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Chemical reduction-oxidation mechanisms within mantle rocks link to the terrestrial carbon cycle by influencing the depth at which magmas can form, their composition, and ultimately the chemistry of gases released into the atmosphere. The oxidation state of the uppermost mantle has been widely accepted to be unchanged over the past 3800 m.y., based on the abundance of redox-sensitive elements in greenstone belt–associated samples of different ages. However, the redox signal in those rocks may have been obscured by their complex origins and emplacement on continental margins. In contrast, the source and processes occurring during decompression melting at spreading ridges are relatively well constrained. We retrieve primary redox conditions from metamorphosed mid-oceanic ridge basalts (MORBs) and picrites of various ages (ca. 3000–550 Ma), using V/Sc as a broad redox proxy. Average V/Sc values for Proterozoic suites (7.0 ± 1.4, 2σ, n = 6) are similar to those of modern MORB (6.8 ± 1.6), whereas Archean suites have lower V/Sc (5.2 ± 0.4, n = 5). The lower Archean V/Sc is interpreted to reflect both deeper melt extraction from the uppermost mantle, which becomes more reduced with depth, and an intrinsically lower redox state. The pressure-corrected oxygen fugacity (expressed relative to the fayalite-magnetite-quartz buffer, ΔFMQ, at 1 GPa) of Archean sample suites (ΔFMQ –1.19 ± 0.33, 2σ) is significantly lower than that of post-Archean sample suites, including MORB (ΔFMQ –0.26 ± 0.44). Our results imply that the reducing Archean atmosphere was in equilibrium with Earth’s mantle, and further suggest that magmatic gases crossed the threshold that allowed a build-up in atmospheric O2 levels ca. 3000 Ma, accompanied by the first “whiffs” of oxygen in sediments of that age.
The thesis is devoted to the study of the Antarctic polar vortex, mainly by analyzing data collected during APE-GAIA (1999) and ASHOE (1994) campaigns and recorded by the ADEOS satellite (1996-1997), and to improvement of the chromato-graphic processing schemes. A general introduction and overview of the campaigns and instruments relevant to the present work are given in Chapters 1 and 2. A relatively large part of the thesis (Chapters 3-5) is on improvement of the analysis of raw chromatographic data recorded during in-flight measurements of the trace gases. A Gaussian non-straight-base-line method, i.e. the Gaussian processing scheme (Chapter 3), is developed for better evaluation of the chromatographic peak size. Furthermore, a statistical cross-correlation method (Chapter 5) based on statistical behaviour of the whole chromatogram series fNchrg recorded, e.g., during a research flight or laboratory calibration, is developed and applied to measure the low-concentration trace gases. As demonstrated for HAGAR's chromatograms (HAGAR - High Altitude Gas Analyzer), the combination of the Gaussian fitting scheme for individual chromatograms and the statistical cross-correlation method for a series of subsequent chromatograms considerably improves and stabilizes quantitative analysis of in-flight chromatographic data. In this case, the detection accuracy of weak and noisy chromatographic signals can be improved by up to 40 %. A particular attention is paid to the in-flight two-standard calibration method. For this method, a special procedure, that allows to evaluate and effectively remove a weak background chromatographic signal associated with residual molecules in the carrier gas N2, is proposed and coded (Chapter 4). The developed approaches and methods are completely automized and, therefore, can be used for processing of in-flight chromatograms of recent and future field campaigns. The main part of the thesis (Chapters 6-8) deals with a two-dimensional quasi-Lagrangian coordinate system ... , based on a long-lived stratospheric trace gas i, and its systematic use for i = N2O in order to describe the structure of a well-developed Antarctic polar vortex, linearization and compactization of the tracer-tracer correlations in the polar vortex core (i.e. the stratospheric dynamics in this area), and the differential ozone losses in the Antarctic polar vortex area. In the coordinate system ... (...-method, Chapter 6), which refers to a well-developed polar vortex, the mixing ratio Âi is the vertical coordinate and ... = .... i is the reference profile in the vortex core) is the meridional coordinate. The quasi-Lagrangian coordinates ... are much more long-lived comparing with the standard quasi-isentropic coordinates, potential temperature ... and equivalent latitude ..e, do not require explicit reference to geographic space, and therefore well-suited for studying the dynamics of the Antarctic polar vortex and the relevant ozone loss processes. By using the introduced coordinate system ... to analyze the well-developed Antarctic vortex investigated in the APE-GAIA campaign, it is shown, in concurrence with the conclusion of A. M. Lee et al. (2001), that the Antarctic vortex area can be described in terms of the well-mixed and well-isolated vortex core, relatively wide vortex boundary region and adjoining surf zone. In this case, the reference profile ... i , which is compact in a well-developed and isolated polar vortex core [J. B. Greenblatt et al. (2002)], can be found by combining airborne (and/or balloon) data with high-altitude satellite measurements. A criterion, which uses the local in-situ measurements of Âi = Âi(£) and attributes the inner vortex edge to a rapid change (±-step) in the meridional pro¯le of the mixing ratio..., is developed in Chapter 6 to determine the (Antarctic) inner vortex edge. In turn, the outer vortex edge of a well-developed Antarctic vortex is proposed to attribute to the position of a local maximum of ...H2O in the polar vortex area. For a well-developed Antarctic vortex, the ...-parametrization of tracer-tracer correlations allows to distinguish the tracer-tracer inter-relationships in the vortex core, vortex boundary region and surf zone (Chapter 7). This is clearly illustrated by analyzing the tracer-tracer relationships Âi ¡ ÂN2O obtained from the in-situ data of the APE-GAIA campaign for i = CFCl3 (CFC-11), CF2Cl2 (CFC-12), CBrClF2 (H-1211) and SF6. The solitary anomalous points in the ...CFC11 ¡ ÂN2O correlation, observed in the Antarctic vortex core during the APE-GAIA and ASHOE campaigns, are interpreted in terms of small-scale localized differential descent. As detailed in Chapter 8, the quasi-Lagrangian coordinate system fÂN2O; ¢ÂN2Og is an effective tool for evaluation of the differential ozone losses in the polar vortex area. With this purpose, a two-parametric reference function ...O3 = F(...), which characterizes the unperturbed O3 distribution in the early winter polar vortex area, is introduced to separate and quantify in terms of the meridional coordinate ...2O the differential ozone losses in the vortex core and vortex boundary region. The method is applied to analyze the ozone depletion in the Antarctic stratosphere during the austral spring 1999 (APE-GAIA campaign). In Chapter 9, the main results of the thesis are summarized.
Evaluation of radiation components in a global freshwater model with station-based observations
(2016)
In many hydrological models, the amount of evapotranspired water is calculated using the potential evapotranspiration (PET) approach. The main driver of several PET approaches is net radiation, whose downward components are usually obtained from meteorological input data, whereas the upward components are calculated by the model itself. Thus, uncertainties can be large due to both the input data and model assumptions. In this study, we compare the radiation components of the WaterGAP Global Hydrology Model, driven by two meteorological input datasets and two radiation setups from ERA-Interim reanalysis. We assess the performance with respect to monthly observations provided by the Baseline Surface Radiation Network (BSRN) and the Global Energy Balance Archive (GEBA). The assessment is done for the global land area and specifically for energy/water limited regions. The results indicate that there is no optimal radiation input throughout the model variants, but standard meteorological input datasets perform better than those directly obtained by ERA-Interim reanalysis for the key variable net radiation. The low number of observations for some radiation components, as well as the scale mismatch between station observations and 0.5° × 0.5° grid cell size, limits the assessment.
Long-term average groundwater recharge representing the sustainable groundwater resources is modeled as a 0.5° by 0.5° grid on global scale by the WaterGAP Global Hydrology Model. Due to uncertainties of estimating groundwater recharge, especially in semiarid and arid regions, independent estimates are used for calibrating the model. This work compiled a new set of independent groundwater recharge estimates based on a work of Scanlon et al. (2006). The 59 independent estimates, together with an already existing independent estimates compilation, are used for the evaluation of two WGHM variants; one variant is modeling with an improved more realistically distributed daily precipitation dataset.
The objective of this thesis is the evaluation of the modeled data of the WaterGAP Global Hydrology Model (WGHM). The analysis of the impact of the new Watch Forcing Data (WFD) precipitation dataset on the modeled groundwater recharge tends to result in lower values in humid and higher values in (semi-)arid regions compared to the WGHM standard variant. Comparing both WGHM variants to the independent estimates compilations, representing (semi-)arid regions, the WGHM variant shows over- and underestimations especially of the low values and the WGHM WFD variant shows a bias toward overestimation especially for values below 4 mm/yr. The analysis of texture, hydrogeology and vegetation/ land cover could not give satisfying explanations for the discrepancies, but derived from the groundwater recharge measurement methods analysis indirect/ localized recharge seems to be a significant factor causing underestimations, as resulted in the comparison of the independent estimates based on Scanlon et al. 2006 with the WGHM variants.
Medium range hydrological forecasts in mesoscale catchments are only possible with the use of hydrological models driven by meteorological forecasts, which in particular contribute quantitative precipitation forecasts (QPF). QPFs are accompanied by large uncertainties, especially for longer lead times, which are propagated within the hydrometeorological model system. To deal with this limitation of predictability, a probabilistic forecasting system is tested, which is based on a hydrological-meteorological ensemble prediction system. The meteorological component of the system is the operational limited-area ensemble prediction system COSMO-LEPS that downscales the global ECMWF ensemble to a horizontal resolution of 10 km, while the hydrological component is based on the semi-distributed hydrological model PREVAH with a spatial resolution of 500 m.
Earlier studies have mostly addressed the potential benefits of hydrometeorological ensemble systems in short case studies. Here we present an analysis of hydrological ensemble hindcasts for two years (2005 and 2006). It is shown that the ensemble covers the uncertainty during different weather situations with appropriate spread. The ensemble also shows advantages over a corresponding deterministic forecast, even under consideration of an artificial spread.
Medium range hydrological forecasts in mesoscale catchments are only possible with the use of hydrological models driven by meteorological forecasts, which in particular contribute quantitative precipitation forecasts (QPF). QPFs are accompanied by large uncertainties, especially for longer lead times, which are propagated within the hydrometeorological model system. To deal with this limitation of predictability, a probabilistic forecasting system is tested, which is based on a hydrological-meteorological ensemble prediction system. The meteorological component of the system is the operational limited-area ensemble prediction system COSMO-LEPS that downscales the global ECMWF ensemble to a horizontal resolution of 10 km, while the hydrological component is based on the semi-distributed hydrological model PREVAH with a spatial resolution of 500 m.
Earlier studies have mostly addressed the potential benefits of hydrometeorological ensemble systems in short case studies. Here we present an analysis of hydrological ensemble hindcasts for two years (2005 and 2006). It is shown that the ensemble covers the uncertainty during different weather situations with an appropriate spread-skill relationship. The ensemble also shows advantages over a corresponding deterministic forecast, even under consideration of an artificial spread.
Emissions of halogenated very short-lived substances (VSLS) are poorly constrained. However, their inclusion in global models is required to simulate a realistic inorganic bromine (Bry) loading in both the troposphere, where bromine chemistry perturbs global oxidizing capacity, and in the stratosphere, where it is a major sink for ozone (O3). We have performed simulations using a 3-D chemical transport model (CTM) including three top-down and a single bottom-up derived emission inventory of the major brominated VSLS bromoform (CHBr3) and dibromomethane (CH2Br2). We perform the first concerted evaluation of these inventories, comparing both the magnitude and spatial distribution of emissions. For a quantitative evaluation of each inventory, model output is compared with independent long-term observations at National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ground-based stations and with aircraft observations made during the NSF HIAPER Pole-to-Pole Observations (HIPPO) project. For CHBr3, the mean absolute deviation between model and surface observation ranges from 0.22 (38%) to 0.78 (115%) parts per trillion (ppt) in the tropics, depending on emission inventory. For CH2Br2, the range is 0.17 (24%) to 1.25 (167%) ppt. We also use aircraft observations made during the 2011 "Stratospheric Ozone: Halogen Impacts in a Varying Atmosphere" (SHIVA) campaign, in the tropical West Pacific. Here, the performance of the various inventories also varies significantly, but overall the CTM is able to reproduce observed CHBr3 well in the free troposphere using an inventory based on observed sea-to-air fluxes. Finally, we identify the range of uncertainty associated with these VSLS emission inventories on stratospheric bromine loading due to VSLS (BryVSLS). Our simulations show BryVSLS ranges from ~ 4.0 to 8.0 ppt depending on the inventory. We report an optimised estimate at the lower end of this range (~ 4 ppt) based on combining the CHBr3 and CH2Br2 inventories which give best agreement with the compilation of observations in the tropics.
Emissions of halogenated very short-lived substances (VSLS) are poorly constrained. However, their inclusion in global models is required to simulate a realistic inorganic bromine (Bry) loading in both the troposphere, where bromine chemistry perturbs global oxidising capacity, and in the stratosphere, where it is a major sink for ozone (O3). We have performed simulations using a 3-D chemical transport model (CTM) including three top-down and a single bottom-up derived emission inventory of the major brominated VSLS bromoform (CHBr3) and dibromomethane (CH2Br2). We perform the first concerted evaluation of these inventories, comparing both the magnitude and spatial distribution of emissions. For a quantitative evaluation of each inventory, model output is compared with independent long-term observations at National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ground-based stations and with aircraft observations made during the NSF (National Science Foundation) HIAPER Pole-to-Pole Observations (HIPPO) project. For CHBr3, the mean absolute deviation between model and surface observation ranges from 0.22 (38%) to 0.78 (115%) parts per trillion (ppt) in the tropics, depending on emission inventory. For CH2Br2, the range is 0.17 (24%) to 1.25 (167%) ppt. We also use aircraft observations made during the 2011 Stratospheric Ozone: Halogen Impacts in a Varying Atmosphere (SHIVA) campaign, in the tropical western Pacific. Here, the performance of the various inventories also varies significantly, but overall the CTM is able to reproduce observed CHBr3 well in the free troposphere using an inventory based on observed sea-to-air fluxes. Finally, we identify the range of uncertainty associated with these VSLS emission inventories on stratospheric bromine loading due to VSLS (BryVSLS). Our simulations show BryVSLS ranges from ~4.0 to 8.0 ppt depending on the inventory. We report an optimised estimate at the lower end of this range (~4 ppt) based on combining the CHBr3 and CH2Br2 inventories which give best agreement with the compilation of observations in the tropics.
Water is scarce in semi-arid and arid regions. Using alternative water sources (i.e. non-conventional water sources), such as municipal reuse water and harvested rain, contributes to using existing water resources more efficiently and productively. The aim of this study is to evaluate the two alternative water sources reuse water and harvested rain for the irrigation of small-holder agriculture from a system perspective. This helps decision and policy makers to have proper information about which system and technology to adopt under local conditions. For this, the evaluation included ecologic, societal, economic, institutional and political as well as technical aspects. For the evaluation, the study area in central-northern Namibia was chosen in the frame of the research and development project CuveWaters. The main methods used include a mathematical material flow analysis, the computation and modelling of crop requirements, a multi-criteria decision analysis using the Analytical Hierarchy Process (AHP) method and a financial cost-benefit analysis. From a systemic perspective, the proposed novel systems were compared to the exciting conventional infrastructure. The results showed that both water reuse and rainwater harvesting systems for the irrigation of small-holder horticulture offer numerous technological, ecologic, economic, societal, institutional and political benefits. Rainwater harvesting based gardens have a positive benefit-cost ratio under favorable conditions. Government programs could fund the infrastructure investment costs, while the micro-entrepreneur can assume a micro-credit to finance operation and maintenance costs. Installing sanitation in informal settlements and reusing municipal water for irrigation reduces the overall water demand of households and agriculture by 39%, compared to improving sanitation facilities in informal settlements without reusing the water for agriculture. Given that water is the limiting factor for crop fertigation, the generated nutrient-rich reuse water is sufficient to annually irrigate about 10 m2 to 13 m2 per sanitation user. Compared to crop nutrient requirements, there are too many nutrients in the reuse water. Thus when using nutrient-rich reuse water, no use of fertilizers and a careful salt management is necessary. When comparing this novel system with improved sanitation, advanced wastewater treatment and nutrient-rich water reuse to the conventional and to two adapted systems, results showed that the novel CuveWaters system is the best option for the given context in a semi-arid developing country. Therefore, the results of this study suggest a further roll-out of the novel CuveWaters system. The methodology developed and the results of this study demonstrated that taking sanitation users into consideration plays a major role for the planning of an integrated water reuse infrastructure because they are the determinant factor for the amount of available nutrient-rich reuse water. In addition, it could be shown that water reuse and rainwater harvesting systems for the irrigation of small-scale gardens provide a wide range of benefits and can be key to using scarce water resources more efficiently and to contributing to the Sustainable Development Goals.
