscher wissen wollen, was die Zukunft
bringt, schauen sie gern in die Vergangenheit. Während
der Kreidezeit herrschte auf der Erde ein Treibhausklima
mit atmosphärischen CO2-Gehalten, die weitaus
höher waren als heute. Welche Konsequenzen das für
die Meeresströmungen und die marinen Ökosysteme
hatte, können Geowissenschaftler heute nicht mehr direkt
messen. Bei der Spurensuche helfen ihnen die
Fossilien mikroskopisch kleiner Einzeller, deren wunderschöne
Kalkschalen als Klimagedächtnis dienen.
Den Löwen die Freiheit? Raus aus Zirkus und Zoo? Was würde ein Löwe sagen, könnte er nur reden? Der Paläontologe Joachim Scholz meint in Anlehnung an Malraux: Man lasse den Löwen zu einem Gegenstand der Forschung werden, statt zu einem solchen der Offenbarung. Jeder Löwe hat eine eigene Persönlichkeit, kein Tier gleicht dem anderen. Scholz regt Langzeitstudien nicht nur in Zoos, sondern auch im Zirkus an. Denn in der sogenannten Freiheit könnte es Löwen schon bald nicht mehr geben.
140 Liter Wasser werden für die Herstellung einer Tasse Kaffee benötigt, 1.300 Liter Wasser für ein Kilo Gerste und 3.400 Liter Wasser für ein Kilo Reis. Diese Zahlen mögen im ersten Moment unglaubwürdig erscheinen, doch sie entsprechen der Wirklichkeit. Für die Herstellung von nahezu allen Produkten wird Wasser in teils sogar sehr großen Mengen benötigt. In dem Endprodukt jedoch findet sich meist nur ein kleiner Teil des ursprünglich eingesetzten Wassers in seiner physischen Form wieder. Der überwiegende Anteil wurde während des Produktionsprozesses verdunstet oder zur Kühlung eingesetzt und wird daher als „virtuelles Wasser“ bezeichnet. Aufgrund des Exports und Imports von Produkten im Zuge des internationalen Handels kommt es somit auch zu Strömen von virtuellem Wasser zwischen den einzelnen Ländern. In dieser Bachelorarbeit wird der virtuelle Wasserhandel mit 23 verschiedenen Feldfrüchten mit dem Fokus auf Deutschland für den Zeitraum von 1998 bis 2002 untersucht. In die Berechnung dieser virtuellen Wasserströme ist ein neuartiges Modell eingegangen, das Global Crop Water Model (GCWM), welches den virtuellen Wassergehalt für unterschiedliche Feldfruchtgruppen global für jede 5-Minuten-Zelle auf Basis detaillierter Daten berechnet. Dank dieses Modells ist es möglich, eine Trennung zwischen dem virtuellen Wasser, welches aus der Nutzung des Niederschlagswassers und dem virtuellen Wasser, welches aus der Bewässerung von Ackerflächen resultiert, vorzunehmen und diese getrennt von einander zu analysieren. Mittels der Verwendung der Handelsstatistik Comtrade der Vereinten Nationen lässt sich aus den Ergebnissen des GCWM der virtuelle Wasserhandel darstellen. Es zeigt sich, dass Deutschland das meiste Wasser in seiner virtuellen Form nach Algerien, Saudi-Arabien, Belgien und in die Niederlande exportiert, wohingegen aus Brasilien, den USA, Frankreich und der Elfenbeinküste die größten virtuellen Wassermengen importiert werden.
Die Arbeitsgruppe für Chemie und Physik der Atmosphäre am Institut für Meteorologie und Geophysik der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt befasst sich unter anderem mit der Entwicklung einer Continous Flow Diffusion Chamber zur Erfassung und Klassifikation von CCN und IN. Diese Partikel besitzen eine Größe im Mikrometerbereich und sind somit nicht leicht zu erfassen und zu unterscheiden. Bei vergleichbaren Versuchen beschränkte sich bisher die automatische Auswertung auf die Anzahl der Partikel. Es gibt noch kein Verfahren, welches eine Klassifikation in CCN und IN videobasiert vornehmen kann. Es lag ebenfalls kein reales Bildmaterial vor, welches zu Testzwecken für die Klassifikation geeignet gewesen wäre. Basierend auf den physikalischen und meteorologischen Grundlagen wurde mittels Raytracing ein künstlicher Bilddatensatz mit kleinen Eiskristallen und Wassertröpfchen unter verschiedenen Betrachtungsverhältnissen erstellt. Anhand dieses Bilddatensatzes wurde dann ein Verfahren zur Klassifikation entwickelt und prototypisch implementiert, welches dies mittels Methoden aus der graphischen Datenverarbeitung und durch Berechnung der Momente vornimmt. Es war notwendig, Verfahren aus der Kameratechnik zu betrachten, die später in der realen Anwendung mit sehr kurzzeitiger Belichtung, geeigneter Optik und hochauflösender CCD-Kamera detaillierte Bilder von Objekten in der Größe von einigen 10µm liefern können.
Die drei Atolle Glovers Reef, Lighthouse Reef und Turneffe Islands vor der belizischen Küste im Karibischen Meer unterscheiden sich in Geomorphologie, Lagunentiefe, Sedimentbeschaffenheit, Mangroven- und Seegrasbewuchs, Wellen- und Strömungseinfluss sowie in ihren Sedimentationsraten und ihrem Entstehungsalter. Um herauszufinden, ob die Bivalven-Vergesellschaftungen verschiedener Lagunenzonen diese Unterschiede widerspiegeln, wurden 32 bis 44 rezente Sedimentproben auf jedem Atoll entnommen (Gesamtprobenzahl: 111). Deren Datensatz von insgesamt 32 122 Bivalvenschalen wurde anschließend Q-Mode-Cluster-Analysen unterzogen. Neben der Verteilung charakteristischer Arten wurde auch die Verteilung von Bivalven unterschiedlicher Lebens- und Ernährungsweise untersucht. Chione cancellata, ein flach grabender Suspensionsfresser, besiedelt bevorzugt (1) flache, wellen- und strömungsbeeinflusste Lagunenzonen. Die Sedimente (2) sehr hoch energetischer Flachwasserbereiche enthalten zudem hohe Anteile tiefer grabender Suspensionsfresser der Gattung Ervilia. Im (3) Rückriffbereich und am Atollrand sind tief grabende, Detritus fressende Telliniden häufig. Gouldia cerina, wie Chione ein flach grabender Suspensionsfresser, ist typisch für (4) geschlossene Flachwasserbereiche, während die Chemosymbionten-tragende, ebenfalls flach grabende Parvilucina sp. A. vorwiegend in (5) geschlossenen, tiefen Lagunenzonen vorkommt. Charakteristisch für (6) Mangrovengebiete ist Crassinella lunulata, ein sehr flach grabender Suspensionsfresser. Die Anteile taphonomischer Signaturen auf den Schalen, wie Bohrspuren, Inkrustationen, Fragmentierung und Abrasion sowie Diversität, Evenness und Richness sind auf Glovers Reef am höchsten und nehmen über Lighthouse Reef nach Turneffe Islands ab. Da in die gleiche Richtung zunehmende Sedimentationsraten auf den drei Atollen zu verzeichnen sind (GISCHLER 2003), ist vermutlich der abnehmende Effekt des Time-averaging für diesen Trend verantwortlich. Neben der rezenten Fauna wurden auch die Bivalven aus Vibrationsbohrkernen (ein Kern von jedem Atoll) untersucht. Die fossilen Bivalven-Vergesellschaftungen der inneren Lagunen von Glovers Reef, Lighthouse Reef und Turneffe Islands zeigen seit deren Entstehung eine für das jeweilige Atoll typische Fauna, die sich seit ~7000 YBP weiter entwickelte. Sie reflektieren damit die bereits im Anfangsstadium charakteristischen Unterschiede der drei Atolle.
