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In this paper, similarity hypotheses for the atmospheric surface layer (ASL) are reviewed using nondimensional characteristic invariants, referred to as π -numbers. The basic idea of this dimensional π-invariants analysis (sometimes also called Buckingham’s π-theorem) is described in a mathematically generalized formalism. To illustrate the task of this powerful method and how it can be applied to deduce a variety of reasonable solutions by the formalized procedure of non-dimensionalization, various instances are represented that are relevant to the turbulence transfer across the ASL and prevailing structure of ASL turbulence. Within the framework of our review we consider both (a) Monin-Obukhov scaling for forced-convective conditions, and (b) Prandtl-Obukhov-Priestley scaling for free-convective conditions.It is shown that in the various instances of Monin-Obukhov scaling generally two π-numbers occur that result in corresponding similarity functions. In contrast to that, Prandtl-Obukhov-Priestley scaling will lead to only one π number in each case usually considered as a non-dimensional universal constant. Since an explicit mathematical relationship for the similarity functions cannot be obtained from a dimensional π-invariants analysis, elementary laws of π-invariants have to be pointed out using empirical or/and theoretical findings. To evaluate empirical similarity functions usually considered within the framework flux-profile relationships, so-called integral similarity functions for momentum and sensible heat are presented and assessed on the basis of the friction velocity and the vertical component of the eddy flux densities of sensible and latent heat directly measured during the GREIV I 1974 field campaign.
Holocene climate was characterised by variability on multi-centennial to multi-decadal time scales. In central Europe, these fluctuations were most pronounced during winter. Here we present a record of past winter climate variability for the last 10.8 ka based on four speleothems from Bunker Cave, western Germany. Due to its central European location, the cave site is particularly well suited to record changes in precipitation and temperature in response to changes in the North Atlantic realm. We present high-resolution records of δ18O, δ13C values and Mg/Ca ratios. Changes in the Mg/Ca ratio are attributed to past meteoric precipitation variability. The stable C isotope composition of the speleothems most likely reflects changes in vegetation and precipitation, and variations in the δ18O signal are interpreted as variations in meteoric precipitation and temperature. We found cold and dry periods between 8 and 7 ka, 6.5 and 5.5 ka, 4 and 3 ka as well as between 0.7 and 0.2 ka. The proxy signals in the Bunker Cave stalagmites compare well with other isotope records and, thus, seem representative for central European Holocene climate variability. The prominent 8.2 ka event and the Little Ice Age cold events are both recorded in the Bunker Cave record. However, these events show a contrasting relationship between climate and δ18O, which is explained by different causes underlying the two climate anomalies. Whereas the Little Ice Age is attributed to a pronounced negative phase of the North Atlantic Oscillation, the 8.2 ka event was triggered by cooler conditions in the North Atlantic due to a slowdown of the thermohaline circulation.
Holocene climate was characterised by variability on multi-centennial to multi-decadal time scales. In central Europe, these fluctuations were most pronounced during winter. Here we present a new record of past winter climate variability for the last 10.8 ka based on four speleothems from Bunker Cave, Western Germany. Due to its central European location, the cave site is particularly well suited to record changes in precipitation and temperature in response to changes in the North Atlantic realm. We present high resolution records of δ18O, δ13C values and Mg/Ca ratios. We attribute changes in the Mg/Ca ratio to variations in the meteoric precipitation. The stable C isotope composition of the speleothems most likely reflects changes in vegetation and precipitation and variations in the δ18O signal are interpreted as variations in meteoric precipitation and temperature. We found cold and dry periods between 9 and 7 ka, 6.5 and 5.5 ka, 4 and 3 ka as well as between 0.7 to 0.2 ka. The proxy signals in our stalagmites compare well with other isotope records and, thus, seem representative for central European Holocene climate variability. The prominent 8.2 ka event and the Little Ice Age cold events are both recorded in the Bunker cave record. However, these events show a contrasting relationship between climate and δ18O, which is explained by different causes underlying the two climate anomalies. Whereas the Little Ice Age is attributed to a pronounced negative phase of the North Atlantic Oscillation, the 8.2 ka event was triggered by cooler conditions in the North Atlantic due to a slowdown of the Thermohaline Circulation.