Non-matrix-matched calibration of laser ablation ICPMS (trace/major) element data is a common quantification strategy. However, LA sampling is associated with downhole elemental fractionation, potentially causing inaccuracies if the magnitude of fractionation between the sample and reference material (RM) differs. Here, we estimate fractionation factors (FFs) for different elements (El) in a range of RMs relative to NIST SRM610/612 (FFEl/Ca-NIST) and evaluate element-specific corrections for downhole fractionation using these measured FFEl/Ca-NIST. Significantly different mean El/Ca values were observed before and after correction, particularly for the alkali elements (all RMs), and B, Fe, and Zn (some RMs), notably improving accuracy, especially for the alkali elements. In cases where this methodology does not result in an accuracy improvement, this may help identify underlying issues in reported/reference values for RMs, given that this phenomenon should be accounted for. Overall, we recommend considering routine assessment of FFs and applying a FF correction to enhance data quality.
We present an estimation of the uptake coefficient (γ) and yield of nitryl chloride (ClNO2) (f) for the heterogeneous processing of dinitrogen pentoxide (N2O5) using simultaneous measurements of particle and trace gas composition at a semi-rural, non-coastal, mountain site in the summer of 2011. The yield of ClNO2 varied between (0.035 ± 0.027) and (1.38 ± 0.60) with a campaign average of (0.49 ± 0.35). The large variability in f reflects the highly variable chloride content of particles at the site. Uptake coefficients were also highly variable with minimum, maximum and average γ values of 0.004, 0.11 and 0.028 ± 0.029, respectively, with no significant correlation with particle composition, but a weak dependence on relative humidity. The uptake coefficients obtained are compared to existing parameterizations based on laboratory datasets and with other values obtained by analysis of field data.
We present an estimation of the uptake coefficient (γ) and yield of nitryl chloride (ClNO2) (f) for the heterogeneous processing of dinitrogen pentoxide (N2O5) using simultaneous measurements of particle and trace gas composition at a semi-rural, non-coastal, mountain site in the summer of 2011. The yield of ClNO2 varied between (0.035 ± 0.027) and (1.38 ± 0.60) with a campaign average of (0.49 ± 0.35). The large variability in f reflects the highly variable chloride content of particles at the site. Uptake coefficients were also highly variable with minimum, maximum and average γ values of 0.004, 0.11 and 0.028 ± 0.029, respectively, with no significant correlation with particle composition, but a weak dependence on relative humidity. The uptake coefficients obtained are compared to existing parameterisations based on laboratory datasets and with other values obtained by analysis of field data.
In late 2013, a whole air flask collection programme was started at Taunus Observatory (TO) in central Germany. Being a rural site in close proximity to the Rhine–Main area, Taunus Observatory allows assessment of emissions from a densely populated region. Owing to its altitude of 825 m, the site also regularly experiences background conditions, especially when air masses approach from north-westerly directions. With a large footprint area mainly covering central Europe north of the Alps, halocarbon measurements at the site have the potential to improve the database for estimation of regional and total European halogenated greenhouse gas emissions. Flask samples are collected weekly for offline analysis using a GC/MS system simultaneously employing a quadrupole as well as a time-of-flight mass spectrometer. As background reference, additional samples are collected approximately once every 2 weeks at the Mace Head Atmospheric Research Station (MHD) when air masses approach from the site's clean air sector. Thus the time series at TO can be linked to the in situ AGAGE measurements and the NOAA flask sampling programme at MHD. An iterative baseline identification procedure separates polluted samples from baseline data. While there is good agreement of baseline mixing ratios between TO and MHD, with a larger variability of mixing ratios at the continental site, measurements at TO are regularly influenced by elevated halocarbon mixing ratios. Here, first time series are presented for CFC-11, CFC-12, HCFC-22, HFC-134a, HFC-227ea, HFC-245fa, and dichloromethane. While atmospheric mixing ratios of the chlorofluorocarbons (CFCs) decrease, they increase for the hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) and the hydrofluorocarbons (HFCs). Small unexpected differences between CFC-11 and CFC-12 are found with regard to frequency and relative enhancement of high mixing ratio events and seasonality, although production and use of both compounds are strictly regulated by the Montreal Protocol, and therefore a similar decrease in atmospheric mixing ratios should occur. Dichloromethane, a solvent about which recently concerns have been raised regarding its growing influence on stratospheric ozone depletion, does not show a significant trend with regard to both baseline mixing ratios and the occurrence of pollution events at Taunus Observatory for the time period covered, indicating stable emissions in the regions that influence the site. An analysis of trajectories from the Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) model reveals differences in halocarbon mixing ranges depending on air mass origin.
In late 2013, a whole air flask collection program started at the Taunus Observatory (TO) in central Germany. Being a rural site in close vicinity to the densely populated Rhein-Main area, Taunus Observatory allows to assess local and regional emissions. Owed to its altitude of 825 m, the site also regularly experiences background conditions, especially when air masses approach from north-westerly directions. With a large footprint area mainly covering central Europe north of the Alps, halocarbon measurements at the site have the potential to improve the data base for estimation of regional and total European halogenated greenhouse gas emissions. Flask samples are collected weekly for offline analysis using a GC-MS system employing a quadrupole as well as a time-of-flight mass spectrometer. As background reference, additional samples are collected approximately bi-weekly at the Mace Head Atmospheric Research Station (MHD) when air masses approach from the site’s clean air sector. Thus the TO time series can be linked to the in-situ AGAGE measurements and the NOAA flask sampling program at MHD. An iterative baseline identification procedure separates polluted samples from baseline data. While there is good agreement of baseline mixing ratios between TO and MHD, with a larger variability of mixing ratios at the continental site, measurements at TO are regularly influenced by elevated halocarbon mixing ratios. Here, first time series are presented for CFC-11, CFC-12, HCFC-22, HFC-134a, HFC-227ea, HFC-245fa, and dichloromethane. While atmospheric mixing ratios of the CFCs decrease, they increase for the HCFC and the HFCs. Small unexpected differences between CFC-11 and CFC-12 are found with regard to the occurrence of high mixing ratio events and seasonality, although production and use of both compounds are strictly regulated by the Montreal Protocol, and therefore a similar decrease of atmospheric mixing ratios should occur. Dichloromethane, a solvent about which recently concerns have risen regarding its growing influence on stratospheric ozone depletion, does not show a significant trend with regard to both, baseline mixing ratios and the occurrence of pollution events at Taunus Observatory for the time period covered, indicating stable emissions in the regions that influence the site. An analysis of HYSPLIT trajectories reveals differences in halocarbon mixing ranges depending on air mass origin.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zunächst ein Vorschlag für eine Direktive zur Anwendung von Monitored Natural Attenuation (MNA) an Grundwasserschadensfällen durch Mineralölprodukte unter Berücksichtigung der in Deutschland geltenden Vorgaben für eine konkrete technische Durchführung erarbeitet. Das darin enthaltene Untersuchungs- und Auswertungsprogramm zum Nachweis von Natural Attenuation (NA) berücksichtigt die gesetzlichen Regelungen des Bundes-Bodenschutzgesetzes (BBodSchG) und der BundesBodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV). Das entwickelte Untersuchungs- und Auswertungsprogramm wurde in einem weiteren Schritt an einer laufenden MNA-Maßnahme aus der Praxis überprüft. Hierfür wurde ein Kerosin-kontaminierter Teilbereich am Standort des ehemaligen Militärflughafens Wegberg-Wildenrath in Nordrhein-Westfalen ausgewählt. Im Grundwasser liegt eine Kontamination überwiegend aus aromatischen Kohlenwasserstoffen (BTEX und weitere alkylierte Aromaten) sowie MKW (H18) vor. Anhand des Praxisbeispiels wurde die generelle Verwendbarkeit von bereits im Rahmen der bisherigen Altlastenbearbeitung erhobenen Daten im Sinne des erarbeiteten Untersuchungsprogramms aufgezeigt. Hydrogeologische Untersuchungen belegten eine Abhängigkeit der Konzentration von Schadstoffen im Wasser von einem bis zu /- 1,7 m schwankenden Grundwasserstand, wodurch ein instationäres Fahnenverhalten vorlag. Aufbauend auf den Erkenntnissen der hydrogeologischen Erkundung und der Auswertung von hydrochemischen Daten wurden für den Standort zwei sich ergänzende konzeptionelle Modellvorstellungen (ein hydrochemisches Modell sowie ein hydrodynamisches Modell) bezüglich der Prozesse, die das Fahnenverhalten steuern, entwickelt. Beim hydrochemischen Modell erfolgt durch schwankende Grundwasserstände ein Recycling der Elektronenakzeptoren S042- und Fe3 für den Schadstoffabbau im herdnahen Bereich. Bei hohem Grundwasserstand werden reduzierte Eisenspezies als unlösliche Eisenmonosulfide ausgefällt. Bei niedrigem Grundwasserstand werden diese Eisenmonosulfide in Folge von Belüftung zu löslichen Fe3 /SO42-haltigen Mischkristallen oxidiert. Bei einem erneuten Anstieg des Grundwassers steht dieser Elektronenakzeptorpool für einen weiteren Schadstoffabbau zur Verfügung, was wiederum zur Ausfällung der reduzierten Eisenspezies führt. Beim hydrodynamischen Modell werden die beobachteten Konzentrationsänderungen im Grundwasser hauptsächlich durch Schadstoff-Phasenübergänge und der Größe der dabei zur Verfügung stehenden Grenzflächen hervorgerufen. Der Austausch von Schadstoffen aus der NAPL (non-aqueous phase liquids)-Phase in die Bodenluft bei niedrigen Grundwasserständen ist erheblich größer im Vergleich zum Austausch der NAPL-Phase in die (Grund)wasserphase bei hohen Grundwasserständen. Daraus resultieren höhere Schadstoffgehalte im Schadenszentrum bei niedrigen Grundwasserständen und geringere Gehalte bei hohen Grundwasserständen. Eine wichtige Erkenntnis dieser Arbeit war die Herausarbeitung der Art des Einflusses schwankender Grundwasserstände auf die Fahnendynamik. Anhand der Untersuchung auf aromatische Säuren (Metabolite), die im (my)g/l-Bereich nachzuweisen waren, konnte der direkte Beweis für einen aktiven Bioabbau am Standort erbracht werden. Durch einen Vergleich des Aromatenspektrums mit dem vorgefundenen Metabolitenspektrum wurden Aussagen zum Abbauverhalten von einzelnen aromatischen Schadstoffgruppen ermöglicht. Die Abbauprognose ist aufgrund des instationären Fahnenverhaltens mit größeren Unsicherheiten behaftet. Attenuations- bzw. Abbauraten zwischen 0,0003 * 1/d und 0,001 * 1/d wurden anhand von zwei unterschiedlichen Verfahren ermittelt.
Nach dem Reaktorunfall in Fukushima im März 2011 und dem darauf folgendem Beschluss in Deutschland, den Atomausstieg zu vollziehen, wird dort – sowohl auf nationaler, als auch auf regionaler Ebene – über eine alternative Energieversorgung diskutiert. Für die vorliegende Arbeit stellten sich die Fragen, wie die energiepolitische Ausgangssituation in Hessen aussieht und welche Potenziale erneuerbarer Energien in Hessen vorhanden sind. Mit einer Politikfeldanalyse wurde untersucht, welche Akteure am Ausbau erneuerbarer Energien beteiligt sind, wie diese interagieren, welche Instrumente zur Förderung erneuerbarer Energien in Hessen existieren und welche Erfolgsbedingungen und Restriktionen sich daraus ergeben. Ferner wurde anhand der jeweiligen Energiekonzepte die Frage verfolgt, welche Zukunftspotenziale für erneuerbare Energien die relevanten Akteure sehen und welche energiepolitischen Maßnahmen getroffen werden müssen, um den Ausbau zu forcieren. Bei einem Vergleich des Bundeslandes Hessen mit den Ländern Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen und Sachsen-Anhalt wurde festgestellt, welche energiepolitischen Maßnahmen in diesen Bundesländern erfolgreich waren und auf Hessen übertragbar sind. Einerseits wurde aufgezeigt, dass Bemühungen den Ausbau erneuerbarer Energien zu forcieren erkennbar sind. Anderseits konnten ebenso die restriktiven Rahmenbedingungen dargestellt werden, die einen durchschlagenden Erfolg des Ausbaus erneuerbarer Energien bisher behindern. Die Untersuchung der Energiekonzepte hat ergeben, dass die Akteure die Zukunftspotenziale erneuerbarer Energien sehr unterschiedlich sehen und gewichten – sowohl was das zeitliche Ausbauziel als auch die Potenziale der jeweiligen erneuerbaren Energieträger betrifft.
Als erste Ergebnisse der derzeit laufenden paläomagnetischen Untersuchungen im Rhein-Main-Gebiet werden die Befunde von einigen stratigraphisch bedeutenden Profilen mitgeteilt. Während die Remanenzwerte aus altpleistozänen Tonen der Kelsterbacher Terrasse mit einer Ausnahme revers sind, konnte im Autobahneinschnitt Abenheim (NW Worms) und im Lößprofil der Ziegeleigrube Bad Soden am Taunus der Ubergang von reverser zu normaler Magnetisierung gefunden werden. Die Grenze zwischen MATUYAMA- und BRUNHES-Epoche liegt im Profil Bad Soden unter dem 6., das Jaramillo-Event unter dem 7. fossilen Bt-Horizont.
Die über dem letztinterglazialen Boden (Parabraunerde bzw. pseudovergleyte Parabraunerde) folgenden würmzeitlichen äolischen Sedimente können durch kennzeichnende Bodenhorizonte in 3 Abschnitte (Alt-, Mittel- und Jungwürm) gegliedert werden. Charakteristisch für das Altwürm sind Humuszonen, für das Mittelwürm neben einigen „Naßböden" braune Verlehmungszonen bis zu einer Mächtigkeit von 1,1 m und für das Jungwürm mehrere schwach ausgebildete, geringmächtige Verbraunungszonen und „Naßböden". Den wichtigsten Leithorizont des Jungwürms bildet das Kärlicher Tuffbändchen, das in jüngster Zeit auch in Nordhessen aufgefunden wurde. Abschließend wird das in Hessen aufgestellte Gliederungsschema mit den Würmlöß-Gliederungen in anderen Teilen Europas verglichen und eine Parallelisierung versucht.
The Arctic Svalbard Archipelago hosts the world’s northernmost cold-water ‘carbonate factories’ thriving here despite of presumably unfavourable environmental conditions and extreme seasonality. Two contrasting sites of intense biogenic carbonate production, the rhodolith beds in Mosselbukta in the north of the archipelago and the barnacle-mollusc dominated carbonate sediments accumulating in the strong hydrodynamic regime of the Bjørnøy-Banken south of Spitsbergen, were the targets of the RV Maria S. Merian cruise 55 in June 2016. By integrating data from physical oceanography, marine biology, and marine geology, the present contribution characterises the environmental setting and biosedimentary dynamics of these two polar carbonate factories. Repetitive CTD profiling in concert with autonomous temperature/salinity loggers on a long-term settlement platform identified spatiotemporal patterns in the involved Atlantic and Polar water masses, whereas short-term deployments of a lander revealed fluctuations of environmental variables in the rhodolith beds in Mosselbukta and at same depth (46 m) at Bjørnøy-Banken. At both sites, dissolved inorganic nutrients in the water column were found depleted (except for elevated ammonium concentrations) and show an overall increase in concentration and N:P ratios toward deeper waters. This indicates that a recycling system was fuelling primary production after the phytoplankton spring bloom at the time of sampling in June 2016. Accordingly, oxygen levels were found elevated and carbon dioxide concentrations (pCO2) markedly reduced, on average only half the expected equilibrium values. Backed up by seawater stable carbon and oxygen isotope signatures, this is interpreted as an effect of limited air-sea gas exchange during seasonal ice cover in combination with a boost in community photosynthesis during the spring phytoplankton bloom. The observed trends are enhanced by the onset of rhodophyte photosynthesis in the rhodolith beds during the polar day upon retreat of sea-ice. Potential adverse effects of ocean acidification on the local calcifier community are thus predicted to be seasonally buffered by the marked drop in pCO2 during the phase of sea-ice cover and spring phyto-plankton bloom, but this effect will diminish should the seasonal sea-ice formation continue to decline. Among the 25 macrobenthos taxa identified from images captured by the lander’s camera system, all but three species were calcifiers contributing to the carbonate production. Biodiversity was found to be much higher in Mosselbukta (21 taxa) compared to Bjørnøy-Banken (8 taxa), which is considered as a result of enhanced habitat diversity provided in the rhodolith beds by the bioengineering crustose alga Lithothamnion glaciale. Filter-feeding activity of selected key species did reveal group-specific but no common activity patterns. Biotic disturbance of the filtering activity was common, in contrast to abiotic factors, with hermit crabs representing the primary trigger. Motion tracking of rhodoliths revealed a high frequency of dislocation, triggered not by abiotic factors but by the activity of benthic invertebrates, in particular echinoids ploughing below or moving over the rhodoliths. The echinoid Strongylocentrotus sp. is the most abundant component of the associated fauna, thereby considerably contributing both to carbonate production and to grazing bioerosion. Together, these results portray a high degree of seasonal as well as short-term dynamics in environmental conditions that despite many similarities support distinctly different communities and biodiversity patterns in the calcifying macrobenthos at the two studied polar carbonate factories.