When assessing global water resources with hydrological models, it is essential to know about methodological uncertainties. The values of simulated water balance components may vary due to different spatial and temporal aggregations, reference periods, and applied climate forcings, as well as due to the consideration of human water use, or the lack thereof. We analyzed these variations over the period 1901–2010 by forcing the global hydrological model WaterGAP 2.2 (ISIMIP2a) with five state-of-the-art climate data sets, including a homogenized version of the concatenated WFD/WFDEI data set. Absolute values and temporal variations of global water balance components are strongly affected by the uncertainty in the climate forcing, and no temporal trends of the global water balance components are detected for the four homogeneous climate forcings considered (except for human water abstractions). The calibration of WaterGAP against observed long-term average river discharge Q significantly reduces the impact of climate forcing uncertainty on estimated Q and renewable water resources. For the homogeneous forcings, Q of the calibrated and non-calibrated regions of the globe varies by 1.6 and 18.5 %, respectively, for 1971–2000. On the continental scale, most differences for long-term average precipitation P and Q estimates occur in Africa and, due to snow undercatch of rain gauges, also in the data-rich continents Europe and North America. Variations of Q at the grid-cell scale are large, except in a few grid cells upstream and downstream of calibration stations, with an average variation of 37 and 74 % among the four homogeneous forcings in calibrated and non-calibrated regions, respectively. Considering only the forcings GSWP3 and WFDEI_hom, i.e., excluding the forcing without undercatch correction (PGFv2.1) and the one with a much lower shortwave downward radiation SWD than the others (WFD), Q variations are reduced to 16 and 31 % in calibrated and non-calibrated regions, respectively. These simulation results support the need for extended Q measurements and data sharing for better constraining global water balance assessments. Over the 20th century, the human footprint on natural water resources has become larger. For 11–18% of the global land area, the change of Q between 1941–1970 and 1971–2000 was driven more strongly by change of human water use including dam construction than by change in precipitation, while this was true for only 9–13 % of the land area from 1911–1940 to 1941–1970.
When assessing global water resources with hydrological models, it is essential to know the methodological uncertainties in the water resources estimates. The study presented here quantifies effects of the uncertainty in the spatial and temporal patterns of meteorological variables on water balance components at the global, continental and grid cell scale by forcing the global hydrological model WaterGAP 2.2 (ISI-MIP 2.1) with five state-of-the-art climate forcing input data-sets. While global precipitation over land during 1971–2000 varies between 103 500 and 111 000 km3 yr−1, global river discharge varies between 39 200 and 42 200 km3 yr−1. Temporal trends of global wa- ter balance components are strongly affected by the uncertainty in the climate forcing (except human water abstractions), and there is a need for temporal homogenization of climate forcings (in particular WFD/WFDEI). On about 10–20 % of the global land area, change of river discharge between two consecutive 30 year periods was driven more strongly by changes of human water use including dam construction than by changes in precipitation. This number increases towards the end of the 20th century due to intensified human water use and dam construction. The calibration approach of WaterGAP against observed long-term average river discharge reduces the impact of climate forcing uncertainty on estimated river discharge significantly. Different homgeneous climate forcings lead to a variation of Q of only 1.6 % for the 54 % of global land area that are constrained by discharge observations, while estimated renewable water resources in the remaining uncalibrated regions vary by 18.5 %. Uncertainties are especially high in Southeast Asia where Global Runoff Data Centre (GRDC) data availability is very sparse. By sharing already available discharge data, or installing new streamflow gauging stations in such regions, water balance uncertainties could be reduced which would lead to an improved assessment of the world’s water resources.
Die kumulative Dissertation beschäftigt sich mit der atmosphärischen Konzentration von Eiskeimen, einer Unterklasse des atmosphärischen Aerosols, die bei der Eisbildung in Wolken eine zentrale Bedeutung besitzt. Messungen der Eiskeimkonzentration am Taunusobservatorium (Kleiner Feldberg) (nahe Frankfurt am Main) wurden mit dem Verfahren einer Vakuum-Diffusionskammer durchgeführt. Die Arbeit umfasst die Darstellung des angewandten Messverfahrens und die Analyse und Bewertung der Messergebnisse für den Raum Zentraleuropa, anhand von u.a. Rückwärtstrajektorien und Korrelationen zu aerosolphysikalischen Parametern. Ein signifikanter Einfluss von Mineralstaub-Ferntransport aus Wüstengebieten auf die Eiskeimkonzentration in Zentral-Europa wurde ermittelt.
This paper investigates the value of observed river discharge data for global-scale hydrological modeling of a number of flow characteristics that are e.g. required for assessing water resources, flood risk and habitat alteration of aquatic ecosystems. An improved version of the WaterGAP Global Hydrology Model (WGHM) was tuned against measured discharge using either the 724-station dataset (V1) against which former model versions were tuned or an extended dataset (V2) of 1235 stations. WGHM is tuned by adjusting one model parameter (γ) that affects runoff generation from land areas in order to fit simulated and observed long-term average discharge at tuning stations. In basins where γ does not suffice to tune the model, two correction factors are applied successively: the areal correction factor corrects local runoff in a basin and the station correction factor adjusts discharge directly the gauge. Using station correction is unfavorable, as it makes discharge discontinuous at the gauge and inconsistent with runoff in the upstream basin. The study results are as follows. (1) Comparing V2 to V1, the global land area covered by tuning basins increases by 5% and the area where the model can be tuned by only adjusting γ increases by 8%. However, the area where a station correction factor (and not only an areal correction factor) has to be applied more than doubles. (2) The value of additional discharge information for representing the spatial distribution of long-term average discharge (and thus renewable water resources) with WGHM is high, particularly for river basins outside of the V1 tuning area and in regions where the refined dataset provides a significant subdivision of formerly extended tuning basins (average V2 basin size less than half the V1 basin size). If the additional discharge information were not used for tuning, simulated long-term average discharge would differ from the observed one by a factor of, on average, 1.8 in the formerly untuned basins and 1.3 in the subdivided basins. The benefits tend to be higher in semi-arid and snow-dominated regions where the model is less reliable than in humid areas and refined tuning compensates for uncertainties with regard to climate input data and for specific processes of the water cycle that cannot be represented yet by WGHM. Regarding other flow characteristics like low flow, inter-annual variability and seasonality, the deviation between simulated and observed values also decreases significantly, which, however, is mainly due to the better representation of average discharge but not of variability. (3) The choice of the optimal sub-basin size for tuning depends on the modeling purpose. While basins over 60 000 km2 are performing best, improvements in V2 model performance are strongest in small basins between 9000 and 20 000 km2, which is primarily related to a low level of V1 performance. Increasing the density of tuning stations provides a better spatial representation of discharge, but it also decreases model consistency, as almost half of the basins below 20 000 km2 require station correction.