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Integrierte Analyse von mobilen, organischen Fremdstoffen in Fließgewässern“ (INTAFERE) am Institut für Physische Geographie an der Goethe-Universität Frankfurt erstellt. In INTAFERE wurde das Gefährdungspotenzial von mobilen, organischen Fremdstoffen (MOF) für aquatische Ökosysteme und die natürlichen Wasserressourcen in integrierter und partizipativer Art und Weise untersucht. MOF sind chemische Substanzen, die in Alltagsprodukten enthalten sind und durch unterschiedliche Eintragsfade in unbekannten Mengen in Oberflächengewässer eingetragen werden. Problematisch sind aus Umweltgesichtspunkten ihre Eigenschaften: sie besitzen im Wasser eine hohe Mobilität und sind schwer abbaubar. Dies führt zu einer Persistenz über lange Zeiträume. Für einige dieser Substanzen wurde zudem gezeigt, dass sie in sehr geringen Konzentrationen biologisch aktiv sind und für aquatische Ökosysteme eine Gefahr darstellen. In INTAFERE wurden drei zentrale Ziele verfolgt: Charakterisierung des Problemfeldes MOF, Erzeugung von praxisrelevantem Wissen für das Management von MOF und Entwicklung einer Softwareanwendung, die gesellschaftliche Aushandlungsprozesse durch eine transparente Darstellung der Wirkungszusammenhänge im Problemfeld unterstützt. Um einen Beitrag für die Erfüllung der Ziele zu leisten, war es die Aufgabe der Verfasserin, eine Akteursanalyse und -modellierung durchzuführen sowie Zukunftsszenarien im Bereich der MOF zu entwickeln. Dafür existierte keine adäquate Methodik, daher verfolgt die Dissertation zum einen die Entwicklung einer Methodik und zum anderen deren Anwendung im Kontext des Projektes INTAFERE. Da im Forschungsprozess die Durchführung von Analysen, die wissenschaftliche und gesellschaftliche Sichtweise der Problematik sowie die Erarbeitung von praktischen Lösungen im Mittelpunkt standen, wurde eine transdisziplinäre Herangehensweise gewählt. Ziel war es, eine Methodik zu entwerfen, die sowohl eine Entwicklung von Szenarien als auch eine Modellierung von Handlungsentscheidungen umfasst. Eine Modellierung und Visualisierung von Handlungsentscheidungen ist notwendig, um Strategien für ein Umweltproblem für verschiedene Szenarien zu ermitteln, und damit einen Lernprozess der Stakeholder zu initiieren. Dies wurde mit der transdisziplinären Methode „Akteursbasierte Modellierung“ umgesetzt. Hierbei wurden insbesondere Aspekte der Problemwahrnehmung von Akteuren und deren Darstellung, der partizipativen Szenarienentwicklung sowie der semi-quantitativen Modellierung von Handlungsentscheidungen berücksichtigt. Die Verfasserin hat mit der semi-quantitativen akteursbasierten Modellierung eine Methode erarbeitet und getestet, die bisher unverbundene Komponenten (wie die Software Dynamic Actor Network Analysis (DANA) und die Szenarienentwicklung) zusammenführt. Um Handlungsentscheidungen unter verschiedenen Szenarien zu modellieren hat die Autorin eine sequentielle Modellierung entwickelt, die mit der Software DANA durchgeführt werden kann. Die dafür notwendige Weiterentwicklung von DANA wurde von Dr. Pieter Bots (TU Delft) umgesetzt. Die akteursbasierte Modellierung läuft in drei methodischen Schritten ab: 1. Modellierung von Akteurs-Sichtweisen in Form von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse, aufbauend auf Ergebnissen von qualitativen, leitfaden-gestützten Expertengesprächen (= Akteursmodellierung), 2. partizipative Szenarienentwicklung mit den Akteuren und 3. Zusammenführung der Ergebnisse der Akteursmodellierung und der Szenarienentwicklung und darauf aufbauend eine sequentielle Modellierung von Handlungsentscheidungen und deren Auswirkungen auf Schlüsselfaktoren. Im Zuge der Anwendung auf das Problemfeld der MOF wurde für folgende Akteure jeweils ein Wahrnehmungsgraph modelliert: Obere Wasserbehörde, Umweltbundesamt, Umwelt- und