From July 2002 to March 2004 the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) aboard the European Space Agency´s Environmental Satellite (Envisat) measured nearly continuously mid infrared limb radiance spectra. These measurements are utilised to retrieve the global distribution of the chlorofluorocarbon CFC-11 by applying a new fast forward model for Envisat MIPAS and an accompanying optimal estimation retrieval processor. A detailed analysis shows that the total retrieval errors of the individual CFC-11 volume mixing ratios are typically below 10% in the altitude range 10 to 25 km and that the systematic components dominate. Contribution of a priori information to the retrieval results are less than 5 to 10% and the vertical resolution of the observations is about 3 to 4 km in the same vertical range. The data are successfully validated by comparison with several other space experiments, an air-borne in-situ instrument, measurements from ground-based networks, and independent Envisat MIPAS analyses. The retrieval results from 425 000 Envisat MIPAS limb scans are compiled to provide a new climatological data set of CFC-11. The climatology shows significantly lower CFC-11 abundances in the lower stratosphere compared with the Reference Atmospheres for MIPAS (RAMstan V3.1) climatology. Depending on the atmospheric conditions the differences between the climatologies are up to 30 to 110 ppt (45 to 150%) at 19 to 27 km altitude. Additionally, time series of CFC-11 mean abundance and variability for five latitudinal bands are presented. The observed CFC-11 distributions can be explained by the residual mean circulation and large-scale eddy-transports in the upper troposphere and lower stratosphere. The new CFC-11 data set is well suited for further scientific studies.
Forests are important components of the greenhouse gas balance of Europe. There is considerable uncertainty about how predicted changes to climate and nitrogen deposition will perturb the carbon and nitrogen cycles of European forests and thereby alter forest growth, carbon sequestration and N2O emission. The present study aimed to quantify the carbon and nitrogen balance, including the exchange of greenhouse gases, of European forests over the period 2010–2030, with a particular emphasis on the spatial variability of change. The analysis was carried out for two tree species: European beech and Scots pine. For this purpose, four different dynamic models were used: BASFOR, DailyDayCent, INTEGRATOR and Landscape-DNDC. These models span a range from semi-empirical to complex mechanistic. Comparison of these models allowed assessment of the extent to which model predictions depended on differences in model inputs and structure. We found a European average carbon sink of 0.160 ± 0.020 kgC m−2 yr−1 (pine) and 0.138 ± 0.062 kgC m−2 yr−1 (beech) and N2O source of 0.285 ± 0.125 kgN ha−1 yr−1 (pine) and 0.575 ± 0.105 kgN ha−1 yr−1 (beech). The European average greenhouse gas potential of the carbon source was 18 (pine) and 8 (beech) times that of the N2O source. Carbon sequestration was larger in the trees than in the soil. Carbon sequestration and forest growth were largest in central Europe and lowest in northern Sweden and Finland, N. Poland and S. Spain. No single driver was found to dominate change across Europe. Forests were found to be most sensitive to change in environmental drivers where the drivers were limiting growth, where changes were particularly large or where changes acted in concert. The models disagreed as to which environmental changes were most significant for the geographical variation in forest growth and as to which tree species showed the largest rate of carbon sequestration. Pine and beech forests were found to have differing sensitivities to environmental change, in particular the response to changes in nitrogen and precipitation, with beech forest more vulnerable to drought. There was considerable uncertainty about the geographical location of N2O emissions. Two of the models BASFOR and LandscapeDNDC had largest emissions in central Europe where nitrogen deposition and soil nitrogen were largest whereas the two other models identified different regions with large N2O emission. N2O emissions were found to be larger from beech than pine forests and were found to be particularly sensitive to forest growth.
Environmental change impacts on the C- and N-cycle of European forests: a model comparison study
(2013)
Forests are important components of the greenhouse gas balance of Europe. There is considerable uncertainty about how predicted changes to climate and nitrogen deposition will perturb the carbon and nitrogen cycles of European forests and thereby alter forest growth, carbon sequestration and N2O emission. The present study aimed to quantify the carbon and nitrogen balance, including the exchange of greenhouse gases, of European forests over the period 2010–2030, with a particular emphasis on the spatial variability of change. The analysis was carried out for two tree species: European beech and Scots pine. For this purpose, four different dynamic models were used: BASFOR, DailyDayCent, INTEGRATOR and Landscape-DNDC. These models span a range from semi-empirical to complex mechanistic. Comparison of these models allowed assessment of the extent to which model predictions depended on differences in model inputs and structure. We found a European average carbon sink of 0.160 ± 0.020 kgC m−2 yr−1 (pine) and 0.138 ± 0.062 kgC m−2 yr−1 (beech) and N2O source of 0.285 ± 0.125 kgN ha−1 yr−1 (pine) and 0.575 ± 0.105 kgN ha−1 yr−1 (beech). The European average greenhouse gas potential of the carbon sink was 18 (pine) and 8 (beech) times that of the N2O source. Carbon sequestration was larger in the trees than in the soil. Carbon sequestration and forest growth were largest in central Europe and lowest in northern Sweden and Finland, N. Poland and S. Spain. No single driver was found to dominate change across Europe. Forests were found to be most sensitive to change in environmental drivers where the drivers were limiting growth, where changes were particularly large or where changes acted in concert. The models disagreed as to which environmental changes were most significant for the geographical variation in forest growth and as to which tree species showed the largest rate of carbon sequestration. Pine and beech forests were found to have differing sensitivities to environmental change, in particular the response to changes in nitrogen and precipitation, with beech forest more vulnerable to drought. There was considerable uncertainty about the geographical location of N2O emissions. Two of the models BASFOR and LandscapeDNDC had largest emissions in central Europe where nitrogen deposition and soil nitrogen were largest, whereas the two other models identified different regions with large N2O emission. N2O emissions were found to be larger from beech than pine forests and were found to be particularly sensitive to forest growth.
Here we present a comprehensive attempt to correlate aragonitic Na∕Ca ratios from Desmophyllum pertusum (formerly known as Lophelia pertusa), Madrepora oculata and a caryophylliid cold-water coral (CWC) species with different seawater parameters such as temperature, salinity and pH. Living CWC specimens were collected from 16 different locations and analyzed for their Na∕Ca ratios using solution-based inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES) measurements.
The results reveal no apparent correlation with salinity (30.1–40.57 g kg−1) but a significant inverse correlation with temperature (−0.31±0.04 mmolmol−1∘C−1). Other marine aragonitic organisms such as Mytilus edulis (inner aragonitic shell portion) and Porites sp. exhibit similar results highlighting the consistency of the calculated CWC regressions. Corresponding Na∕Mg ratios show a similar temperature sensitivity to Na∕Ca ratios, but the combination of two ratios appears to reduce the impact of vital effects and domain-dependent geochemical variation. The high degree of scatter and elemental heterogeneities between the different skeletal features in both Na∕Ca and Na∕Mg, however, limit the use of these ratios as a proxy and/or make a high number of samples necessary. Additionally, we explore two models to explain the observed temperature sensitivity of Na∕Ca ratios for an open and semi-enclosed calcifying space based on temperature-sensitive Na- and Ca-pumping enzymes and transport proteins that change the composition of the calcifying fluid and consequently the skeletal Na∕Ca ratio.
Here we present a comprehensive attempt to correlate aragonitic Na / Ca ratios from Lophelia pertusa, Madrepora oculata and a caryophylliid cold-water coral (CWC) species with different seawater parameters such as temperature, salinity and pH. Living CWC specimens were collected from 16 different locations and analyzed for their Na / Ca content using solution-based inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES) measurements. The results reveal no apparent correlation with salinity (30.1–40.57 g/kg) but a significant inverse correlation with temperature (−0.31 mmol/mol/°C). Other marine aragonitic organisms such as Mytilus edulis (inner aragonitic shell portion) and Porites sp. exhibit similar results highlighting the consistency of the calculated CWC regressions. Corresponding Na / Mg ratios show a similar temperature sensitivity to Na / Ca ratios, but the combination of two ratios appear to reduce the impact of vital effects and domain-dependent geochemical variation. The high degree of scatter and elemental heterogeneities between the different skeletal features in both Na / Ca and Na / Mg however limit the use of these ratios as a proxy and/or make a high number of samples necessary. Additionally, we explore two models to explain the observed temperature sensitivity of Na / Ca ratios for an open and semi-enclosed calcifying space based on temperature sensitive Na and Ca pumping enzymes and transport proteins that change the composition of the calcifying fluid and consequently the skeletal Na / Ca ratio.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von regionalen Klimasimulationen für die Region Ostasien. Hierfür werden zwei verschiedene Modellierungsansätze verwendet. Der dynamische Regionalmodellierungsansatz, vertreten durch COSMO CLM (CCLM), und der statistische Modellierungsansatz, vertreten durch STARS. Die Simulationen erfolgten unter den Rahmenbedingungen des Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX). Beide Regionalmodelle wurden im Rahmen dieser Arbeit umfassend für die Region CORDEX-Ostasien kalibriert und evaluiert. Das statistische Modell STARS wurde hierbei erstmals auf kontinentaler Ebene angewendet. Auf Basis der kalibrierten Modelle wurden Projektionen der zukünftigen klimatischen Entwicklung der Region durchgeführt.
Zur Auswertung der einzelnen Kalibrierungsläufe wurde ein komplexes Evaluierungsschema, mit einem Gütekennzahlensystem basierend auf einer linearisierten Form der relativen Modelldifferenz, entwickelt. Neben den etablierten univariaten statistischen Kennwerten (Mittelwert, Varianz, Trend) enthält das Gütekennzahlensystem auch ein bivariates statistisches Maß, welches die zweidimensionalen Stichprobenverteilungen zweier Variablen (beispielsweise Temperatur und Niederschlag) bewertet.
Im Rahmen der Kalibrierung konnte ein Großteil des Parameterraums des statistischen Modells STARS systematisch untersucht werden. Es zeigte sich, dass nur wenige Parameter einen Einfluss auf die Simulationen haben. Die meisten Parameter zeigten eine geringe und teilweise unsystematische Beeinflussung. Es konnte zudem eine Schwachstelle des Modells in Bezug auf die Variablenkorrelationen identifiziert werden. Bei der Kalibrierung des dynamischen Regionalmodells CCLM zeigte sich, dass aufgrund der groben horizontalen Auflösung des Modells eine signifikante Verbesserung der Simulationen durch eine Anpassung der physikalischen Parametrisierungen erfolgen kann.
Im Rahmen einer abschließenden Evaluierung wurden beide Modelle hinsichtlich ihres räumlichen Bias, des simulierten Jahresgangs und der Abbildung des asiatischen Monsunphänomens untersucht. Im ersten Punkt ergab sich kein qualitativer Unterschied zwischen CCLM und STARS. Beide Modelle zeigen eine deutliche Überschätzung der 2m-Temperatur im Winter über dem nördlichen Teil CORDEX-Ostasiens und eine Überschätzung des Luftdrucks über dem Hochland von Tibet im Sommer. Unterschiede zwischen beiden Modellen ergaben sich hingegen beim simulierten Jahresgang.
In Bezug auf die Modellierung des Monsunphänomens zeigt CCLM eine Unterschätzung der Intensität des indischen Sommermonsuns und eine Überschätzung des Sommermonsuns über dem westlichen Nordpazifik. Das statistische Modell STARS zeigte eine Auffälligkeit bei der Simulation des Jahresgangs sowie der räumlichen und zeitlichen Entwicklung des Sommermonsuns. Aufgrund der Konzeption des Modells ergab sich in einzelnen Regionen eine systematische Deformation des Jahresgangs. Trotz der identifizierten Schwachstellen von CCLM und STARS, bilden beide Modelle das Klima über der Region CORDEX-Ostasien qualitativ ähnlich gut ab wie aktuelle Reanalysen (ERA-Interim).
Auf Basis der kalibrierten und evaluierten Modelle wurden Klimaprojektionen für einen nahen (2020-2046), mittleren (2041-2070), und späten (2071-2100) Projektionszeitraum unter den Emissionsszenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 durchgeführt. Aufgrund von Modellbeschränkungen begrenzen sich die Rechnungen des Modells STARS auf den nahen Projektionszeitraum und die Emissionsszenarien RCP2.6 und RCP4.5. Die Projektionen beider Modelle zeigen eine deutliche und statistisch signifikante Erhöhung der 2m-Temperatur über der gesamten Region mit einer stärkeren Erwärmung über dem Kontinent gegenüber dem Meer. Aufgrund der relativ großen interannulären Variabilität des Niederschlags und des Luftdrucks werden statistisch nicht signifikante Änderungssignale und teils widersprüchliche Änderungen für den nahen Projektionszeitraum simuliert. Für den späten Projektionszeitraum ergeben sich jedoch deutliche Änderungssignale in den Simulationen des Modells CCLM. Insbesondere über dem Hochland von Tibet wird für den Zeitraum von 2071-2100 eine Temperaturerhöhung von über 7.0°C simuliert. Der Luftdruck und der Niederschlag zeigen räumlich heterogene Änderungssignale. Die spezifische Ausprägung der Luftdruckänderungen deutet auf eine Abschwächung der indischen Sommermonsunzirkulation und eine deutlichen Intensivierung des Sommermonsun über dem westlichen Nordpazifik hin. Die Niederschlagsänderungen über dem ostasiatischen Monsungebiet lassen auf eine Entkopplung der östlichen Monsunsysteme schließen. Trotz der heterogenen Änderungssignale im Niederschlag wird in den meisten Regionen eine Zunahme der Intensität von Extremniederschlägen simuliert. Dies gilt selbst für Regionen mit einer simulierten Abnahme der jährlichen Niederschlagssumme wie Westindonesien.
Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum besseren Verständnis des stratosphärischen Transports. Dieser ist ein wichtiger Parameter im komplexen gekoppelten System der Stratosphäre, das neben dem Transport vor allem von Chemie und Strahlungshaushalt geprägt wird. Neben verschiedenen Modelliertechniken bietet die Messung langlebiger Spurengase das effektivste Werkzeug für Untersuchungen von stratosphärischen Transportprozessen. Daher wurde am Institut für Meteorologie und Geophysik an der Universität Frankfurt ein Instrument zur in-situ-Messung von Spurengasen entwickelt, das sowohl an Stratosphärenballonen als auch auf dem russischen Höhenforschungsflugzeug M-55 "Geophysica" Echtzeitmessungen von Spurengasmischungsverhältnissen durchführen kann. Der "High Altitude Gas Analy- ser" (HAGAR) ist in der Lage, mit einem Zwei-Kanal-Gaschromatographen die Mischungsverhältnisse von N 2 O, F12, F11 und Halon-1211 mit einer Zeitauflösung von 90 s und das von SF 6 alle 45 s zu bestimmen. Ein an die speziellen Gegebenheiten von Stratosphärenmessungen angepasster CO 2 -Sensor der Firma LI-COR erreicht eine Zeitauflösung von ca. 10 s. Im Rahmen dieser Arbeit wurden entscheidende Beiträge zur Entwicklung von HAGAR geleistet. Für die Steuerung des Instruments auf Basis eines Industrie-PCs wurde ein umfangreiches Softwarepaket entwickelt, das die zuverlässige vollautomatische Steuerung des Instruments, sowie eine komfortable Konfigurationsmöglichkeit bietet. Nach einem ersten Ballontestflug am 13.5.1998 wurde das Instrument vollständig neu aufgebaut, um einen Sensor zur Messung von CO 2 zu integrieren. Des Weiteren wurden eine Reihe von Verbesserungen und Anpassungen durchgeführt, die für den Betrieb an Bord der Geophysica notwendig waren. Im Zeitraum von Dezember 1998 bis Oktober 1999 nahm HAGAR an drei Messkampagnen teil. Im Rahmen von APE-ETC ("Airborne Platform for Earth Observation - Extensive Test Campaign") wurde das Instrument erstmals an Bord der Geophysica montiert und eingesetzt. Trotz einer Reihe von kleineren Schwierigkeiten erwies sich das HAGAR-Konzept als gut ge- eignet für den Einsatz an Bord eines Höhenforschungsflugzeugs. So konnten zumindest während drei von sechs Testflügen Daten aufgezeichnet werden. Im Februar/März 1999 war HAGAR Teil der Geophysica-Nutzlast während der Messkampagne APE-THESEO ("Airborne Platform for Earth Observation - The Contribution to the Third European Stratospheric Experiment on Ozone"), die Mahè/Seychellen als Basis nutzte. HAGAR konnte hier während ca. 30 Flugstunden Daten aufnehmen. Dabei konnte ein umfangreicher Datensatz vor allem im Bereich der tropischen Tropopausenregion gewonnen werden. Die Tropen sind von besonderer Bedeutung für den stratosphärischen Transport, unter anderem da hier der Haupteintrag von troposphärischer Luft in die Stratosphäre stattfindet. Der Untersuchung des antarktischen Polarwirbels in der Phase des maximalen Ozonabbaus war die Messkampagne APE-GAIA ("Airborne Polar Experiment - Geophysica Aircraft in Antarctica") gewidmet, die im September und Oktober in Ushuaia/Argentinien stattfand. Als südlichste Stadt der Erde bietet Ushuaia die beste geographische Lage, um den stratosphärischen Polarwirbel mittels Flugzeugmessungen zu untersuchen. HAGAR arbeitete zuverlässig während aller wissenschaftlichen Flüge und einem Testflug in Ushuaia. Zusätzlich konnte während sechs Transferflugetappen zwischen Sevilla und Ushuaia zumindest für einen Teil der Substanzen Daten aufgezeichnet werden. Insgesamt liegen für etwa 60 Flugstunden Daten vor, darunter auch erstmals ein hochaufgelöstes Vertikalprofil im Polarwirbel, dass von über 20 km Höhe bis hinunter zur Tropopausenregion reicht. Für ein neu entwickeltes Messinstrument wie HAGAR ist eine Validierung der Daten sehr wichtig. Da eine direkte Validierung durch parallele Messungen nicht möglich war, musste auf ältere, vergleichbare Datensätze zurückgegriffen werden, die anhand des troposphärischen Trends korrigiert wurden. Als Vergleich dienten Datensätze der in-situ-Gaschromatographen GhOST und ACATS, der kryogenen Luftprobensammler und des CO 2 -Instrumentes der Harvard University. Dabei zeigte sich stets eine gute bis sehr gute quantitative Übereinstimmung der Daten. Auch die Präzision der Messungen, die bereits endgültig ausgewertet wurden, sind sehr zufriedenstellend und zumindest vergleichbar mit denen von "etablierten" Instrumenten. So war die Präzision für N 2 O, F12 und F11 zumeist deutlich besser als 1 %. Für CO 2 konnte die Präzision für APE-GAIA auf 0,15 ppm bzw. 0,05 % verbessert werden. Die Präzision der vorläufigen Daten von Halon-1211 und SF 6 beträgt bisher etwa 5 %. Der im Jahre 1999 von HAGAR aufgenommene Datensatz bietet umfangreiche Möglichkeiten zur wissenschaftlichen Analyse. Nur exemplarisch sind daher die Punkte zu sehen, die in dieser Arbeit diskutiert werden. Das mittlere Alter der Luft kann als die Zeit beschrieben werden, die die Bestandteile eines Luftpakets im Mittel benötigten, um von der tropischen Tropopausenregion an seine aktuelle Position in der Stratosphäre zu gelangen. Zur Bestimmung des mittleren Alters der Luft werden Messungen von Spurengasen verwendet, die in der Stratosphäre konservativ sind und deren troposphärisches Hintergrundmischungsverhältnis einen zeitlich linear ansteigenden Trend aufweist ("Alterstracer"). HAGAR ist in der Lage, die Mischungsverhältnisse der beiden gebräuchlichsten Alterstracer CO 2 und SF 6 zu messen. Das Alterskonzept bietet eine einfach zu bestimmende Kenngröße für den stratosphärischen Transport, die im Gegensatz zu Mischungsverhältnissen direkt mit Messungen, die zu anderen Zeitpunkten gewonnen wurden, vergleichbar ist. Es konnte gezeigt werden, dass die erreichbare Genauigkeit der Altersbestimmung nicht von der Messgenauigkeit von CO 2 und SF 6 limitiert ist, sondern von der Abweichung der troposphärischen Trends vom (zeitlich linear ansteigenden) Ideal. Insbesondere im Fall von CO 2 wird dies deutlich, wobei die von HAGAR erreichte Messgenauigkeit für eine maximale Unsicherheit in der Altersbestimmung von ca. zwei Monaten ausreichen würde. Neben den saisonalen Schwankungen, die in mittleren Breiten ab ca. 16 km Höhe keine Rolle mehr spielen, sorgen vor allem die jährlichen Schwankungen dafür, dass die Altersbestimmung mit CO 2 momentan kaum besser als mit einem Fehler von etwa 0,7 Jahren durchgeführt werden kann. In den Tropen kann die Messung des CO 2 -Mischungsverhältnisses nicht direkt zur Altersbestimmung herangezogen werden. Durch die starke Vertikalbewegung in den Tropen kann das saisonale CO 2 -Signal im Vertikalprofil beobachtet werden. HAGAR konnte solche Profile während zweier Jahreszeiten (Februar/März bzw. Mitte September) aufzeichnen. Die Tropen sind in der Stratosphäre durch sogenannte Mischbarrieren für den horizontalen Transport gegenüber den mittleren Breiten abgegrenzt. Dies zeigt sich unter anderem in veränderten Tracer-Tracer-Korrelationen. Gealterte Luft aus den mittleren Breiten, die groÿteils bereits einmal die groÿräumige Brewer-Dobson-Zirkulation durchlaufen hat, wird jedoch zu einem geringen Maße erneut in den Bereich der tropischen Aufwärtsströmung eingemischt. Für die Gesamtverweilzeit von langlebigen Spurengasen in der Stratosphäre ist diese Einmischung von besonderer Bedeutung. Während nahezu aller Flüge von APE-THESEO (1° N - 19° S) ergaben die HAGAR- Daten eine kompakte F11-N 2 O-Korrelation; beim letzten Flug, der nur bis 15° S führte, ergaben sich jedoch Datenpunkte, die eher zu einer Korrelation passen, die aus mittleren Breiten bekannt ist. Es ist noch im Detail zu klären, ob hier möglicherweise direkt ein Einmischungsereignis beobachtet wurde. Auch der Polarwirbel ist im Winter von einer effektiven Transportbarriere umgeben. Hier ist eine wichtige Frage, inwieweit Luft aus dem Wirbel in die mittleren Breiten vordringen und dort die chemische Zusammensetzung der Stratosphäre verändern kann. Dieser Luftmassenaustausch findet häufig in Form von sogenannten Filamenten statt, Luftmassen also, die vom Wirbel abgetrennt wurden und sich nun immer länger gezogen vom Wirbelrand wegbewegen. Hochaufgelöste Tracermessungen, wie sie mit HAGAR durch- geführt werden, stellen eine ideales Werkzeug zur Untersuchung und Charakterisierung solcher Abläufe dar. So konnten zahlreiche Strukturen innerhalb und außerhalb des Wirbels untersucht werden, deren Tracermischungsverhältnis darauf hinwies, dass sie jeweils von der anderen Seite des Wirbelrandes stammten. Dabei konnten keine signifikanten Strukturen beobachtet werden, die eine geringere horizontale Ausdehnung als 50 km hatten. Mit dem Ende der vorliegenden Arbeit ist weder die Entwicklung des Instrumentes noch die Interpretation des 1999 gewonnenen Datensatzes abgeschlossen. So ist neben einer neuen Datenerfassung für Temperaturen auch eine Erweiterung von Kanal 1 des Gaschromatographen in Planung. Neben SF 6 soll in Zukunft auch noch CH 4 mit einer Zeitauflösung von etwa 90 s gemessen werden. Zudem soll mit einer verbesserten Druckregelung für den Kessel die Präzision insbesondere der CO 2 -Messungen optimiert werden. Die Präzision der Daten von Halon-1211 sowie SF 6 sind mit 5 % bisher nicht zufriedenstellend. Grund hierfür ist letzlich die Tatsache, dass das Signal-Rausch-Verhältnis für diese beiden Substanzen aufgrund ihrer geringen Mischungsverhältnisse von nur einigen ppt in der Stratosphäre sehr schlecht ist. Aus diesem Grunde wurde eine neue Auswertemethode entwickelt und innerhalb des Softwarepakets zur Datenauswertung (NOAH-Chrom) realisiert. Bei dieser Methode werden die Peaks durch Gauß-Funktionen angenähert. Erste Tests verliefen vielversprechend, zeigen jedoch, dass der Einsatz der Methode noch eine Menge Detailarbeit erfordert. Aus diesem Grunde steht eine vollständige Auswertung des HAGAR-Datensatzes für diese beide Substanzen noch aus; die Methodik ist jedoch im Anhang erläutert. Die in dieser Arbeit dargestellten Analysen sollten als Wegweiser für weitere Untersuchungen und Diskussionen dienen können. So wird insbesondere die Diskussion um die Altersbestimmung wieder aufgenommen werden müssen, wenn sowohl endgültige SF 6 -Daten von HAGAR als auch neue Daten über den aktuellen troposphärischen Trend von SF 6 aus dem NOAA/CMDL- Netzwerk vorliegen. Einen weiteren Schwerpunkt wird die Untersuchung der Mischung über den Rand des Polarwirbels hinweg bilden, wobei sich insbesondere die Frage nach der Höhenabhängigkeit der Mischung stellt. Hier sind insbesondere auch Modellstudien möglich, denen mit den HAGAR-Daten eine weit präzisere und vor allem höher aufgelöste Eingangsdatenbasis zur Verfügung steht, als sie etwa aus Satellitendaten gewonnen werden kann. Von besonderem Interesse ist dabei ein Phänomen, das in den HAGAR-Daten, aber auch bereits in einem Datensatz der ER-2 von 1994 zu beobachten ist: So weicht die F11-N 2 O-Korrelation im Bereich des Polarwirbels für F11-Mischungsverhältnisse zwischen 40 ppb und 170 ppb nach unten von der normalen, aus mittleren Breiten bekannten Korrelation ab (vgl. Abbildung 7.5 auf Seite 142). Dies ist möglicherweise auf noch nicht vollständig verstandene Mischungsprozesse zurückzuführen. In jedem Falle ist damit zu rechnen, dass der im Jahre 1999 von HA-GAR an Bord der Geophysica aufgezeichnete umfangreiche Datensatz weitere Schritte hin zu einem differenzierteren Verständnis des stratosphärischen Transportes einleiten wird.
Aus mehreren Datenquellen wurde ein neuer globaler Niederschlagsdatensatz für die Zeit 1951-2000 generiert, der unter der Bedingung einer Mindestverfügbarkeit von 90 % genau 9.343 Stationen umfasst. Die betreffenden Zeitreihen wurden einer umfassenden Qualitätskontrolle unterzogen, was zu äußerst zahlreichen Korrekturen führte, einschließlich Tests auf Ausreißer und Homogenität sowie Homogenisierung. Daraus entstand ein Gitterpunktdatensatz in 0,5° x 0,5°- Auflösung, was für die Landgebiete (ausgenommen Grönland und Antarktis) rund 71.000 Gitterpunkte ergibt, und über INTERNET frei verfügbar bereitgestellt. Davon ausgehend und unter Nutzung weiterer vorliegender Datensätze, insbesondere der Temperatur, wurden zunächst einige grundlegende Untersuchungen zur globalen und regionalen Klima- und Niederschlagsvariabilität durchgeführt. Diese Arbeiten umfassten Analysen der Veränderungen des global gemittelten Niederschlages und potentieller Einflussgrößen, die Neuberechnung der globalen Klimaklassifikation nach Köppen, Untersuchungen zur raumzeitlichen Struktur von Niederschlagsänderungen global sowie speziell in Afrika und schließlich Analysen der raumzeitlichen Beziehungen zwischen großräumiger atmosphärischer Zirkulation und Niederschlag im nordatlantisch-europäischen Bereich. Für weitergehende statistische Analysen wurde eine neue Methode der vollständigen Zeitreihenmodellierung entwickelt, um die die in diesen Reihen enthaltenen signifikanten Variationskomponenten durch Regressionstechniken zu erfassen und in ihrem raumzeitlichen Verhalten darzustellen. Dabei lag ein Schwerpunkt dieser Arbeiten auf der Extremwertanalyse, die es nun gestattet, unabhängig vom Verteilungstyp für beliebige Schwellenwerte den zeitlichen Verlauf der Unter- sowie Überschreitungswahrscheinlichkeit anzugeben und somit zu erkennen, inwieweit das Klima extremer geworden ist. Dabei zeigte sich je nach Region die Gumbel- oder die Weibull-Verteilung als geeignet. Regionale Schwerpunkte waren dabei u.a. Deutschland bzw. Europa, auch hinsichtlich der Erstellung neuer Klimatrendkarten nach der üblichen linearen Methode (der kleinsten Quadrate) sowie der innovativen. Weiterhin wurden nach der innovativen Methode Klimamodelldaten des Hamburger Max-Planck-Instituts für Meteorologie (IPCC Szenario A2) hinsichtlich des Niederschlag-Extremverhaltens in Europa untersucht. Schließlich erfolgte eine Abschätzung der Wiederkehrzeiten täglicher Extremniederschläge in Deutschland und deren Unsicherheit.
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Integrierte Analyse von mobilen, organischen Fremdstoffen in Fließgewässern“ (INTAFERE) am Institut für Physische Geographie an der Goethe-Universität Frankfurt erstellt. In INTAFERE wurde das Gefährdungspotenzial von mobilen, organischen Fremdstoffen (MOF) für aquatische Ökosysteme und die natürlichen Wasserressourcen in integrierter und partizipativer Art und Weise untersucht. MOF sind chemische Substanzen, die in Alltagsprodukten enthalten sind und durch unterschiedliche Eintragsfade in unbekannten Mengen in Oberflächengewässer eingetragen werden. Problematisch sind aus Umweltgesichtspunkten ihre Eigenschaften: sie besitzen im Wasser eine hohe Mobilität und sind schwer abbaubar. Dies führt zu einer Persistenz über lange Zeiträume. Für einige dieser Substanzen wurde zudem gezeigt, dass sie in sehr geringen Konzentrationen biologisch aktiv sind und für aquatische Ökosysteme eine Gefahr darstellen. In INTAFERE wurden drei zentrale Ziele verfolgt: Charakterisierung des Problemfeldes MOF, Erzeugung von praxisrelevantem Wissen für das Management von MOF und Entwicklung einer Softwareanwendung, die gesellschaftliche Aushandlungsprozesse durch eine transparente Darstellung der Wirkungszusammenhänge im Problemfeld unterstützt. Um einen Beitrag für die Erfüllung der Ziele zu leisten, war es die Aufgabe der Verfasserin, eine Akteursanalyse und -modellierung durchzuführen sowie Zukunftsszenarien im Bereich der MOF zu entwickeln. Dafür existierte keine adäquate Methodik, daher verfolgt die Dissertation zum einen die Entwicklung einer Methodik und zum anderen deren Anwendung im Kontext des Projektes INTAFERE. Da im Forschungsprozess die Durchführung von Analysen, die wissenschaftliche und gesellschaftliche Sichtweise der Problematik sowie die Erarbeitung von praktischen Lösungen im Mittelpunkt standen, wurde eine transdisziplinäre Herangehensweise gewählt. Ziel war es, eine Methodik zu entwerfen, die sowohl eine Entwicklung von Szenarien als auch eine Modellierung von Handlungsentscheidungen umfasst. Eine Modellierung und Visualisierung von Handlungsentscheidungen ist notwendig, um Strategien für ein Umweltproblem für verschiedene Szenarien zu ermitteln, und damit einen Lernprozess der Stakeholder zu initiieren. Dies wurde mit der transdisziplinären Methode „Akteursbasierte Modellierung“ umgesetzt. Hierbei wurden insbesondere Aspekte der Problemwahrnehmung von Akteuren und deren Darstellung, der partizipativen Szenarienentwicklung sowie der semi-quantitativen Modellierung von Handlungsentscheidungen berücksichtigt. Die Verfasserin hat mit der semi-quantitativen akteursbasierten Modellierung eine Methode erarbeitet und getestet, die bisher unverbundene Komponenten (wie die Software Dynamic Actor Network Analysis (DANA) und die Szenarienentwicklung) zusammenführt. Um Handlungsentscheidungen unter verschiedenen Szenarien zu modellieren hat die Autorin eine sequentielle Modellierung entwickelt, die mit der Software DANA durchgeführt werden kann. Die dafür notwendige Weiterentwicklung von DANA wurde von Dr. Pieter Bots (TU Delft) umgesetzt. Die akteursbasierte Modellierung läuft in drei methodischen Schritten ab: 1. Modellierung von Akteurs-Sichtweisen in Form von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse, aufbauend auf Ergebnissen von qualitativen, leitfaden-gestützten Expertengesprächen (= Akteursmodellierung), 2. partizipative Szenarienentwicklung mit den Akteuren und 3. Zusammenführung der Ergebnisse der Akteursmodellierung und der Szenarienentwicklung und darauf aufbauend eine sequentielle Modellierung von Handlungsentscheidungen und deren Auswirkungen auf Schlüsselfaktoren. Im Zuge der Anwendung auf das Problemfeld der MOF wurde für folgende Akteure jeweils ein Wahrnehmungsgraph modelliert: Obere Wasserbehörde, Umweltbundesamt, Umwelt- und Verbraucherschutzorganisationen, Wasserversorger sowie für die Hersteller von verschiedenen MOF, weiterhin für die European Flame Retardants Association und die Weiterverarbeitende Industrie. Das Ergebnis der Szenarienentwicklung waren vier Szenarien: ein Gesundheitsszenario, unter der Annahme von hohen lokalen Umweltstandards durch nachhaltigkeitsorientierte KonsumentInnen, ein Umweltszenario, in dem eine starke Regulierung und nachhaltigkeitsorientierter Konsum Hand in Hand gehen, ein Globalisierungsszenario, in dem Wirtschaftsmacht und preisbewusste KonsumentInnen statt staatliche Regulierung vorherrschen und ein Technikszenario, unter der Annahme, dass Kläranlagen, bedingt durch eine starke Regulierung, aufgerüstet werden. Bei der Modellierung von Handlungsentscheidungen wurden die Wahrnehmungsgraphen und die vier Szenarien miteinander verknüpft. Pro Substanz wurde ein Modell entwickelt, welches die wichtigsten Systemkomponenten in einer angemessenen Komplexität umfasst und die von den Akteuren gemeinsam getragene Einschätzung der Wirkungsbeziehungen darstellt. Insgesamt wurden 16 Modelle entwickelt. Basierend auf den simulierten Akteurshandlungen wurden relativen Veränderungen der Schlüsselfaktoren Produktion, Import und Leistungsfähigkeit der Kläranlagen für die vier genannten Szenarien berechnet. In Zusammenarbeit mit Pieter Bots konnten algorithmische Beiträge zur Analyse- und Modellierungssoftware DANA getestet und verbessert werden. Da keine vollständige und zugleich leicht verständliche Einführung zu DANA vorlag, wurde für Nutzer im Rahmen dieser Dissertation eine Anleitung verfasst, die die Modellierung von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse sowie alle Schritte der akteursbasierten Modellierung mit DANA erläutert.