his paper investigates the value of observed river discharge data for global-scale hydrological modeling of a number of flow characteristics that are required for assessing water resources, flood risk and habitat alteration of aqueous ecosystems. An improved version of WGHM (WaterGAP Global Hydrology Model) was tuned in a way that simulated and observed long-term average river discharges at each station become equal, using either the 724-station dataset (V1) against which former model versions were tuned or a new dataset (V2) of 1235 stations and often longer time series. WGHM is tuned by adjusting one model parameter (γ) that affects runoff generation from land areas, and, where necessary, by applying one or two correction factors, which correct the total runoff in a sub-basin (areal correction factor) or the discharge at the station (station correction factor). The study results are as follows. (1) Comparing V2 to V1, the global land area covered by tuning basins increases by 5%, while the area where the model can be tuned by only adjusting γ increases by 8% (546 vs. 384 stations). However, the area where a station correction factor (and not only an areal correction factor) has to be applied more than doubles (389 vs. 93 basins), which is a strong drawback as use of a station correction factor makes discharge discontinuous at the gauge and inconsistent with runoff in the basin. (2) The value of additional discharge information for representing the spatial distribution of long-term average discharge (and thus renewable water resources) with WGHM is high, particularly for river basins outside of the V1 tuning area and for basins where the average sub-basin area has decreased by at least 50% in V2 as compared to V1. For these basins, simulated long-term average discharge would differ from the observed one by a factor of, on average, 1.8 and 1.3, respectively, if the additional discharge information were not used for tuning. The value tends to be higher in semi-arid and snow-dominated regions where hydrological models are less reliable than in humid areas. The deviation of the other simulated flow characteristics (e.g. low flow, inter-annual variability and seasonality) from the observed values also decreases significantly, but this is mainly due to the better representation of average discharge but not of variability. (3) The optimal sub-basin size for tuning depends on the modeling purpose. On the one hand, small basins between 9000 and 20 000 km2 show a much stronger improvement in model performance due to tuning than the larger basins, which is related to the lower model performance (with and without tuning), with basins over 60 000 km2 performing best. On the other hand, tuning of small basins decreases model consistency, as almost half of them require a station correction factor.
Diese Diplomarbeit untersucht die Güte eines globalen Datensatzes (IA), der die monatliche Ausdehnung der terrestrischen Oberflächengewässer für den Zeitraum von 1993 bis 2004 beinhaltet. IA ist aus komplementären, räumlich geringauflösenden Satellitendaten generiert. Die Wasserausdehnungen werden als prozentuale Flächenanteile von 0,5°-Gitterzellen angegeben. IA wäre durch seine monatliche Dynamik zur Kalibrierung und Validierung eines globalen Modells von temporären Überflutungsgebieten geeignet. Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die Wasserbedeckungen aus IA in einzelnen 0,5°-Zellen zu mehreren Zeitpunkten mithilfe von räumlich hochauflösenden Satellitenbildern des Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) validiert. Aus Gründen der Effizienz (Minimierung des Speicheraufwands und der Verarbeitungszeit) wird nur ein einziger ETM+ Kanal im mittleren Infrarot zur Bestimmung der Wasserbedeckung verwendet: Band 5. Durch überwachte Klassifikationen wird der Anteil der Wasserflächen an der Gesamtfläche der 0,5°-Zellen ermittelt. Insgesamt werden 262 Klassifikationen in vier Untersuchungsgebieten durchgeführt. Zwischen den prozentualen Wasserbedeckungen aus IA und den ETM+ (Band 5)-Validierungsdaten werden häufige und unregelmäßige Abweichungen festgestellt. Die maximalen absoluten Abweichungen betragen mehr als 60%. Aufgrund dieser Ergebnisse sind die IA-Wasserausdehnungen nur sehr begrenzt als Validierungsdaten für die Modellierung von temporären Überflutungsgebieten geeignet.
The ENVISAT validation programme for the atmospheric instruments MIPAS, SCIAMACHY and GOMOS is based on a number of balloon-borne, aircraft, satellite and ground-based correlative measurements. In particular the activities of validation scientists were coordinated by ESA within the ENVISAT Stratospheric Aircraft and Balloon Campaign or ESABC. As part of a series of similar papers on other species [this issue] and in parallel to the contribution of the individual validation teams, the present paper provides a synthesis of comparisons performed between MIPAS CH4 and N2O profiles produced by the current ESA operational software (Instrument Processing Facility version 4.61 or IPF v4.61, full resolution MIPAS data covering the period 9 July 2002 to 26 March 2004) and correlative measurements obtained from balloon and aircraft experiments as well as from satellite sensors or from ground-based instruments. In the middle stratosphere, no significant bias is observed between MIPAS and correlative measurements, and MIPAS is providing a very consistent and global picture of the distribution of CH4 and N2O in this region. In average, the MIPAS CH4 values show a small positive bias in the lower stratosphere of about 5%. A similar situation is observed for N2O with a positive bias of 4%. In the lower stratosphere/upper troposphere (UT/LS) the individual used MIPAS data version 4.61 still exhibits some unphysical oscillations in individual CH4 and N2O profiles caused by the processing algorithm (with almost no regularization). Taking these problems into account, the MIPAS CH4 and N2O profiles are behaving as expected from the internal error estimation of IPF v4.61 and the estimated errors of the correlative measurements.