Verbraucherschutzorganisationen, Wasserversorger sowie für die Hersteller von verschiedenen MOF, weiterhin für die European Flame Retardants Association und die Weiterverarbeitende Industrie. Das Ergebnis der Szenarienentwicklung waren vier Szenarien: ein Gesundheitsszenario, unter der Annahme von hohen lokalen Umweltstandards durch nachhaltigkeitsorientierte KonsumentInnen, ein Umweltszenario, in dem eine starke Regulierung und nachhaltigkeitsorientierter Konsum Hand in Hand gehen, ein Globalisierungsszenario, in dem Wirtschaftsmacht und preisbewusste KonsumentInnen statt staatliche Regulierung vorherrschen und ein Technikszenario, unter der Annahme, dass Kläranlagen, bedingt durch eine starke Regulierung, aufgerüstet werden. Bei der Modellierung von Handlungsentscheidungen wurden die Wahrnehmungsgraphen und die vier Szenarien miteinander verknüpft. Pro Substanz wurde ein Modell entwickelt, welches die wichtigsten Systemkomponenten in einer angemessenen Komplexität umfasst und die von den Akteuren gemeinsam getragene Einschätzung der Wirkungsbeziehungen darstellt. Insgesamt wurden 16 Modelle entwickelt. Basierend auf den simulierten Akteurshandlungen wurden relativen Veränderungen der Schlüsselfaktoren Produktion, Import und Leistungsfähigkeit der Kläranlagen für die vier genannten Szenarien berechnet. In Zusammenarbeit mit Pieter Bots konnten algorithmische Beiträge zur Analyse- und Modellierungssoftware DANA getestet und verbessert werden. Da keine vollständige und zugleich leicht verständliche Einführung zu DANA vorlag, wurde für Nutzer im Rahmen dieser Dissertation eine Anleitung verfasst, die die Modellierung von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse sowie alle Schritte der akteursbasierten Modellierung mit DANA erläutert.
Contribution of sulfuric acid and oxidized organic compounds to particle formation and growth
(2012)
Lack of knowledge about the mechanisms underlying new particle formation and their subsequent growth is one of the main causes for the large uncertainty in estimating the radiative forcing of atmospheric aerosols in global models. We performed chamber experiments designed to study the contributions of sulfuric acid and organic vapors to the formation and early growth of nucleated particles. Distinct experiments in the presence of two different organic precursors (1,3,5-trimethylbenzene and α-pinene) showed the ability of these compounds to reproduce the formation rates observed in the low troposphere. These results were obtained measuring the sulfuric acid concentrations with two chemical ionization mass spectrometers confirming the results of a previous study which modeled the sulfuric acid concentrations in presence of 1,3,5-trimethylbenzene.
New analysis methods were applied to the data collected with a condensation particle counter battery and a scanning mobility particle sizer, allowing the assessment of the size resolved growth rates of freshly nucleated particles. The effect of organic vapors on particle growth was investigated by means of the growth rate enhancement factor (Γ), defined as the ratio between the measured growth rate in the presence of α-pinene and the kinetically limited growth rate of the sulfuric acid and water system. The observed Γ values indicate that the growth is already dominated by organic compounds at particle diameters of 2 nm. Both the absolute growth rates and Γ showed a strong dependence on particle size, supporting the nano-Köhler theory. Moreover, the separation of the contributions from sulfuric acid and organic compounds to particle growth reveals that the organic contribution seems to be enhanced by the sulfuric acid concentration. Finally, the size resolved growth analysis indicates that both condensation of oxidized organic compounds and reactive uptake contribute to particle growth.