Die vorliegende Arbeit 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.
Aerosolteilchen agieren als Kondensationskeime für Wolkentröpfchen (engl. Cloud Condensation Nuclei, CCN) oder Eiskristalle und sind deswegen für die Wolken- und Niederschlagsbildung entscheidend. Sowohl die Aerosolpartikel als auch die Wolken können Sonnenlicht effizient streuen, wodurch ein kühlender Effekt auf das Klima ausgeübt wird. Einige der Teilchen, wie z. B. aufgewirbelter Staub oder Seesalz, werden direkt in die Atmosphäre injiziert; der größte Anteil der Teilchen und etwa die Hälfte der CCN werden allerdings durch die Kondensation gasförmiger Substanzen gebildet. Dieser Prozess wird als Nukleation oder Partikelneubildung (engl. New Particle Formation, NPF) bezeichnet. Trotz intensiver Forschung ist die NPF noch nicht vollständig verstanden, was an der Komplexität der chemischen Abläufe in der Atmosphäre und an der Schwierigkeit liegt, die relevanten Substanzen bei extrem geringen Mischungsverhältnissen (etwa ein Molekül oder Cluster per 1012 bis 1015 Moleküle) zu identifizieren und zu quantifizieren. Neben der Frage nach den bei der Nukleation beteiligten Substanzen ist außerdem noch unklar, ob Ionen-induzierte Nukleation ein wichtiger Prozess für das Klima ist. Das CLOUD-Projekt (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) am CERN soll diesen Fragen nachgehen, indem dort die Partikelbildung in einem Kammer-Experiment unter extrem gut kontrollierten Bedingungen simuliert wird. Die chemischen Systeme, die in dieser Schrift diskutiert werden, umfassen das binäre (H2SO4-H2O), das ternäre Ammoniak (H2SO4-H2O-NH3) und das ternäre Dimethylamin (H2SO4-H2O-(CH3)2NH)-System.
Einige der wesentlichen Ergebnisse von Experimenten an der CLOUD-Kammer werden diskutiert. Diese zeigen, dass das binäre und das ternäre Ammoniak System die atmosphärische Nukleation bei niedrigen Temperaturen erklären können, wohingegen das ternäre Dimethylamin System prinzipiell in der Lage ist, die hohen bodennahen Nukleationsraten bei atmosphärisch relevanten Schwefelsäure-Konzentrationen zu beschreiben. Des Weiteren werden zwei für Nukleationsstudien wesentliche Messmethoden vorgestellt. Das Chemical Ionization Mass Spectrometer (CIMS) wird zur Messung von gasförmiger Schwefelsäure verwendet, da H2SO4 vermutlich die wichtigste Substanz bei der atmosphärischen Nukleation ist. Das Chemical Ionization-Atmospheric Pressure interface-Time Of Flight (CI-APi-TOF) Massenspektrometer misst Schwefelsäure und neutrale Cluster. Beide Geräte wurden für den Einsatz bei CLOUD optimiert und instrumentelle Entwicklungen wurden in Bezug auf die Ionenquelle vorgenommen, die eine Korona-Entladung verwendet. Außerdem wurden eine Kalibrationseinheit zur Bereitstellung definierter Schwefelsäure-Konzentrationen entwickelt und das CI-APi-TOF aufgebaut. In Bezug auf das ternäre Dimethylamin System werden Nukleationsraten und die ersten Messungen von gro en nukleierenden neutralen Clustern präsentiert. Monomer- und Dimer-Konzentrationen der Schwefelsäure, die mit dem CIMS bei tiefen Temperaturen gemessen wurden, dienten der Ableitung der thermodynamischen Eigenschaften bei der Dimer-Bildung im binären und ternären Ammoniak System. Um möglichst exakte Nukleationsraten zu bestimmen, wurde eine neue Methode entwickelt, die es erlaubt, den Effekt der Selbst-Koagulation bei der Nukleation miteinzubeziehen.
Die zusammengefassten Studien tragen signifikant zum Verständnis der Partikelneubildung bei.
Die vorliegende Arbeit behandelt das Forschungsthema der Entstehung des flüssigen Eisenkerns im Zentrum unseres Planeten. Dieses bislang wenig verstandene Gebiet ist reich an Fragestellungen, sowohl für Experimentatoren als auch für die Geodynamik. Es gibt sehr viele Arbeiten, die den Bildungsprozess experimentell untersuchen, jedoch wurde in den letzten Jahren die numerische Untersuchung in diesem Gebiet kaum vorangetrieben. Der experimentelle Teil der Arbeit stellt sich hierbei der aktuellen Frage nach der Perkolationsschwelle
1 von Eisenschmelze in der Silikatmatrix der Protoerde, während numerisch die Effekte von Potenzgesetzkriechen, Dissipation und Schmelzsegregation beim Absinken eines Eisendiapirs nach Ausbildung eines ersten flachen Magmaozeans in der Protoerde behandelt werden. Die genauen Fragestellungen könnnen dabei im letzten Abschnitt der Einleitung gefunden werden.
Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil wurde der Einfluss der anthropogen verursachten Erhöhung der atmosphärischen Konzentration von Treibhausgasen auf beobachtete Klimaelemente für die letzten 100 bis 120 Jahre untersucht. Die bodennahe Lufttemperatur wurde in unterschiedlicher räumlicher Auflösung und Abdeckung analysiert: Globales und hemisphärische Mittel, 84 flächengleiche Gebietsmittel globaler Abdeckung und 5°x5°-Gitterpunkte für die europäische Region, für die außerdem der auf Meeresniveau reduzierte Luftdruck und der Niederschlag untersucht wurden. Es wurde ein empirisch-statistischer Ansatz verwendet, der die Datenfelder zunächst in ihre räumlichen und zeitlichen Hauptstrukturen zerlegt (EOF-Zerlegung) und nachfolgend Regressionsbeziehungen zwischen den zeitlichen Hauptstrukturen (Zielgrößen) und den potenziellen Einflussgrößen mittels einer Selektionsstrategie (schrittweise Regression) findet, was zu einer Signaltrennung bezüglich der unterschiedlichen anthropogenen sowie natürlichen Einflüsse führt. Durch eine Abschätzung der Überzufälligkeit der Signal-Rausch-Verhältnisse wurden die Signifikanzen der einzelnen Signale berechnet. Als anthropogene Einflussgrößen wurden neben der logarithmierten Treibhausgaskonzentration (GHG) noch die Konzentration von troposphärischem Sulfat (SUL) aus anthropogenen Quellen verwendet. Die natürlichen Einflussgrößen umfassen Schwankungen der Solarkonstanten (SOL), Strahlungsantrieb explosiver Vulkanausbrüche (VUL), den Southern Oscillation Index (SOI, als Maß für das El-Nino-Phänomen) und den Nord-Atlantik-Oszillations-Index (NAO). In der globalen und den hemisphärischen Mitteltemperaturen dominiert das GHG-Signal. Es unterscheidet sich dabei hochsignifikant vom Zufall und von der natürlichen Variabilität und weist eine mittlere Signalamplitude von etwa 0,5 K auf. Das SUL-Signal ist hier, wie auch in den anderen Datensätzen, unplausibel, was an den fragwürdigen verwendeten Einflüssen liegt, welche die zugrundeliegenden Prozesse nicht hinreichend erfassen. In den räumlich differenzierten Datensätzen ist der zufallsartige Anteil in den Zeitreihen generell höher als in den gemittelten, was die Signifikanzen der GHG-Signale herabsetzt. In Europa ist vor allem im Winter die NAO dominant, was dort zusätzlich den Nachweis des GHG-Signals erschwert. Im europäischen Luftdruck und Niederschlag werden zwar ebenfalls GHG-Signale gefunden, die jedoch aufgrund der hohen Rauschkomponente nur sehr schwach signifikant sind. Des Weiteren ist die Wirkung der anthropogenen Erhöhung der Treibhausgase auf diese Klimaelemente indirekter als bei der Temperatur, wodurch die statistische Ähnlichkeitsbetrachtung hier eventuell auch natürlich verursachte Trendkomponenten irrtümlich als anthropogen selektiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Witterungseinflüsse auf Ernteerträge in der BRD (West) von 1950-1998 untersucht. Die Ertragsdaten der 21 untersuchten Fruchtarten sind mit ausgeprägten Trends behaftet, die wahrscheinlich zum weitaus überwiegenden Teil durch gewollte Ertragssteigerungen verursacht worden sind. Diese sog. Züchtungsvarianz wurde daher mittels eines Gaußschen Tiefpassfilters von der interannulären Variabilität getrennt, welche Umwelteinflüssen zugeordnet wird. Hierdurch können keine Wirkungen langfristiger Klimatrends auf die Erträge untersucht werden. Als meteorologische Parameter wurden Bundeslandmittel der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlages in monatlicher Auflösung verwendet. Die quadrierten Klima- Zeitreihen sind ein Maß für extreme Anomalien. Durch Bildung von Produkten bzw. Quotienten aus Temperatur und Niederschlag erhält man Zeitreihen, welche die kombinierte Wirkung beider Klimaelemente beschreiben. Die Witterungsabhängigkeiten der Erträge wurden durch Korrelation und Regression (schrittweise Regression) mit den meteorologischen Parametern quantifiziert. Hierbei zeigte sich unter anderem ein negativer Einfluss feucht-warmer April-Anomalien auf Getreide-Erträge. Des Weiteren konnten Ernteeinbrüche verschiedener Fruchtarten mit extrem trocken-heißen Witterungsperioden im Sommer in Verbindung gebracht werden. Korrelationen und Regressionskoeffizienten von quadratischen Einflussreihen sind fast ausschließlich negativ. Somit wirken sich vor allem extreme Anomalien der meteorologischen Parameter ertragsmindernd aus. Mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation konnte die Überzufälligkeit der durch die meteorologischen Parameter erklärten Varianzen an den Erträgen qualitativ bewertet werden. In etwa 40% der untersuchten Beziehungen ist ein Witterungsein deutlich sichtbar. Des Weiteren ist eine Untersuchung der Veränderungen (Intensität und Häufung) extremer Witterungen, vor allem sommerlicher Hitzeperioden, nötig, um den Klima-Impakt auf deutsche Ernteerträge besser abzuschätzen. Auch ist die Frage noch offen, ob langfristige anthropogene Klimaänderungen, wie sie hier detektiert worden sind, mit Änderungen des Extremwertverhaltens verknüpft sind.
The complete elastic stiffness tensor of thiourea has been determined from thermal diffuse scattering (TDS) using high-energy photons (100 keV). Comparison with earlier data confirms a very good agreement of the tensor coefficients. In contrast with established methods to obtain elastic stiffness coefficients (e.g. Brillouin spectroscopy, inelastic X-ray or neutron scattering, ultrasound spectroscopy), their determination from TDS is faster, does not require large samples or intricate sample preparation, and is applicable to opaque crystals. Using high-energy photons extends the applicability of the TDS-based approach to organic compounds which would suffer from radiation damage at lower photon energies.
A comprehensive study of sillenite Bi12SiO20 single-crystal properties, including elastic stiffness and piezoelectric coefficients, dielectric permittivity, thermal expansion and molar heat capacity, is presented. Brillouin-interferometry measurements (up to 27 GPa), which were performed at high pressures for the first time, and ab initio calculations based on density functional theory (up to 50 GPa) show the stability of the sillenite structure in the investigated pressure range, in agreement with previous studies. Elastic stiffness coefficients c11 and c12 are found to increase continuously with pressure while c44 increases slightly for lower pressures and remains nearly constant above 15 GPa. Heat-capacity measurements were performed with a quasi-adiabatic calorimeter employing the relaxation method between 2 K and 395 K. No phase transition could be observed in this temperature interval. Standard molar entropy, enthalpy change and Debye temperature are extracted from the data. The results are found to be roughly half of the previous values reported in the literature. The discrepancy is attributed to the overestimation of the Debye temperature which was extracted from high-temperature data. Additionally, Debye temperatures obtained from mean sound velocities derived by Voigt-Reuss averaging are in agreement with our heat-capacity results. Finally, a complete set of electromechanical coefficients was deduced from the application of resonant ultrasound spectroscopy between 103 K and 733 K. No discontinuities in the temperature dependence of the coefficients are observed. High-temperature (up to 1100 K) resonant ultrasound spectra recorded for Bi12MO20 crystals revealed strong and reversible acoustic dissipation effects at 870 K, 960 K and 550 K for M = Si, Ge and Ti, respectively. Resonances with small contributions from the elastic shear stiffness c44 and the piezoelectric stress coefficient e123 are almost unaffected by this dissipation.