The ENVISAT validation programme for the atmospheric instruments MIPAS, SCIAMACHY and GOMOS is based on a number of balloon-borne, aircraft, satellite and ground-based correlative measurements. In particular the activities of validation scientists were coordinated by ESA within the ENVISAT Stratospheric Aircraft and Balloon Campaign or ESABC. As part of a series of similar papers on other species [this issue] and in parallel to the contribution of the individual validation teams, the present paper provides a synthesis of comparisons performed between MIPAS CH4 and N2O profiles produced by the current ESA operational software (Instrument Processing Facility version 4.61 or IPF v4.61, full resolution MIPAS data covering the period 9 July 2002 to 26 March 2004) and correlative measurements obtained from balloon and aircraft experiments as well as from satellite sensors or from ground-based instruments. In the middle stratosphere, no significant bias is observed between MIPAS and correlative measurements, and MIPAS is providing a very consistent and global picture of the distribution of CH4 and N2O in this region. In average, the MIPAS CH4 values show a small positive bias in the lower stratosphere of about 5%. A similar situation is observed for N2O with a positive bias of 4%. In the lower stratosphere/upper troposphere (UT/LS) the individual used MIPAS data version 4.61 still exhibits some unphysical oscillations in individual CH4 and N2O profiles caused by the processing algorithm (with almost no regularization). Taking these problems into account, the MIPAS CH4 and N2O profiles are behaving as expected from the internal error estimation of IPF v4.61 and the estimated errors of the correlative measurements.
In Ostkreta tritt innerhalb der Phyllit-Quarzit-Serie ein in vier Einheiten untergliederbares präalpidisches Altkristallin auf. Das basale Kalavros-Kristallin (KCC) wurde während der permischen (Monazitalter) Barrow-Metamorphose (Staurolith-Zone) überprägt. Unter amphibolitfaziellen Metamorphosebedingungen bildeten sich liegende Isoklinalfalten sowie eine mylonitische Foliation. Die Verteilung der -c-Achsen von Quarzen belegt non-koaxiale Deformation durch Rhomben<a>- und Prismen<a>Gleitung, die sich in einer hochtemperierten Grenzflächenwanderung (GBM) äußerte. Zudem wuchsen vierphasige Granate, in denen die äußerste Zone auf einen nochmaligen Druckanstieg hindeutet. Die Granate wurden wiederum von Muskoviten, die aus einer Deformation mit Top-E- bis Top-NE-Scherung resultierten, überwachsen. Das überlagernde Myrsini-Kristallin (MCC) besteht aus Glimmerschiefern, Gneisen, Quarziten und Marmoren. Die Liefergebiete der Paragesteine (Zirkonaltersspektrum eines Paragneises) weisen Einflüsse der amazonischen- (2,8 Ga), eburnischen- (1,9 Ga), kibaran/sunsasischen- (0,9 - 1,1 Ga) und panafrikanischen- (0,9 - 0,5 Ga) Orogenese auf. Im Mittelkambrium intrudierten Granite in die sedimentären/kristallinen Gesteine (514 ±14 Ma zrn & 507 ±189 Ma mnz). Während des Unterkarbons (Monazitalter) fand eine Barrow-Metamorphose (Staurolith-Zone) mit non-koaxialer Top-N-Scherung statt. Hierbei bildeten sich geschlossene, liegende Falten sowie eine mylonitische Foliation. Die Quarz-c-Achsen belegen non-koaxiale Rhomben<a>- bis Prismen<a>Gleitung, die sich in Subkornrotations-Rekristallisation (SGR) und hochtemperierter Korngrenzwanderungs-Rekristallisation (GBM) äußerte. Im Gegensatz zu den Granaten des KCC bildeten sich nur dreiphasige Granate. Während des retrograden variszischen Deformationspfades entstanden Top-NE-Scherzonen. Der bis in die Unterkreide anhaltende Aufstieg der Gesteine wird von Zirkon-Spaltspurenaltern (150 ±14 Ma) dokumentiert. Das hangende Chamezí-Kristallin (CCC) besteht aus Gneisen und Glimmerschiefern. Auch hier intrudierten im Mittelkambrium (S-Typ-)Granite (511 ±16 Ma zrn & 521 ±28 Ma mnz). Relikte einer prävariszischen Orogenese stellen die Granatkerne und Margarite in den Glimmerschiefern dar. Das Alter der Barrow-Metamorphose (Granat-Zone) mit Top-N-Scherung konnte mangels geeigneter Minerale nicht bestimmt werden. Die Verteilung der Quarz-c-Achsen resultiert aus einer non-koaxialen Deformation bei der überwiegend Basis<a>- und Rhomben<a>Gleitung mit Subkornrotations-Rekristallisation (SGR) auftrat. Es bildete sich eine protomylonitische Foliation sowie liegende offene N-S Falten, die anschließend mehrphasig überprägt wurden. Für einen langsamen Aufstieg der Gesteine sprechen die semiduktilen Top-NE-Scherzonen und jurassischen Zirkon-Spaltspurenalter (158 ±16 Ma). Eine unbekannte Position innerhalb des Altkristallins nimmt das Vaí-Kristallin (VCC) ein. Während der Trias intrudierten hier granitoide Gesteine (223 ±11Ma zrn). Eine spätere amphibolitfazielle Überprägung zeigt Top-NW-Scherung. Der schnelle Aufstieg der Gesteine wird durch jurassische Zirkon-Spaltspurenalter dokumentiert (184 ±11 Ma). Die Kristallingerölle der hangenden skythischen Metakalkkonglomerate können auf Grund der permischen bis triassischen Metamorphose der kretischen Altkristalline, der triassischen Intrusion der Granite des Vaí-Kristallins sowie den jurassischen Zirkon-Spaltspurenaltern nicht aus der unterlagernden Altkristallin-Einheit stammen. Der Kontakt zwischen dem Altkristallin und dem Metakalkkonglomerat ist somit das Ergebnis der alpidischen Orogenese. Auch die Zirkone, Monazite und Rutile wurden von der Niedertemperatur/Hochdruck-Metamorphose der alpidischen Orogenese beeinflusst. Vor allem die Zirkone des Chamezí-Orthogneises zeigen einen Pb- und vermutlich auch einen U-Verlust sowie einen Austausch von radiogenem Pb durch rezentes Pb. Dieser niedergradige Fluidtransport äußerte sich zudem in einem Lösen der Zirkone sowie einer zerstörten Zirkonstruktur. Gleichzeitig fand ein Einbau von Ca2+, Mn2+ und Mg2+ statt, der von den Ca-reichen Fluiden, die auf Grund der Karbonat-reichen Deckenstapel auftraten, forciert wurde. Keinen Einfluss auf den Blei-Verlust der Zirkone zeigt dagegen die amphibolit- bis grünschieferfazielle präalpidische Überprägung. Auf Grund der Altersspektren der Zirkone sowie der tektonischen Transportrichtungen werden die Kristallinkomplexe als Fragmente von Gondwana interpretiert. Im Rahmen der spät-panafrikanischen Metamorphose und Deformation erfolgte der Aufstieg der Plutonite, an die sich eine Riftingphase anschließt, während der sich die Fragmente abspalteten. Im Karbon bis Perm kollidierten unter Top-N-Kinematik das MCC, CCC und KCC mit Gondwana. In der Trias erfolgte letztlich der Aufstieg der Plutonite des VCC und dessen anschließende Überprägung. Die Heraushebung der Gesteine erfolgte im Jura.