Eintrag organischer Umweltchemikalien aus der Oder in den anaeroben Grundwasserleiter des Oderbruchs
(2002)
In der vorliegenden Arbeit wurde im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogrammes 546 ,,Geochemische Prozesse mit Langzeitfolgen im anthropogen beeinflussten Sickerwasser und Grundwasser" der Eintrag organischer Umweltchemikalien aus der Oder in den anaeroben Grundwasserleiter des Oderbruchs untersucht. Ausgewählt wurden verschiedene Vertreter der Stoffklassen Antioxidantien und Phosphorsäureester sowie die beiden Xenoöstrogene Bisphenol A und 4-Nonylphenol, denen eine endokrine (hormonähnliche) Wirkung auf Organismen zugeschrieben wird. Solche Umweltchemikalien werden seit ca. 40 Jahren in großen Mengen für verschiedene Zwecke in Industrie und Privathaushalten eingesetzt oder sie entstehen durch photochemischen oder mikrobiologischen Abbau unter Umweltbedingungen. Die Chemikalien gelangen durch Produktion und Verwendung in die Abwässer und werden durch Direkteinleitungen geklärter Abwässer in die Oberflächengewässer eingetragen. Durch den Prozess der Uferfiltration werden im Oderbruch organische Verbindungen von der Oder ins Grundwasser des angrenzenden Aquifers transportiert. Viele Umweltkontaminanten sind unter aeroben Bedingungen gut biologisch abbaubar. Wie sie sich aber in einer sauerstofffreien Umgebung verhalten, ist bis heute relativ unerforscht. Es ist notwendig, die Prozesse bei der Uferfiltration zu kennen, da heute zunehmend mehr Trinkwasser aus Uferfiltrat gewonnen wird und Umweltchemikalien somit eine potentielle Gefahr für die Trinkwasserversorgung darstellen. Eine zweite Eintragsquelle stellen die Niederschläge dar. Viele organische Verbindungen besitzen die Fähigkeit, aufgrund ihrer physikalischen Paramter von freien Wasser- und Bodenoberflächen oder aus den Produkten, in denen sie enthalten sind, in die Atmosphäre zu verdampfen. Über den Regen gelangen sie schließlich zurück auf die Erde und können so mit dem Sickerwasser bis in tiefere Zonen des Aquifers transportiert werden. Für Vergleichszwecke wurden auch andere Fließgewässer in Deutschland bezüglich der Belastung durch die ausgewählten Umweltchemikalien untersucht. In Ergänzung und Fortsetzung bisheriger Publikationen wurde mit der vorliegenden Arbeit die Konzentrationsentwicklung dieser Stoffe in den Flüssen Rhein, Main, Elbe, Nidda und Schwarzbach dokumentiert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag darin, die Frage nach dem Eintrag dieser Umweltchemikalien in die Flüsse zu beantworten. Dazu wurde Abwasser und Regenwasser auf die Anwesenheit der entsprechenden Verbindungen untersucht. Das Hauptuntersuchungsgebiet stellte die Oder im Grenzbereich Deutschland-Polen sowie der anaerobe Grundwasserleiter des Oderbruchs dar. Dieses Gebiet westlich der Oder im Bundesland Brandenburg wurde ausgewählt, da hier die besondere hydrologische Situation gegeben ist, dass das Flusswasser der Oder mit Geschwindigkeiten von 0,2-5 m/d in den angrenzenden Aquifer infiltriert. Da im Aquifer des Oderbruchs durchweg reduzierende Verhältnisse herrschen, eignet sich dieser in besonderer Weise, das Verhalten organischer Substanzen unter anaeroben Bedingungen zu untersuchen. Hydrogeologisch betrachtet sind im quartären Untergrund des Oderbruchs zwei Hauptgrundwasserleiter ausgebildet. Beide Horizonte werden durch eine undurchlässige Schicht aus Geschiebemergel voneinander getrennt. Gegenstand der vorliegenden Untersuchungen war ausschließlich der obere Hauptgrundwasserleiter, in dem durchweg anaerobe Bedingungen herrschen. Bei einer durchschnittlichen Mächtigkeit von 20-30 m wird der Aquifer im wesentlichen aus holozänen und pleistozänen Sanden und Kiesen aufgebaut. Charakteristisch für das Oderbruch ist der sogenannte ,,Auelehm". Es handelt sich hierbei um flächenhaft verbreitete bindige Deckschichten mit unterschiedlichen Mächtigkeiten. In einigen Bereichen des Oderbruchs fehlen diese undurchlässigen Deckschichten völlig, weshalb das Niederschlagswasser ungehindert in den Aquifer eindringen kann. In anderen Bereichen variiert die Mächtigkeit des Auelehms lokal. Mit zunehmender Entfernung von der Oder nimmt sie stark ab. In Bereichen ab ca. 3000 m Entfernung vom Fluss sind die Auelehmdeckschichten nicht mehr vorhanden, weshalb hier der Eintrag organischer Stoffe mit den Niederschlägen in einen Aquifer begünstigt wird. Im Vorfeld dieser Arbeit hat die Auswertung der zur Schadstoffbelastung der Oder vorliegenden Literatur gezeigt, dass sich die wenigen Untersuchungen vor allem mit dem Auftreten sogenannter persistenter organischer Schadstoffe wie polychlorierte Biphenyle (PCB), Dioxine, Furane und Chlorpestizide beschäftigten. Umweltchemikalien wie Antioxidantien, Phosphorsäureester und Xenoöstrogene, die unter aeroben Bedingungen gut biologisch abgebaut werden, treten oft in den Hintergrund der Betrachtung, da von einer vollständigen Eliminierung dieser Substanzen ausgegangen wird. Diese Industriechemikalien, die Gegenstand dieser Arbeit sind, werden in so hohen Mengen produziert und eingesetzt, dass die Abbaukapazität in Böden und Gewässern häufig überschritten wird. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst eine empfindliche Messmethode zur Bestimmung von mittelpolaren organischen Umweltkontaminanten aus matrixreichen Wasser- und Abwasserproben im unteren Nanogramm/Liter-Bereich entwickelt. Die Analysenmethode basierte auf der Extraktion der Wasserproben mittels Festphasenextraktion (SPE) sowie dem hochempfindlichen Nachweis der Analyten mittels Kapillargaschromatographie/ Massenspektrometrie (GC/MS). Damit konnten zahlreiche Verbindungen mit einem relativ geringen Arbeitsaufwand im Routinebetrieb mit Wiederfindungsraten von 68 bis 95 % in den Wasserproben identifiziert und quantifiziert werden. Die Bestimmungsgrenzen für die einzelnen Verbindungen lagen zwischen 3-53 ng/l. Insgesamt sind in diesem Projekt von März 1999 bis Juli 2001 sechs Beprobungskampagnen im halbjährlichen Rhythmus durchgeführt worden. Zur Beprobung standen die im Rahmen dieses Schwerpunktprogrammes von Mitarbeitern der FU Berlin sowie des ZALF in Müncheberg im Oderbruch installierten Grundwassermessstellen der Transsekten Bahnbrücke und Nieschen zu Verfügung. Im Bereich der Transsekte Bahnbrücke ist der ,,Auelehm" weit verbreitet, allerdings mit lokal variierenden Mächtigkeiten. Mit zunehmender Entfernung von der Oder nimmt die Mächtigkeit dieser Deckschicht ab, bis sie in einer Entfernung von ca. 5000 m überhaupt nicht mehr vorhanden ist. Vereinzelt sind den überwiegend sandig bis kiesigen Sedimentfolgen, die den Aquifer im Bereich der Transsekte Bahnbrücke überwiegend aufbauen, in unmittelbarer Nähe der Oder geringmächtige Tonlagen zwischengeschaltet. Dadurch wird der Aquifer in flussnähe in zwei Teilbereiche gegliedert. Der untere Teilbereich steht im direkten hydraulischen Kontakt zur Oder und wird so maßgeblich durch das Uferfiltrat beeinflusst. Im Hangenden dieses grundwasserleitenden Horizontes folgt ein zweiter Teilbereich, der durch eine stauende Tonschicht an der Basis hydraulisch von der Oder getrennt ist und so überwiegend von infiltrierendem Niederschlagswasser sowie vom Oderwasser bei Überschwemmungen geprägt wird. Im Bereich der Transsekte Nieschen besteht der Grundwasserleiter ausschließlich aus sandig-kiesigen Sedimentfolgen. Außerdem fehlt hier der Auelehm und damit eine den Aquifer schützende Deckschicht. Daher ist im Bereich der Transsekte Nieschen der Einfluss von infiltrierendem Niederschlagswasser auf den Grundwasserchemismus besonders stark ausgeprägt, da dieses ungehindert in den Aquifer eindringen kann. Parallel zu jeder Grundwasserprobennahme wurde an ausgewählten Standorten in Deutschland eine Beprobung verschiedener Oberflächengewässer durchgeführt sowie Dachablaufproben gesammelt. Bei der letzten Beprobungskampagne wurden im Oderbruch eine Niederschlagsprobe sowie zwei Dachablaufproben genommen. Zum gleichen Zeitpunkt wurden Zu- und Abläufe der Kläranlage einer Stahlverarbeitungsfirma sowie dreier kommunaler Kläranlagen in der Umgebung des Oderbruchs beprobt. Sämtliche beprobten Kläranlagen leiten ihre geklärten Abwässer in die Oder. Folgende organische Verbindungen wurden in den Proben identifiziert und in drei Gruppen eingeteilt: Die Gruppe der Antioxidantien mit den Vertretern 3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxytoluol (BHT), 3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxybenzaldehyd (BHT-CHO) und 1,2-Bis(3,5-di-tert.- butyl-4-hydroxy-phenyl)ethan (2-BHT), die Gruppe der Phosphorsäureester mit den Vertretern Tributylphosphat (TBP), Tris(2-chloroethyl)phosphat (TCEP) und Tris(2- butoxyethyl)phosphat (TBEP) sowie die Gruppe der Xenoöstrogene mit den Vertretern 2,2- Bis-(4-hydroxyphenyl)propan (BPA) und 4-Nonylphenol (4-NP). Die organischen Verbindungen BHT, TBP, TCEP, TBEP und BPA sind weltweit eingesetzte, industriell hergestellte Chemikalien. 4-NP ist ein Abbauprodukt nichtionischer Tenside (Nonylphenolpolyethoxylate = NPnEO), die als Detergentien in Waschmitteln eingesetzt werden. Bei der Verbindung BHT-CHO handelt es sich um ein Abbauprodukt des Antioxidationsmittels BHT und bei 2-BHT um ein Dimeres von BHT. Sämtliche organische Umweltchemikalien und Metabolite konnten in kommunalen und industriellen geklärten und ungeklärten Abwässern, im Niederschlag und im Dachablauf, in Oberflächengewässern sowie im Grundwasser nachgewiesen werden. Abwasser: In den kommunalen Zuläufen betrug die mittlere BHT-Konzentration 392 ng/l und in den Abläufen 132 ng/l. Für BHT-CHO lag die mittlere Konzentration in den kommunalen Zuläufen bei 113 ng/l und in den Abläufen bei 70 ng/l. Auch die drei Phosphorsäureester wurden in allen untersuchten kommunalen Zuläufen mit mittleren Konzentrationen von 15404 ng/l für TBP, 986 ng/l für TCEP und 12835 ng/l für TBEP nachgewiesen. Die Durchschnittskonzentration in den Abläufen der drei kommunalen Kläranlagen lag bei 622 ng/l für TBP, 352 ng/l für TCEP und 2955 ng/l für TBEP. Das Xenoöstrogen BPA wurde in den Zuläufen mit durchschnittlich 6579 ng/l und in den Abläufen mit 1656 ng/l bestimmt. Die Verbindung 4-NP trat hingegen nur in den Abläufen der kommunalen Kläranlagen mit durchschnittlich 385 ng/l auf. Die Konzentrationen von BHT, TBP, TCEP und TBEP im Zulauf der betriebseigenen Kläranlage einer Stahlverarbeitungsfirma bei Eisenhüttenstadt waren durchweg geringer als die mittleren Konzentrationen dieser Stoffe in den Zulaufproben der kommunalen Kläranlagen. Diese Industriechemikalien finden vor allem in Haushaltsprodukten Verwendung und werden so hauptsächlich durch die Abwassereinleitungen kommunaler Kläranlagen in die Oberflächengewässer eingetragen. Im Gegensatz dazu wurden im Abwasser der industriellen Kläranlage die höchsten Konzentrationen für die beiden Xenoöstrogene BPA und 4-NP festgestellt, da diese Stoffe bei der Metallverarbeitung als Zusatzstoff bzw. als Reinigungsmittel eingesetzt werden. Sämtliche hier zur Diskussion stehenden Verbindungen, mit Ausnahme von 4-NP, wurden durch den Klärprozess mit Raten von 29,1-96,0 % eliminiert. Die Substanzen TBP und TBEP, die in höheren Konzentrationen von mehreren Mikrogramm/l im ungeklärten Abwasser enthalten waren, wurden effektiver durch den Klärprozess eliminiert, als dies bei Substanzen mit geringeren Konzentrationen wie BHT und TCEP der Fall war. Eine besondere Stellung im Eliminierungsprozess in den Kläranlagen nimmt 4-NP ein. Diese endokrin wirksame Substanz konnte ausschließlich in den Ablaufproben der kommunalen Kläranlagen nachgewiesen werden, was darauf hindeutet, dass sie erst während des Klärprozesses durch biologischen Abbau von NPnEO gebildet wird. Da allerdings kommunale Kläranlagen neben Abwasser auch einen großen Anteil an Oberflächenabfluss und damit Niederschlagswasser aufnehmen, stellt sich an dieser Stelle die Frage, warum 4-NP in den Zulaufproben nicht oberhalb der Nachweisgrenze nachgewiesen werden konnte. Niederschlag- und Dachablauf enthielten immerhin durchschnittlich 942 ng/l 4-NP. Hier besteht weiterhin Klärungsbedarf. Das Auftreten aller Substanzen in sämtlichen Ablaufproben zeigt, dass die Direkteinleitungen geklärter Abwässer in die Flüsse eindeutig eine Eintragsquelle für das gesamte untersuchte Stoffspektrum in die aquatische Umwelt darstellen. Ein weiterer Schadstoffeintrag ist durch die Aufbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftliche Nutzflächen gegeben. Aufgrund der hohen Werte der Octanol/Wasserverteilungskoeffizienten (logPOW) der hier untersuchten Verbindungen muss eine Adsorption der Substanzen an Klärschlamm und ein damit verbundener Eintrag ins Grundwasser durch Remobilisierungserscheinungen ebenfalls als Eintragsquelle in Betracht gezogen werden. Generell gingen in den letzten Jahren die Mengen an BHT, die über die Einleitungen geklärter Abwässer in die Oberflächengewässer gelangen, zurück. Vor fast 30 Jahren gelangte in den USA vereinzelt noch ungefähr die 100fache Menge der Substanz über Abwassereinleitungen in die Vorfluter. Für TBP, TCEP und TBEP war im geklärten Abwasser deutscher Kläranlagen in den letzten 20 Jahren ebenfalls eine Konzentrationsabnahme zu beobachten. Der Grund hierfür liegt in der Ausweitung des Kläranlagennetzes sowie in der Verbesserung vorhandener Abwasserreinigungsanlagen (vor allem in den neuen Bundesländern). Dagegen ist die BPA-Konzentration im geklärten Abwasser in der Bundesrepublik Deutschland in den letzten drei Jahren geringfügig gestiegen, was auf die steigenden Produktionszahlen dieser Massenchemikalie zurückgeführt werden kann. Für 4-NP wurde in der BRD in den letzten fünf Jahren ein leichter Konzentrationsrückgang im geklärten Abwasser beobachtet. Dies kann damit in Zusammenhang gebracht werden, dass die deutsche Wasch- und Reinigungsmittelindustrie im Jahr 1986 eine freiwillige Verzichterklärung bezüglich des Einsatzes von NPnEO abgegeben hat. Durch den geringeren Einsatz dieser nichtionischen Tenside in den Produkten gelangen weniger NPnEO mit dem Abwasser in die Kläranlagen. Folglich wird im Verlauf der Abwasserbehandlung auch weniger 4-NP durch biologischen Abbau gebildet. Trotz dieser Verzichterklärung kann 4-NP dennoch bis heute in deutschen Kläranlagenabläufen nachgewiesen werden. Im internationalen Vergleich mit Österreich, Italien, England, Schottland, Schweiz, Kanada und den USA sind die 4-NP-Konzentrationen im geklärten Abwasser in Deutschland allerdings relativ gering. Niederschlag und Dachablauf Alle ausgewählten Verbindungen konnten sowohl in der Niederschlagsprobe aus dem Oderbruch als auch in den Dachablaufproben nachgewiesen werden. Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften wie Dampfdruck und Henry-Konstante ist die Voraussetzung für einen Eintrag in die Atmosphäre für alle im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Substanzen generell gegeben. BHT und BHT-CHO konnten mit durchschnittlich 510 ng/l bzw. 171 ng/l in Niederschlag- und Dachablauf nachgewiesen werden (n=5). Der Maximalwert für BHT lag dabei bei 1797 ng/l in einer Dachablaufprobe und für BHT-CHO bei 474 ng/l in der Niederschlagsprobe. Die mittlere Konzentration der Phosphorsäureester in den untersuchten Niederschlags- und Dachablaufproben lag bei 951 ng/l für TBP, bei 151 ng/l für TCEP und bei 338 ng/l für TBEP. Dabei erreichte TBP ein Maximum von 1344 ng/l, TCEP von 327 ng/l und TBEP von 448 ng/l (die Maximalwerte der Phosphorsäureester wurden jeweils in einer Dachablaufprobe bestimmt). 4-NP wurde mit einer mittleren Konzentration von 942 ng/l im Niederschlag- und Dachablauf gemessen. Das 4-NP- Maximum lag bei 1231 ng/l (Dachablauf). BPA konnte mit durchschnittlich 1251 ng/l in Niederschlag- und Dachablauf nachgewiesen werden. Die maximale BPA-Konzentration lag dabei bei 4085 ng/l in der Niederschlagsprobe aus dem Oderbruch. Die hohen Konzentrationen von BPA im Regen konnten im Rahmen dieser Arbeit nicht erklärt werden. Die Verbindung besitzt einen sehr niedrigen Dampfdruck (0,000005 Pa bei 25°C), der nicht ausreicht, um solch hohe Konzentrationen in der Atmosphäre hervorzurufen. Eine Verunreinigung der Regenwasserproben bei der Probennahme ist hier als Grund für die hohen BPA-Konzentrationen in Betracht zu ziehen und durch die Analyse weiterer Niederschlags- und Dachablaufproben zu überprüfen. Die Substanzen BHT, BHT-CHO, TBP und 4-NP waren im Vergleich zum geklärten Abwasser in höheren Konzentrationen in Niederschlag und Dachablauf enthalten. Diese Stoffe werden somit verstärkt über die Atmosphäre mit den Niederschlägen in die Umwelt eingetragen. Hier besteht Klärungsbedarf bezüglich dessen, dass 4-NP zwar im Regenwasser nicht aber in den Zuläufen der kommunalen Kläranlagen nachgewiesen werden konnte. Die mittleren Regenwasserkonzentrationen von BHT, BHT-CHO, TBP und 4-NP lagen ebenfalls über den mittleren Konzentrationen in Oberflächen- und Grundwasser. Zwei der Dachablaufproben stammten aus dem Rhein-Main Gebiet. In solchen Ballungszentren sind häufig höhere Gehalte an organischen Umweltchemikalien im Regenwasser enthalten als in ländlichen Gebieten, was einen Anstieg der Durchschnittskonzentration in sämtlichen Regenwasserproben zur Folge hat. Hinzu kommt, dass sich Verbindungen wie 4-NP, die einen hohen Dampfdruck aufweisen, relativ gleichmäßig in der Atmosphäre verteilen und so auch in Gebiete gelangen, die nicht durch hohe Schadstoffemissionen gekennzeichnet sind. Dies hat ebenfalls relativ hohe Konzentrationen im Regenwasser zur Folge. Ein dritter Grund für die höheren Konzentrationen im Regenwasser im Vergleich zum Oberflächen- und Grundwasser könnte die Adsorption organischer Umweltchemikalien mit hohen Octanol/ Wasserverteilungskoeffizienten an Sedimentpartikel, Schwebstoffe und/oder organische Substanz in Fluss und Aquifer sein. Die mittleren Konzentrationen der beiden Phosphorsäureester TCEP, TBEP und BPA waren im Vergleich zum geklärten Abwasser der kommunalen Kläranlagen im Regenwasser deutlich niedriger. Der Eintrag über die Atmosphäre ist folglich für diese Verbindungen von geringerer Bedeutung. Am Beispiel des Phosphorsäureester TBEP konnte dennoch demonstriert werden, dass der atmosphärische Eintrag organischer Verbindungen mit relativ geringen Dampfdrücken nicht zu vernachlässigen ist, da solche Substanzen die Tendenz zeigen, an Aerosolpartikel zu adsorbieren und mit dem Aerosol transportiert zu werden. Oberflächenwasser Die untersuchten Umweltchemikalien konnten in fast allen Wasserproben aus den untersuchten Oberflächengewässern mit zum Teil erheblichen Konzentrationsschwankungen nachgewiesen werden. Für BHT lagen die Konzentrationen in den Oberflächengewässern zwischen Werten unterhalb der Nachweisgrenze (<1 ng/l) und 1594 ng/l. Der Metabolit BHT- CHO wies dagegen mit einem Konzentrationsbereich von Werten unterhalb der Nachweisgrenze (<5 ng/l) bis 236 ng/l durchweg geringere Konzentrationen in den Oberflächenwasserproben auf. Der Mittelwert lag für BHT bei 233 ng/l und für BHT-CHO bei 89 ng/l (n = 47). Die Konzentrationen der Phosphorsäureester TBP, TCEP und TBEP in den untersuchten Oberflächenwasserproben schwankten zwischen Gehalten unterhalb der Nachweisgrenzen (<7 ng/l für TBP, <5 ng/l für TCEP und <6 ng/l für TBEP) und 1510 ng/l für TBP. Dabei wiesen TBP und TBEP mit Mittelwerten von 481 bzw. 465 ng/l die höchsten Konzentrationen in den untersuchten Oberflächengewässern auf. Der Mittelwert der Substanz TCEP in allen untersuchten Oberflächenwasserproben lag dagegen nur bei 165 ng/l. Die Konzentrationen der Xenoöstrogene BPA und 4-NP reichten bis maximal 1672 bzw. 1220 ng/l. Die Nachweisgrenze für BPA lag bei 10 ng/l und für 4-NP bei 6 ng/l. 4-NP trug mit einem Mittelwert von 464 ng/l am meisten von allen untersuchten Verbindungen zur Gewässerverunreinigung bei. Der Mittelwert für BPA in den Oberflächengewässern lag bei 351 ng/l. In den hier untersuchten Flüssen in der BRD war die maximale BHT-Konzentration (1594 ng/l) um das 10fache geringer als die maximale BHT-Konzentration, die noch vor 30 Jahren in deutschen Oberflächengewässern gemessen wurde (14000 ng/l). Im Vergleich zu BHT- Gehalten in japanischen (1980) und amerikanischen (1975) Oberflächengewässern lagen die aktuellen BHT-Gehalte in deutschen Flüssen deutlich darunter. Die Konzentrationen für TBP und TCEP in deutschen Oberflächengewässern sind in der Vergangenheit ebenfalls deutlich zurückgegangen. Im internationalen Vergleich liegt die BRD in Bezug auf TBP-Gehalte in Oberflächengewässern mit an der Spitze. In der Elbe konnte für die Substanz TBEP in den letzten 15 Jahren ein leichter Konzentrationsanstieg beobachtet werden. Die TBEP- Konzentration in deutschen Oberflächengewässern ist im Vergleich zu Gehalten in japanischen und amerikanischen Flüssen sowie im Trinkwasser aus Kanada gering. Der BPA- Gehalt im Rhein ist in den letzten 10 Jahren geringfügig angestiegen. Im Vergleich mit Japan und Tschechien liegen die BPA-Konzentrationen in deutschen Flüssen innerhalb von Ballungsgebieten auf einem ähnlich hohen Niveau. Die Konzentrationsentwicklung des Xenoöstrogens 4-NP war seit 1986 in deutschen Oberflächengewässern stark rückläufig, was mit der freiwilligen Verzichterklärung in diesem Jahr zusammenhängt. Trotzdem tritt 4-NP auch heute noch in Konzentrationen im Nanogramm/Liter-Bereich in deutschen Flüssen auf. Die deutschen Werte lagen allerdings deutlich unterhalb der 4-NP-Konzentrationen in Oberflächengewässern der Schweiz, England, den USA und Taiwan.. Grundwasser Das Antioxidans BHT sowie sein Abbauprodukt BHT-CHO konnten in den meisten Grundwasserproben aus dem Oderbruch mit Gehalten bis zu 2156 bzw. 541 ng/l nachge- wiesen werden. Der Mittelwert für BHT im Grundwasser lag bei 353 ng/l und für BHT-CHO bei 105 ng/l (n=76). Die Verbindung 2-BHT wurde ausschließlich im Grundwasser nachgewiesen. Dies zeigt, dass die anaeroben Bedingungen im Aquifer des Oderbruchs zur Bildung des Dimeren von BHT geführt haben. Ob diese Vermutung stimmt, dass 2-BHT tatsächlich aus dem Antioxidans BHT gebildet wird, soll in naher Zukunft anhand mikrobiologischer Abbauversuche von BHT unter anaeroben Bedingungen geklärt werden. Die Gehalte der Phosphorsäureester im Grundwasser bewegten sich in Konzentrationsbereichen bis zu 1605 ng/l (TBP), bis zu 754 ng/l (TCEP) und bis zu 2010 ng/l (TBEP) mit einem Mittelwert für TBP von 276 ng/l, für TCEP von nur 80 ng/l und für TBEP von 289 ng/l. Der Maximalwert für BPA in den Grundwasserproben betrug 4557 ng/l. Der Mittelwert für diese Verbindung im Grundwasser lag bei 630 ng/l. Betrachtet man die BPA- Konzentration in den Grundwasserproben, fällt auf, dass diese sehr starken Schwankung unterliegt, die an dieser Stelle nicht erklärt werden können. Es besteht der Verdacht einer BPA-Kontamination der Grundwasserproben bei der Probennahme, da die beprobten Messstellen im Oderbruch zur Förderung des Grundwassers mit Kunststofflinern ausgestattet wurden, die eventuell BPA als Antioxidans enthalten. In Zukunft sind daher weitere Grundwasseranalysen mit einer verbesserten Probennahmetechnik notwendig, um eine Kontamination mit BPA auszuschließen. In den Grundwasserproben war das Isomerengemisch 4-NP, ebenso wie in den Oberflächenwasserproben, im Mittel mit der höchsten Konzentration vertreten (724 ng/l). Das 4-NP-Maximum lag dabei bei 2542 ng/l. Alle ausgewählten organischen Industriechemikalien konnten in den odernahen Bereichen innerhalb der Transsekte Bahnbrücke sowohl im Grundwasser aus dem Teilbereich des Aquifers, der nur durch infiltrierendes Oderwasser gespeist wird, als auch im Grundwasser aus dem Teilbereich des Aquifers, der überwiegend von infiltrierendem Niederschlagswasser beeinflusst wird, nachgewiesen werden. Die anthropogenen Stoffe gelangen also im Bereich der Transsekte Bahnbrücke sowohl über das Uferfiltrat als auch durch Niederschlagsinfiltration ins Grundwasser. Durch die Uferfiltration spiegelten sich die Konzentrationen der vor wenigen Tagen infiltrierten organischen Verbindungen aus dem Oderwasser direkt im Grundwasser aus odernahen Bereichen wieder. Auch weiter vom Fluss entfernt liegende Aquiferbereiche innerhalb der Transsekte Bahnbrücke wurden noch von infiltriertem Oderwasser beeinflusst. Die jahreszeitlichen Konzentrationsschwankungen demonstrieren hier jedoch die Flusskonzentrationen vor einigen Jahren, da das Oderwasser mehrere Jahre braucht, um in diese Bereiche zu gelangen. Weiterhin ist auch ein Stoffeintrag ins Grundwasser mit dem Oderwasser bei Hochwasserereignissen zu berücksichtigen. Generell nahmen die Konzentrationen der organischen Umweltchemikalien mit zunehmender Entfernung von der Oder ab, was den fehlenden Niederschlagseinfluss im Aquiferbereich der Transsekte Bahnbrücke bedingt durch die schützenden undurchlässigen Deckschichten demonstriert. Im Grundwasser, das aus dem Aquiferbereich in unmittelbarer Nähe der Entwässerungsgräben stammte, war häufig eine Konzentrationsabnahme der organischen Umweltchemikalien zu beobachten. Dies beweist den hydraulischen Zusammenhang zwischen Fluss und Entwässerungsgräben. Das infiltrierte Flusswasser steigt nach der Aquiferpassage in Grabennähe auf, was zu Verdünnungseffekten im Grundwasser verbunden mit einer Konzentrationsabnahme führt. Weiterhin wurden die ausgewählten Stoffe auch in den Grundwasserproben aus dem Aquiferbereich der Transsekte Nieschen nachgewiesen, der durch das Fehlen undurchlässiger Deckschichten gekennzeichnet ist. Da hier aufgrund der Entfernung dieser Transsekte von der Oder der hydraulische Kontakt zum Fluss stark eingeschränkt ist, sind die im Grundwasser auftretenden organischen Umweltchemikalien auf einen Eintrag mit dem infiltrierenden Niederschlagswasser zurückzuführen. Für einen Eintrag der Substanzen mit dem Niederschlagswasser spricht auch die Tatsache, dass die mittleren Konzentrationen der organischen Verbindungen in den Grundwasserproben aus der Transsekte Nieschen im Gegensatz zu denen aus der Transsekte Bahnbrücke trotz eines fehlenden hydraulischen Kontakts zur Oder erhöht waren. Die starken Konzentrationsschwankungen der organischen Umweltchemikalien im Aquiferbereich der Transsekte Nieschen können zum einen auf einen Eintrag dieser Substanzen mit dem Niederschlag zurückgeführt werden. Der Aquifer im Oderbruch ist heterogen ausgebildet, was den Eintrag organischer Stoffe mit den Niederschlägen ins Grundwasser lokal fördert oder hemmt und es dadurch zu unterschiedlichen Konzentrationen kommt. Zum anderen kann angenommen werden, dass die Konzentrationsschwankungen in diesem Aquiferbereich Folge einer Aufkonzentrierung der gelösten organischen Stoffe durch Verdunstung des oberflächennahen Grundwassers waren. Diese Annahme bestätigen die erhöhten Konzentrationen der Stoffe im Grundwasser im November 2000 und im März 2001 im Vergleich zum März 2000. Zu beiden Zeitpunkten waren die Niederschläge gering, was sich im Niedrigwasserstand der Oder wiederspiegelte. Vor allem in niederschlagsarmen Gebieten wie das Oderbruch, kann dieser Prozess der Aufkonzentrierung organischer Stoffe im Grundwasser durch Evaporation von Bedeutung sein. Die Frage, ob letztendlich der Niederschlagseintrag oder der umgekehrte Prozess, die Evaporation des Grundwassers, zu den starken Konzentrationsschwankungen der organischen Umweltchemikalien im Aquiferbereich der Transsekte Nieschen geführt hat, kann an dieser Stelle nicht beantwortet werden. Sicher ist, dass bei fehlenden undurchlässigen Deckschichten ein atmosphärische Eintrag organischer Umweltchemikalien in den Aquifer stattfindet. Auch in den Messstellen, die außerhalb der beiden Transsekten Nieschen und Bahnbrücke ca. 3000 bzw. 5000 m entfernt von der Oder liegen, konnten die organischen Verbindungen zum Teil in erheblichen Konzentrationen nachgewiesen werden. Dies ist zum einen wiederum mit einem Eintrag durch Niederschlagswasser und dem Transport der organischen Umweltchemikalien in größere Tiefen des Aquifers mit dem Sickerwasser zu erklären. Die undurchlässige Auelehmschicht ist in diesem Bereich nicht mehr vorhanden, so dass das Niederschlagswasser ungehindert in den Aquifer infiltrieren kann. Ein Einfluss des Oderfiltrats in dieser Entfernung vom Fluss kann ausgeschlossen werden, da in den mittleren Bereichen des Oderbruchs 50-100 Jahre für einen vollständigen Grundwasseraustausch realistisch sind und die Produktion sämtlicher Industriechemikalien, die Gegenstand dieser Arbeit sind, zu diesen Zeiten ohne Bedeutung war. Eine Remobilisierung der organischen Umweltchemikalien aus Klärschlamm, der im Land Brandenburg noch häufig auf Agrarflächen aufgebracht wird, muss als Eintragsquelle hier ebenfalls in Betracht gezogen werden, da Stoffe mit einem hohen Octanol/ Wasserverteilungskoeffizienten häufig die Tendenz zeigen, an Klärschlamm zu akkumulieren. Der photochemische Abbau des Antioxidationsmittels BHT zu seinem Metabolit BHT-CHO in der Atmosphäre war im Sommer höher als im Herbst und im Frühjahr, wobei der Metabolit selbst ebenfalls Abbauprozessen unterlag. Im Gegensatz dazu spielte der photochemische Abbau von TBP, TCEP, TBEP und 4-NP zu keinen Zeitpunkt eine große Rolle. Solange keine nennenswerten Direkteinleitungen in die Oder zu verzeichnen waren, konnte flussabwärts eine Konzentrationsabnahme für alle organischen Verbindungen festgestellt werden, welche auf aeroben Abbau der Substanzen zurückgeführt werden kann. Im Frühjahr war der Sauerstoffgehalt im Fluss mit 12,05 mg/l aufgrund der geringen Wassertemperatur (6,9 °C) und des Hochwasserereignisses am höchsten. Dies hatte höhere aerobe Abbauraten von BHT zu BHT-CHO zu diesem Zeitpunkt zur Folge. Ob es sich tatsächlich um einen biologischen Abbau der organischen Substanzen handelt oder ob Adsorptionseffekte an Schwebstoffe und Sedimente bei der Eliminierung dieser Stoffe ebenfalls eine Rolle spielen, muss anhand zukünftiger Analysen von Odersedimenten- und Schwebstoffen auf solche Substanzen geklärt werden. Der Abbau unter anaeroben Bedingungen, wie sie im Grundwasserleiter des Oderbruchs durchweg herrschen, spielte dagegen im Bezug auf alle untersuchten Verbindungen keine große Rolle, da diese in allen Tiefen des Aquifers (bis 21 m) noch nachgewiesen werden konnten. Sind sie einmal in das Grundwasser gelangt, werden sie aufgrund ihrer relativ guten Wasserlöslichkeit also leicht mit diesem in tiefere Bereiche transportiert. Sie sind damit relativ mobil. Die organischen Umweltchemikalien werden auch nicht wesentlich durch Adsorption an Sediment und/oder organischer Substanz zurückgehalten und dadurch aus dem Grundwasser eliminiert. Solche Faktoren wie ein schlechter anaerober Abbau, eine gute Wasserlöslichkeit und eine geringe Adsorption an Boden und Sediment einiger Schadstoffe müssen bei der Trinkwasserförderung aus tieferen Aquiferbereichen berücksichtigt werden. Chemikalien mit guten Wasserlöslichkeiten, wie beispielsweise die beiden Phosphorsäureester TCEP und TBEP, zeigten sogar die Tendenz sich besonders in den tieferen Aquiferbereichen anzureichern. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auch, dass es selbst in Gebieten wie dem Oderbruch, in denen die Grundwasserneubildung durch Niederschlag eine eher geringe Rolle spielt, durchaus zu einen nicht zu vernachlässigenden Eintrag von Stoffen durch Niederschlagswasser kommt und eine hohe Verdunstungsrate zu einer Aufkonzentrierung führt. Dies bedeutet, dass bei einer Betrachtung von hydrochemischen Prozessen in einem Grundwasserleiter, der hauptsächlich durch Uferfiltrat gespeist wird, keine einfache räumliche Struktur zugrunde gelegt werden kann. Zum lateralem Zustrom des infiltrierenden Flusswassers kommt der vertikale Einfluss des Sickerwassers. Dies muss neben Faktoren wie anaerober Abbau, Adsorption und Verdünnungseffekte bei der Interpretation des Schadstoffeintrags- und Transports im Grundwasser berücksichtigt werden.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der stratosphärischen Meridionalzirkulation mit Hilfe von chemisch aktiven Spurengasen. Diese motiviert sich durch die Tatsache, dass der Klimawandel neben den viel erforschten Auswirkungen auf die Troposphäre, auch Reaktionen in der Stratosphäre zur Folge hat, welche bisher weit weniger tiefgehend untersucht wurden. Das macht die Stratosphäre zu einem aktuellen und frequentierten Forschungsgebiet der experimentellen und theoretischen Meteorologie. Neben vereinzelten hochaufgelösten in-situ Messungen und globalen Satellitendaten sind es hier vor allem globale numerische Klima-Chemiemodelle, die für Analysen genutzt werden. Für diese Arbeit wurden Daten des EMAC-Modells (engl.: ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry) ausgwertet, welche im Rahmen der ESCiMo (engl.: Earth System Chemistry integrated Modelling) Initiative vom MESSy-Konsortium (engl.: Modular Earth Submodel System) erstellt wurden. Die Zielsetzung dieser Arbeit war, ob sich etwaige Änderungen des stratosphärischen Transports anhand von modellierten, chemisch aktiven, idealisierten Spurengasen feststellen lassen. Idealisiert bedeutet hierbei, dass diese Gase ein konstantes Mischungsverhältnis am Erdboden aufweisen und den identischen chemischen Prozessen unterliegen wie die realistischen Tracer. Dies hat zur Folge, dass diese Spurengase somit nicht in das Strahlungsbudget des Modells rückkoppeln und ihre Verteilung nicht durch zeitliche troposphärische Trends beeinflusst wird. Zur Analyse des stratosphärischen Transports wurden die Differenzen der monatlich gemittelten Mischungsverhältnisse zweier Zeitpunkte der verschiedenen Substanzen im Vertikalprofil betrachtet und ausgewertet, wobei hier die photolytische Lebenszeit und die Zeitskala des Transports zu berücksichtigen war. Um die Saisonalität von Transport und Chemie zu berücksichtigen, wurden dazu die Monate März, Juni, September und Dezember analysiert.