In der hier vorliegenden Arbeit wurden Spurenstoff-Flüsse zwischen Atmosphäre und Pedosphäre, sowie zwischen Atmosphäre und Vegetation untersucht. Der Austausch zwischen Atmosphäre und Boden wurde mit Hilfe von dynamischen Bodenkammern gemessen. Zur Bestimmung des Austauschs zwischen Atmosphäre und Biosphäre wurden Gradienten der Spurengase oberhalb der Baumkronen gemessen und daraus die Flüsse bestimmt. Weiterhin wurden methodische Vergleiche der Gradientmethode mit anderen Methoden (Relaxed-Eddy-Accumulation, Eddy- Correlation) durchgeführt. Die Untersuchungen mit Hilfe der Gaswechselkammern zeigen, dass während aller Messungen der Boden eine Senke von atmosphärischem Carbonylsulfid dargestellt hat. Hiermit wird die Rolle des Bodens als eine Senke für COS bestätigt. Die Depositonsraten betragen im Mittel - 0,81 pmolm exp -2 s exp -1 und besitzen eine Variabilität zwischen - 0,23 und - 1,38 pmolm exp -2 s exp -1. Im Vergleich zu den Literaturwerten (siehe Tabelle 1.1) sind die Aufnahmeraten des Bodens auf der Versuchsfläche "F1" schwach ausgeprägt. Im Vergleich zu anderen Arbeiten (siehe Lehmann & Conrad, 1996; Kesselmeier et al., 1999) sind keine eindeutigen Korrelationen zwischen dem COS-Fluss und der Lufttemperatur bzw. der Bodenfeuchte oder den Bodentemperaturen in 2, 5 und 10 cm zu erkennen. Diese hier aufgeführten Arbeiten beruhen jedoch auf Labormessungen mit nur sehr geringen homogenen und präparierten Bodenmengen. Die Feldmessungen im Rahmen dieser Arbeit wurden nicht unter vergleichbar definierten Bedingungen durchgeführt. Aufgrund zahlreicher beeinflussender Parameter und der vertikalen Inhomogenität des Bodens konnte jedoch auch nicht mit vergleichbar guten Korrelationen gerechnet werden. Eine saisonale Abhängigkeit der COS-Aufnahme ist über einen Zeitraum von 21 2 Monaten nicht ausgeprägt. Da die Messungen einer Kampagne im Mai 1999 aufgrund von Kontaminationen der Luftproben vollständig verworfen wurden, erstreckten sich die Messungen nur vom Hochsommer bis zum Frühherbst. Die räumliche Variabilität erreicht dagegen innerhalb einer Entfernung von 10 m eine Spanne zwischen - 0,43 und - 0,73 pmolm exp -2 s exp -1. Zurückzuführen ist dies auf die starke räumliche ....
Im Rahmen des Projektes SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion) als Teil des deutschen Atmosphärenforschungsprogramms AFO 2000 wurden bei 8 Messkampagnen mit insgesamt 36 Flügen innerhalb eines Beobachtungszeitraums von zwei Jahren (Nov. 2001 bis Juli 2003) Spurengasmessungen in dem Breitenbereich zwischen 35°N und 75°N durchgeführt. Für die Messungen der Spurengase N2O, F12, SF6, H2 und CO wurde der vollautomatisierte in-situ GC (Gaschromatograph) GhOST II (Gas Chromatograph for the Observation of Stratospheric Tracers) entwickelt und eingesetzt. Das Ziel dieser Messungen war die Untersuchung der jahreszeitlichen Variabilität der Spurengase in der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (UT/LMS: Upper Troposphere/Lowermost Stratosphere), um die Transport- und Austauschprozesse in der Tropopausenregion besser zu verstehen. Zur Untersuchung von Transport und Mischung in der UT/LMS wurden die Rückwärtstrajektorien entlang der Flugpfade, die Verteilungen der Tracer N2O, F12, SF6, CO und CO2 (MPI für Chemie in Mainz), die Tracer/Tracer-Korrelationen N2O/F12, N2O/O3 F12/O3 und SF6/O3 und die Verteilungen des aus SF6-Messungen berechnete mittlere Alters der Luft herangezogen. Zusätzlich wurden die simultanen Messungen der beiden Alterstracer CO2 und SF6 genutzt, um die Propagation der Amplitude des troposphärischen CO2-Jahresgangs in die LMS zu bestimmen und daraus mit Hilfe eines empirischen Altersspektrums den Eintrag und die mittlere Transportzeit aus der Troposphäre in die unterste Stratosphäre zu quantifizieren. Grundsätzlich muss die LMS in zwei Bereiche eingeteilt werden – die Übergangsschicht („tropopause following layer“) bis etwa 20-30 K über der potentiellen Temperatur der lokalen Tropopause [Hoor et al., 2004] und die freie LMS oberhalb dieser Schicht. Als wesentliche Unterscheidungsmerkmale beider Bereiche wird die mittlere Transportzeit des Eintrags troposphärischer Luft identifiziert. Aus Trajektorienuntersuchungen und Tracerverteilungen (Kap. 3.4) kann gezeigt werden, dass der Transport in die Übergangsschicht und die Mischungsprozesse in diesem Bereich auf der Zeitskala der mesoskaligen troposphärischen Prozesse ablaufen. Im Gegensatz dazu werden aus der Massenbilanz (Kap. 5.3) mittlere Transportzeiten aus der Troposphäre in die freie LMS von einigen Wochen bis zu mehreren Monaten abgeleitet. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass der troposphärische Eintrag in der freien LMS fast ausschließlich auf quasihorizontale isentrope Einmischung aus den Tropen über die Transportbarriere des Subtropenjets zurückzuführen ist. Nur im Sommer und Herbst konnte auch oberhalb der Übergangsschicht für einzelne Messungen ein Einfluss aus der extratropischen Troposphäre beobachtet werden. Die in dieser Arbeit untersuchten Tracerverteilungen und -korrelationen (Kap. 4) und die Verteilung des mittleren Alters (Kap.5.2) in der LMS zeigen einen Jahresgang mit einem maximalen troposphärischen Einfluss im Oktober und einem maximalen stratosphärischen Einfluss im April. Diese saisonale Charakteristik in der freien LMS kann durch die saisonalen Änderungen des Verhältnisses von Abwärtstransport aus der Overworld und quasihorizontalem Transport aus den Tropen und durch die mit den jeweiligen Transportprozessen assoziierte mittlere Transportzeiten erklärt werden, die aus Massenbilanzrechnungen bestimmt wurden. Es wird gezeigt, dass der überwiegende Eintrag von troposphärischer Luft in die LMS im Sommer und Herbst stattfindet, wobei im Mittel die kürzesten mittleren Transitzeiten (unter 0.3 Jahre) für den August und die längsten Transitzeiten (über 0.6 Jahre) für den Mai berechnet werden. Aus den Ergebnissen wird gefolgert, dass ein ausgeprägter isentroper Austauschprozess über den Subtropenjet im Sommer bis in den Herbst hinein der dominierende troposphärische Einfluss in der LMS bis in den Mai ist. Der Vergleich zwischen SPURT und anderen in der UT/LMS im Zeitraum von 1992 bis 1998 durchgeführten Messkampagnen zeigt einen systematischen Unterschied in den N2O/O3-Korrelationen. Die Zunahme von O3 relativ zu N2O in der LMS ist um etwa 6.5 ppb O3 pro 1 ppb N2O bzw. etwa 40% größer als die Zunahme bei jahreszeitlich vergleichbaren früheren Kampagnen. Durch eine weitergehende Analyse der Messungen, z.B. durch den Vergleich der N2O-Verteilungen in der LMS bei verschiedenen Messkampagnen, und zusätzlichen Informationen aus Satelliten- und Ballonmessungen wird abgeleitet, dass diese Änderung der N2O/O3-Korrelationen im Wesentlichen auf einen im Zeitraum von SPURT stärkeren quasihorizontalen Transport aus den Tropen in die Extratropen im Bereich des so genannten „tropical controlled transition layer“ [Rosenlof et al., 1997] zwischen 16-21 km (bzw. Θ ≈ 380-450 K) zurückzuführen ist. In Kooperation mit B. Bregman wurden mit dem Chemie-Transport-Modell TM5 des KNMI die Verteilungen von SF6 und CO2 in der Troposphäre und Stratosphäre, unter den Zielsetzungen Evaluation des Modelltransports und Erweiterung des Datensatzes von SPURT auf globalen Maßstab, für den Zeitraum 1.1.2000 bis 31.12.2002 modelliert. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Modellstudien zur Evaluation des Transports mit Hilfe von Alterstracern nicht nur troposphärisch monoton steigende Tracer wie SF6 sondern auch saisonal variable Tracer wie CO2 verwendet werden müssen. Bei dem Vergleich der Modellergebnisse des TM5 mit ER2- und SPURTMessungen zeigt sich, dass das Modell zum jetzigen Zeitpunkt in der Lage ist, das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre und die SF6- und CO2-Verteilungen in der LMS qualitativ richtig wiederzugeben. Das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre wird um etwa 0.5 bis 1 Jahr in den Tropen über- und in den Extratropen unterschätzt. Die vertikalen Gradienten im Modell für SF6 und CO2 in der LMS sind, insbesondere im Winter und Frühjahr, zu gering. Die Amplitude des CO2-Jahresganges in der oberen Troposphäre und in der LMS wird durch das Modell unterschätzt, während der saisonale Verlauf des Jahresganges richtig wiedergegeben wird. Im Moment wird vermutet, dass eine zu starke isentrope Mischung zwischen Tropen und Extratropen und/oder ein zu geringer Aufwärtstransport in der extratropischen Troposphäre im Sommer und Herbst die Ursachen für die beobachteten Abweichungen zwischen Modell und Messung sind.
Diese Arbeit beschreibt Entwürfe zur Anwendung einer nicht-interpolierenden Advektionsmethode in numerischen Wettervorhersagemodellen. Es wird an verschiedenen Beispielen dargestellt, in welcher Weise eine solche nicht-interpolierende Methode anstelle von herkömmlichen Differenzen- oder interpolierenden Lagrangeschen Verfahren einsetzbar ist. Die in der meteorologischen Modellierung neuartige nicht-interpolierende Advektionsmethode verwendet das Partikel-Lagrangesche Konzept von Steppeler (1990a), das die Verlagerung von atmosphärischen Größen mittels Partikeln berechnet, wobei die Partikeln als Luftpakete zu verstehen sind, die sich entlang der Trajektorien bewegen und dabei den Wert der prognostischen Größen erhalten. Diese Eigenschaft der Methode kommt vor allem dann zum Tragen, wenn die Verteilung der prognostischen Größen durch Sprungfunktionen beschrieben wird, da Näherungsfehler der bislang verwendeten Methoden, wie Oszillation und Glättung, an solchen Gradienten verstärkt auftreten. Die Untersuchung der Genauigkeit und Anwendbarkeit der nicht-interpolierenden Partikel-Lagrangeschen Methode findet durch Modellstudien statt. Die Methode selbst wird am Beispiel verschiedener Anfangswert-Aufgaben für ein dichtekonstantes barotropes Flachwasser-System beschrieben, gefolgt von der Nachbildung von zwei Ausbreitungsszenarien für chemisch träge Stoffe in einer hydrostatischen Modellatmosphäre, sowie des trocken- und feuchtadiabatischen Aufstiegs einer warmen Luftblase unter nicht- hydrostatischen Bedingungen. Im Hinblick auf numerische Fehler wird gefordert, daß die numerische Lösung monoton bleibt, wobei unter Monotonität ein oszillationsfreier Verlauf der Lösung verstanden wird. Mittels Vergleich zwischen den numerischen Lösungen wird festgestellt, daß die Genauigkeit der nicht-interpolierenden numerischen Lösung mit Ausnahme einer Anfangswert-Aufgabe gleich oder höher ist als bei den mit herkömmlichen Methoden erzielten Resultaten. Eine herausragende Steigerung der Genauigkeit ist dann zu beobachten, wenn die Advektion im Vergleich zu anderen Prozessen eine viel stärkere Rolle spielt, wie z.B. im Falle der Konvektion in trockener Atmosphäre.
Unsichtbare Winzlinge
(2023)
This article presents an environmental remote sensing application using a UAV that is specifically aimed at reducing the data gap between field scale and satellite scale in soil erosion monitoring in Morocco. A fixed-wing aircraft type Sirius I (MAVinci, Germany) equipped with a digital system camera (Panasonic) is employed. UAV surveys are conducted over different study sites with varying extents and flying heights in order to provide both very high resolution site-specific data and lower-resolution overviews, thus fully exploiting the large potential of the chosen UAV for multi-scale mapping purposes. Depending on the scale and area coverage, two different approaches for georeferencing are used, based on high-precision GCPs or the UAV’s log file with exterior orientation values respectively. The photogrammetric image processing enables the creation of Digital Terrain Models (DTMs) and ortho-image mosaics with very high resolution on a sub-decimetre level. The created data products were used for quantifying gully and badland erosion in 2D and 3D as well as for the analysis of the surrounding areas and landscape development for larger extents.
New particle formation driven by acid–base chemistry was initiated in the CLOUD chamber at CERN by introducing atmospherically relevant levels of gas-phase sulfuric acid and dimethylamine (DMA). Ammonia was also present in the chamber as a gas-phase contaminant from earlier experiments. The composition of particles with volume median diameters (VMDs) as small as 10 nm was measured by the Thermal Desorption Chemical Ionization Mass Spectrometer (TDCIMS). Particulate ammonium-to-dimethylaminium ratios were higher than the gas-phase ammonia-to-DMA ratios, suggesting preferential uptake of ammonia over DMA for the collected 10–30 nm VMD particles. This behavior is not consistent with present nanoparticle physicochemical models, which predict a higher dimethylaminium fraction when NH3 and DMA are present at similar gas-phase concentrations. Despite the presence in the gas phase of at least 100 times higher base concentrations than sulfuric acid, the recently formed particles always had measured base : acid ratios lower than 1 : 1. The lowest base fractions were found in particles below 15 nm VMD, with a strong size-dependent composition gradient. The reasons for the very acidic composition remain uncertain, but a plausible explanation is that the particles did not reach thermodynamic equilibrium with respect to the bases due to rapid heterogeneous conversion of SO2 to sulfate. These results indicate that sulfuric acid does not require stabilization by ammonium or dimethylaminium as acid–base pairs in particles as small as 10 nm.
New particle formation driven by acid-base chemistry was initiated in the CLOUD chamber at CERN by introducing atmospherically relevant levels of gas phase sulfuric acid and dimethylamine (DMA). Ammonia was also present in the chamber as a gas-phase contaminant from earlier experiments. The composition of particles with volume median diameters (VMDs) as small as 10 nm was measured by the Thermal Desorption Chemical Ionization Mass Spectrometer (TDCIMS). Particulate ammonium-to-dimethylaminium ratios were higher than the gas phase ammonia-to-DMA ratios, suggesting preferential uptake of ammonia over DMA for the collected 10-30 nm VMD particles. This behavior is not consistent with present nanoparticle physico-chemical models, which predict a higher dimethylaminium fraction when NH3 and DMA are present at similar gas phase concentrations. Despite the presence in the gas phase of at least 100 times higher base concentrations than sulfuric acid, the recently formed particles always had measured base:acid ratios lower than 1:1. The lowest base fractions were found in particles below 15 nm VMD, with a strong size-dependent composition gradient that suggests a change to a mixed-phase state as the particles grew beyond this size. The reasons for the very acidic composition remain uncertain, but a possible explanation is that the particles did not reach thermodynamic equilibrium with respect to the bases due to rapid heterogeneous conversion of SO2 to sulfate. These results indicate that sulfuric acid does not require stabilization by ammonium or dimethylaminium as acid-base pairs in particles as small as 10 nm.
Recently, carbonates have attracted a lot of attention, due to the recognition of their importance in the global carbon cycle. This was enabled by improvement of the experimental techniques that allow for investigating the stability, structure, and physical properties of materials and high-pressures and high-temperatures, that is, they allow for investigating minerals and geochemical processes at the conditions occurring deep inside Earth. Although a lot of research has been focused on carbonates, there are still some open questions regarding their structure and physical properties at such extreme conditions. The aim of this thesis is to establish a deeper understanding of the nature of the phase transitions in carbonates by studying how do the atoms building up the crystal structure vibrate, that is lattice dynamics. The methodology adapted in this study is a combination of experimental and computational methods which allows for a very thorough examination of the problem. The computational approach allows to determine parameters that are elusive or tedious to measure, and the experimental results provide a solid benchmark for the calculations. This tandem of methods has been widely used for investigating lattice dynamics of various materials. In this study it was used to elucidate the structure and properties of carbonates in the deep Earth conditions
Un tuf volcanique a ete mis en evidence dans trois profils de loess de Hesbaye (Rocourt et Lixhe) et du Limbourg neerlandais (Nagelbeek). Ce tuf correspond probablement ä l'Eltviller Tuff connu en Hesse (SEMMEL 1967). En consequence, cette decouverte permet de comparer directement une partie de la sequence des loess du Pleistocene superieur propre ä chaque region
Mechanisms by which subvisible cirrus clouds (SVCs) might contribute to dehydration close to the tropical tropopause are not well understood. Recently Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs) with optical depths around 10−4 have been detected in the western Indian ocean. These clouds cover thousands of square kilometers as 200–300 m thick distinct and homogeneous layer just below the tropical tropopause. In their condensed phase UTTCs contain only 1–5% of the total water, and essentially no nitric acid. A new cloud stabilization mechanism is required to explain this small fraction of the condensed water content in the clouds and their small vertical thickness. This work suggests a mechanism, which forces the particles into a thin layer, based on upwelling of the air of some mm/s to balance the ice particles, supersaturation with respect to ice above and subsaturation below the UTTC. In situ measurements suggest that these requirements are fulfilled. The basic physical properties of this mechanism are explored by means of a single particle model. Comprehensive 1-D cloud simulations demonstrate this stabilization mechanism to be robust against rapid temperature fluctuations of +/−0.5 K. However, rapid warming (ΔT>2 K) leads to evaporation of the UTTC, while rapid cooling (ΔT<−2 K) leads to destabilization of the particles with the potential for significant dehydration below the cloud.
Subvisible cirrus clouds (SVCs) may contribute to dehydration close to the tropical tropopause. The higher and colder SVCs and the larger their ice crystals, the more likely they represent the last efficient point of contact of the gas phase with the ice phase and, hence, the last dehydrating step, before the air enters the stratosphere. The first simultaneous in situ and remote sensing measurements of SVCs were taken during the APE-THESEO campaign in the western Indian ocean in February/March 1999. The observed clouds, termed Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs), belong to the geometrically and optically thinnest large-scale clouds in the Earth's atmosphere. Individual UTTCs may exist for many hours as an only 200–300 m thick cloud layer just a few hundred meters below the tropical cold point tropopause, covering up to 105 km2. With temperatures as low as 181 K these clouds are prime representatives for defining the water mixing ratio of air entering the lower stratosphere.
Mechanisms by which subvisible cirrus clouds (SVCs) might contribute to dehydration close to the tropical tropopause are not well understood. Recently Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs) with optical depths around 10-4 have been detected in the western Indian ocean. These clouds cover thousands of square kilometers as 200-300 m thick distinct and homogeneous layer just below the tropical tropopause. In their condensed phase UTTCs contain only 1-5% of the total water, and essentially no nitric acid. A new cloud stabilization mechanism is required to explain this small fraction of the condensed water content in the clouds and their small vertical thickness. This work suggests a mechanism, which forces the particles into a thin layer, based on upwelling of the air of some mm/s to balance the ice particles, supersaturation with respect to ice above and subsaturation below the UTTC. In situ measurements suggest that these requirements are fulfilled. The basic physical properties of this mechanism are explored by means of a single particle model. Comprehensive 1-D cloud simulations demonstrate this stabilization mechanism to be robust against rapid temperature fluctuations of +/- 0.5 K. However, rapid warming (Delta T > 2 K) leads to evaporation of the UTTC, while rapid cooling (Delta T < -2 K) leads to destabilization of the particles with the potential for significant dehydration below the cloud
Subvisible cirrus clouds (SVCs) may contribute to dehydration close to the tropical tropopause. The higher and colder SVCs and the larger their ice crystals, the more likely they represent the last efficient point of contact of the gas phase with the ice phase and, hence, the last dehydrating step, before the air enters the stratosphere. The first simultaneous in situ and remote sensing measurements of SVCs were taken during the APE-THESEO campaign in the western Indian ocean in February/March 1999. The observed clouds, termed Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs), belong to the geometrically and optically thinnest large-scale clouds in the Earth´s atmosphere. Individual UTTCs may exist for many hours as an only 200--300 m thick cloud layer just a few hundred meters below the tropical cold point tropopause, covering up to 105 km2. With temperatures as low as 181 K these clouds are prime representatives for defining the water mixing ratio of air entering the lower stratosphere.
Abstract
The mineralogy, chemical composition, and physical properties of cratonic mantle eclogites with oceanic crustal protoliths can be modified by secondary processes involving interaction with fluids and melts, generated in various slab lithologies upon subduction (auto‐metasomatism) or mantle metasomatism after emplacement into the cratonic lithosphere. Here we combine new and published data to isolate these signatures and evaluate their effects on the chemical and physical properties of eclogite. Mantle metasomatism involving kimberlite‐like, ultramafic carbonated melts (UM carbonated melts) is ubiquitous though not pervasive, and affected between ~20% and 40% of the eclogite population at the various localities investigated here, predominantly at ~60–150 km depth, overlapping cratonic midlithospheric seismic discontinuities. Its hallmarks include lower jadeite component in clinopyroxene and grossular component in garnet, an increase in bulk‐rock MgO ± SiO2, and decrease in FeO and Al2O3 contents, and LREE‐enrichment accompanied by higher Sr, Pb, Th, U, and in part Zr and Nb, as well as lower Li, Cu ± Zn. This is mediated by addition of a high‐temperature pyroxene from a UM carbonated melt, followed by redistribution of this component into garnet and clinopyroxene. As clinopyroxene‐garnet trace‐element distribution coefficients increase with decreasing garnet grossular component, clinopyroxene is the main carrier of the metasomatic signatures. UM carbonated melt‐metasomatism at >130–150 km has destroyed the diamond inventory at some localities. These mineralogical and chemical changes contribute to low densities, with implications for eclogite gravitational stability, but negligible changes in shear‐wave velocities, and, if accompanied by H2O‐enrichment, will enhance electrical conductivities compared to unenriched eclogites.
Plain Language Summary
Oceanic crust formed at spreading ridges is recycled in subduction zones and undergoes metamorphism to eclogite. Some of this material is captured in the overlying lithospheric mantle, where it is exhumed by passing magmas. Having formed in spreading ridges, these eclogites have proven invaluable archives for the onset of plate tectonics, for the construction of cratons during subduction/collision, as probes of the convecting mantle from which their precursors formed, and as generators of heterogeneity upon recycling into Earth's convecting mantle. During subduction and until exhumation, interaction with fluids and melts (called metasomatism) can change the mineralogy, chemical composition, and physical properties of mantle eclogites, complicating their interpretation, but a comprehensive study of these effects is lacking so far. We investigated mantle eclogites from ancient continents (cratons) around the globe in order to define hallmarks of metasomatism by subduction‐related fluids and small‐volume ultramafic carbonated mantle melts. We find that the latter is pervasive and occurs predominantly at midlithospheric depths where seismic discontinuities are detected, typically causing diamond destruction and a reduction in density. This has consequences for their gravitational stability and for the interpretation of shearwave velocities in cratons.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der geochemischen und isotopischen Analyse detritischer Zirkonminerale aus rezenten Sedimenten des weit verzweigten Orange- und Vaal River Flusssystems in Südafrika. Zirkone kristallisieren überwiegend aus krustalen Schmelzen und sind äußerst resistent gegenüber jeglicher Zerstörung und damit ein idealer Kandidat zur Rekonstruktion früherer Krustenbildungsprozesse der geologischen Erdgeschichte. Der kombinierte Ansatz der U-Pb Altersdatierung, der Hf Isotopie und der Spurenelementgeochemie mittels Laserablation und des Einsatzes induktiv-gekoppelter Sektorfeld- und Multikollektormassenspektrometer ermöglicht es die krustale Wachstums- und Entwicklungsgeschichte des südafrikanischen Kratons zu erfassen. Die mehr als 1200 U-Pb Analysen der Zirkone weisen 4 tektonische Hauptphasen des südafrikanischen Kontinents nach: 1. die Panafrikanische Orogenese (0.5-0.7 Ga), 2. das Namaqua-Natal Faltengürtelorogen (1.0-1.3 Ga), 3. die Kheis Orogenese (1.8-2.0 Ga) und 4. die westliche Kaapvaal-Kratonisierung (2.9-3.2 Ga). Allerdings zeigt sich, dass die 13 Probenlokationen überwiegend lokale bzw. regionale U-Pb Altersdaten ihrer umgebenden Herkunftsgebiete liefern. Die Hf Isotopie der Zirkone der verschiedenen tektonischen Hauptphasen Südafrikas stellen ihre differenzierte Akkretions- und Aufschmelzungsgeschichte dar. Die panafrikanischen Zirkone zeigen eine ausgeprägte Durchmischung von juvenilem und recyceltem Material. Die mesoproterozoischen (Namaquan) Zirkone entstanden aus juvenilem Magma während eines Inselbogen-Kontinent-Kollisionsereignisses. Die paläoproterozoischen und archaischen Zirkone sind Produkte von aufgeschmolzener prä-existierender kontinentaler Kruste oder vom Mantel abstammende Schmelzen, die durch kontinentale Kruste kontaminiert wurden. Die berechneten Hf Modellalter, so genannte „Mantelextraktionsalter" ergeben zwei Maxima, die zwei Stadien juvenilem Krustenwachstums einschließen, einmal vor 1.4 und 3.2 Ga. Dieses krustale Wachstum zeigt eine Übereinstimmung mit den progressiv episodischen Modellen von Nagler & Kramers (1998) sowie Condie (2000) mit Höhepunkten zwischen 3.0 und 2.0 Ga sowie den Studien von Wang et al. (2008) mit krustalen Wachstumsperioden von 1.6 bis 2.2 und 2.9 bis 3.4 Ga auf dem Nordamerikanischen Kontinent und auf dem Gondwana-Kontinent (Australien) von Hawkesworth & Kemp 2006) und implizieren wohl ein globales kontinentales Krustenwachstum. Die Abgrenzung und Wiedererkennung der Zirkone anhand der chemischen Zusammensetzung zu möglichen Muttergesteinen zeigen noch keine viel versprechenden Ergebnisse. Generell weisen die Zirkone eine magmatische granitoide Zusammensetzung kontinentalen Ursprungs auf. Eine Auffälligkeit stellen die erhöhten Spuren- und leichten Seltenenerdelemente in Zirkonen jeglicher Altersklassen dar. Nachfolgende Arbeiten müssen zeigen, wie und ob diese Anreicherungen Einfluss auf die chemische Zusammensetzung, die U-Pb Datierung und vor allem die Hf-Isotopie der Zirkone haben.