Die Resultate zeigten, dass chemisch aktive Substanzen in der Tat geeignet sind Änderungen in der Dynamik festzustellen. So stellte sich heraus, dass mit einer allgemeinen Intensivierung der stratosphärischen Meridionalzirkulation im kommenden Jahrhundert gerechnet werden kann, wobei hiervon besonders die untere Stratosphäre betroffen ist. Eine Differenzierung welche Komponente der Zirkulation (Residualtransport oder bidirektionale quasi-horizontale Mischung) hierbei von übergeordneter Bedeutung ist, konnte nicht spezifiziert werden. Um abzuschätzen, ob sich die Änderung der Zirkulation durch Änderungen in den Mischungsverhältnissen von chemisch aktiven Substanzen mit Hilfe von direkten Messungen nachweisen lässt, wurde die atmosphärische Variabilität des Modells bestimmt und mit den Veränderungen dieser Mischungsverhältnisse verglichen. Es zeigte sich, dass diese modellierte atmosphärische Variabilität zum Teil deutlich größer war, als die Differenzen der Mischungsverhältnisse und so ohne eine Vielzahl von in-situ Messungen keine eindeutige Aussage zulassen. Um eine statistisch valide Aussage treffen zu können, müssen daher mehrere Messreihen innerhalb eines Monats durchgeführt werden. Zudem stellte sich heraus, dass der Monat Juni der bestmögliche Messzeitraum ist, da hier die natürliche Variabilität am geringsten ist. Zuletzt wurden die Spurengase mit vergleichsweise kleiner chemischer Lebenszeit auf normierten N2O-Isoplethen untersucht und die Verschiebung dieser Kurve zwischen den zwei Zeitpunkten analysiert. Die so gewonnenen Resultate ließen den Schluss zu, dass sich auf diese Weise die atmosphärische Variabilität reduzieren lässt und bei Nutzung mit experimentellen Daten eine zu den Tracer-Differenzen konsistente Aussage zulässt. So bestärkte diese Methode die These, dass sich der stratosphärische Transport innerhalb des 21. Jahrhunderts wahrscheinlich verstärken wird.
Basierend auf der Feststellung, daß selbst die aufwendigsten zur Zeit verfügbaren Klimamodelle (das sind gekoppelte atmosphärisch-ozeanische Zirkulationsmodelle, AOGCM) nicht in der Lage sind, alle bekannten externen Antriebe und internen Wechselwirkungen des Klimas simultan zu erfassen, werden zunächst die Stärken und Schwächen von rein statistischen Ansätzen zur Analyse von Zusammenhängen zwischen beobachteten Zeitreihen diskutiert. Speziell geht es dabei um die Frage, welche natürlichen und anthropogenen Antriebe in welchem Ausmaß zu den beobachteten Variationen der globalen Mitteltemperatur beigetragen haben (Signaltrennung). Es wird gezeigt, daß ein einfacher physikalisch motivierter Ansatz, der einige Schwächen der rein statistischen Ansätze vermeidet, nicht zum Ziel der Signaltrennung führt. Damit ergibt sich die Notwendigkeit, sich eingehender mit den Eigenschaften des globalen Klimasystems zu beschäftigen. So stellt sich die Frage, unter welchen Bedingungen das Klima überhaupt vorhersagbar ist. Aufgrund dieser Überlegungen erscheint es möglich, das globale Klima, repräsentiert durch die globale Mitteltemperatur, mit Hilfe von Energie-Bilanz-Modellen (EBM) zu beschreiben. Es folgt, daß ein 3-Boxen-EBM (Atmosphäre, ozeanische Mischungsschicht und tieferer Ozean) ausreicht, um den Verlauf der globalen bodennahen Mitteltemperatur zu untersuchen. Um das Problem einer Überanpassung zu vermeiden, wird das Modell am hemisphärisch gemittelten Jahresgang von Temperatur und Ausstrahlung, am Verlauf der bodennahen Mitteltemperatur eines Zirkulationsmodells im Einschaltexperiment, sowie im Vergleich zu paläoklimatologischen Daten kalibriert. Es wird eine Lösung dieses Modells abgeleitet, die als rekursiver Filter zur Zeitreihenanalyse verwendet werden kann. Um auch den hemisphärischen Temperaturverlauf untersuchen zu können, wird das 3-Boxen-Modell auf fünf Boxen erweitert (hemisphärische Atmosphären- und ozeanische Mischungsschicht-Boxen sowie ein globaler tieferer Ozean). Auch dieses Modell wird im wesentlichen an den Jahresgängen der Temperatur kalibriert und eine Lösung in Form eines rekursiven Filters abgeleitet. Von besonderer Bedeutung ist dabei, daß die so abgeleiteten Filter weder in ihrer Struktur, noch in ihren Parameterwerten aus einer Anpassung an die zu untersuchenden Zeitreihen stammen. Bevor die beobachteten Temperaturzeitreihen für den Zeitraum von 1866 bis 1994 mit den zwei Modellversionen rekonstruiert werden können, müssen die berücksichtigten externen Antriebe in Form von Heizratenanomalien vorliegen. Es werden zwei natürliche (solare Schwankungen und explosive Vulkanaktivität) und zwei anthropogene externe Antriebe (Treibhausgas- und Schwefeldioxidemissionen, die zur Bildung von anthropogenem troposphärischen Sulfat führen) untersucht. Die Heizratenanomalien der solaren Schwankungen folgen aus Satellitenmessungen und einer Extrapolation mit Hilfe von Sonnenflecken-Relativzahlen. Für den Einfluß des Vulkanismus wurde eine Parametrisierung erstellt, die sowohl die Ausbreitung von stratosphärischem Vulkanaerosol als auch dessen Einfluß auf den Strahlungshaushalt berücksichtigt. Zur Beschreibung des anthropogenen Zusatztreibhauseffekts wurde auf Ergebnisse von Strahlungs-Konvektions-Modellen (RCM) zurückgegriffen. Der Einfluß des anthropogenen troposphärischen Sulfats wurde entsprechend dem ungenauen Kenntnisstand nur grob parametrisiert. Mit den Modellen lassen sich zu jedem Antrieb Zeitreihen der globalen und hemisphärischen Temperaturanomalien berechnen. Die beobachteten ENSO-korrigierten Temperaturanomalien lassen sich (außer im Fall der Nordhemisphäre) sehr gut als Summe dieser Antriebe und Zufallsrauschen ausdrücken. Dabei hat das Zufallsrauschen mit dem Modell verträgliche Eigenschaften und kann somit als internes Klimarauschen interpretiert werden. Es ist demnach möglich, zusätzlich zur Signaltrennung zu testen, ob sich die Temperaturzeitreihen ohne die anthropogenen Antriebe signifikant anders verhalten hätten. Der Unterschied ist auf der Südhemisphäre und global mit 99 % signifikant, auf der Nordhemisphäre mit 95 %. Das bedeutet, daß der Mensch das Klima mit hoher Wahrscheinlichkeit beeinflußt. Auf der Basis von Szenarien wird außerdem der anthropogene Einfluß auf das Klima der nächsten Dekaden prognostiziert. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie groß die Zeitverzögerung zwischen anthropogenen Antrieben und deren Wirkung auf das Klima ist. Auch dieser Frage wird nachgegangen und es ergibt sich, daß diese Verzögerung zur Zeit bei etwa zehn Jahren liegt. Da die Verzögerungszeit aber keine Eigenschaft des Klimasystems ist (wie etwa eine Trägheitsoder Mischungszeit), sondern von der zeitlichen Struktur des Antriebs abhängt, ist sie keine Konstante und kann somit nur eingeschränkt für Prognosen verwendet werden. Andererseits erlaubt die Kenntnis der Verzögerungszeit eine statistische Verifikation mit Hilfe eines multiplen Regressionsmodells. Diese unterstützt die Prognosen des EBM.
In der Monte Cavallo-Gruppe fand Verf. in Stauseesedimenten fossile Holzstücke, für die die 14 C-Datierung ein Alter von 29 350 ± 460 Jahren vor 1950 n. Chr. ergab. Die schluffigen Ablagerungen, die in etwa 900 m, fast 80 m über dem heutigen Flußbett des T. Caltea aufgeschlossen sind, ruhen auf Schottern und werden von Moräne überlagert.
Aufgrund seiner stratigraphischen Lage und seines 14C-datierten Alters kann das Holz (Picea abies bzw. Larix) einem zeitlichen Äquivalent des Paudorf-Interstadials zugeordnet werden. Dieser Fund von Großresten ermöglicht somit eine erste absolute Datierung des Paudorf-Interstadials für die Südalpen und Oberitalien.
Aus der Notwendigkeit heraus, "nachhaltig die Funktionen des Bodens zu sichern" (§1 BBodSchG), und damit auch Bodenschutz vorsorgend in Planungsprozesse zu integrieren, wurde ein neues Bodenschutzkonzept entwickelt. Es basiert auf einer differenzierten, aber gleichzeitig nachvollziehbaren Bodenbewertung. Das Problem bei der Bodenbewertung ist, dass etwas bewertet werden soll, für das - je nach Fragestellung - immer wieder neue Ziele definiert werden müssen. Deshalb liegt der Bodenbewertung ein Zielsystem zu Grunde, das Schutzziele klar festlegt und mit Hilfe dessen die Bodenbewertung nachvollziehbar wird. Für das Bodenschutzkonzept werden aus der Vielzahl möglicher Kriterien wichtige vorgestellt, aus denen die - bezogen auf dieses Zielsystem - wesentlichen ausgewählt werden können. Um aussagekräftige Daten für diese Kriterien zu erhalten stützt sich die Bodenbewertung auf bodenkundliche sowie landschaftsgenetisch-geomorphologische Zusammenhänge. Die eigentliche Bewertung erfolgt dann in drei Schritten: zuerst eine Einzelbewertung, dann zusammengefasst nach den Bodenfunktionen Lebensraumfunktion, Regelungsfunktion, Informationsfunktion, dem Eigenwert des Bodens (Schutzwürdigkeit) sowie der Empfindlichkeit und Gefährdung (Schutzbedürftigkeit). Im dritten Schritt werden diese Bewertungen dann zu einer gewichteten, verbal-argumentativen Gesamtbewertung der Schutzwürdigkeit und Schutzbedürftigkeit zusammengefasst. Mit Hilfe des Bewertungsverfahrens werden auch Zielkonflikte zwischen den unterschiedlichen Schutzgütern offengelegt. Schutzmaßnahmen ergeben sich dann stringent aus den vorher im Zielsystem gesetzten Prämissen, d.h., Ziele und Maßnahmen sind begründbar gewählt, stehen in einem ökologischen Gesamtzusammenhang und lassen sich sehr gut nachvollziehen. Das hier vorgestellte, neue Bodenschutzkonzept ist für verschiedene Planungsebenen geeignet. Es ist in unterschiedlichen Naturräumen anwendbar, kann verschiedene Schutzziele mit Hilfe des Zielsystems bestimmen und so z.B. die Naturraumvielfalt in einem Gebiet ebenso berücksichtigen wie die Meinungsvielfalt, was unter vorsorgendem Bodenschutz zu verstehen sei.
Im Lößprofil der Ziegelei Glos bei Lisieux ist eine Abfolge fossiler Boden aufgeschlossen, die sich gut mit der hessischen Lößstratigraphie verbinden läßt. Über dem letztinterglazialen Boden liegen nach einer Diskordanz der Lohner Boden, der E1-, der E2- und der E4-Naß-boden. Letzterer wird häufig als Äquivalent des „Sol de Kesselt" angesehen. Somit zeigt sich auch für dieses Gebiet, daß dieser Boden stratigraphisch nicht dem Lohner Boden entsprechen kann.
Ternary aerosol nucleation experiments were conducted in the CLOUD chamber at CERN in order to investigate the influence of ions on new particle formation. Neutral and ion-induced nucleation experiments, i.e., with and without the presence of ions, were carried out under precisely controlled conditions. The sulphuric acid concentration was measured with a Chemical Ionization Mass Spectrometer (CIMS) during the new particle formation experiments. The added ternary trace gases were ammonia (NH3), dimethylamine (DMA, C2H7N) or oxidised products of pinanediol (PD, C10H18O2). When pinanediol was introduced into the chamber, an increase in the mass spectrometric signal used to determine the sulphuric acid concentration (m/z 97, i.e., HSO4−) was observed due to ions from the CLOUD chamber. The enhancement was only observed during ion-induced nucleation measurements by using either galactic cosmic rays (GCR) or the proton synchrotron (PS) pion beam for the ion generation, respectively. The ion effect typically involved an increase in the apparent sulphuric acid concentration by a factor of ~2 to 3 and was qualitatively verified by the ion measurements by an Atmospheric Pressure interface-Time Of Flight (APi-TOF) mass spectrometer. By applying a high voltage (HV) clearing field inside the CLOUD chamber the ion effect on the CIMS measurement was completely eliminated since, under these conditions, small ions are swept from the chamber in about one second. In order to exclude the ion effect and to provide corrected sulphuric acid concentrations during the GCR and PS beam nucleation experiments, a parameterisation was derived that utilizes the trace gas concentrations and the UV light intensity as input parameters. Atmospheric sulphuric acid measurements with a CIMS showed an insignificant ion effect.
Ternary aerosol nucleation experiments were conducted in the CLOUD chamber at CERN in order to investigate the influence of ions on new particle formation. Neutral and ion-induced nucleation experiments, i.e. without and with the presence of ions, respectively, were carried out under precisely controlled conditions. The sulfuric acid concentration was measured with a chemical ionisation mass spectrometer (CIMS) during the new particle formation experiments. The added ternary trace gases were ammonia (NH3), dimethylamine (DMA, C2H7N) or oxidised products of pinanediol (PD, C10H18O2). When pinanediol was introduced into the chamber, an increase in the mass spectrometric signal used to determine the sulfuric acid concentration (m/z 97, i.e. HSO4−) was observed due to ions from the CLOUD chamber. The enhancement was only observed during ion-induced nucleation measurements by using either galactic cosmic rays (GCRs) or the proton synchrotron (PS) pion beam for the ion generation, respectively. The ion effect typically involved an increase in the apparent sulfuric acid concentration by a factor of ~ 2 to 3 and was qualitatively verified by the ion measurements with an atmospheric-pressure interface-time of flight (APi-TOF) mass spectrometer. By applying a high-voltage (HV) clearing field inside the CLOUD chamber, the ion effect on the CIMS measurement was completely eliminated since, under these conditions, small ions are swept from the chamber in about 1 s. In order to exclude the ion effect and to provide corrected sulfuric acid concentrations during the GCR and PS beam nucleation experiments, a parameterisation was derived that utilises the trace gas concentrations and the UV light intensity as input parameters. Atmospheric sulfuric acid measurements with a CIMS showed an insignificant ion effect.
Mantle convection is the process by which heat from the Earth’s core is transferred upwards to the surface and it is accepted to explain the dynamics of the Earth’s interior. On geological time-scales, mantle material flows like a viscous fluid as a consequence of the buoyancy forces arising from thermal expansion. Indeed, mantel convection provides a framework which links together the major disciplines, such as seismology, mineral physics, geochemistry tectonic and geology. The numerical model has been applied to understand the dynamic, structure and evaluation of the Earth, and other terrestrial planets and the investigations continue to explore, different aspects of the mantle convection.
In fact, to model this phenomenon, two complementary approaches are possible. On the one hand, one can solve self-consistently the equations of thermal convection, including parameters and employing physical relationships derived from mineral physics. Our understanding of mantle convection depends ultimately upon the success of such fully self-consistent dynamic models in explaining observable features of the flow. Although, these models presently unable to predict the actual convection pattern of the Earth, they are extremely useful to investigate general characteristics of given physical systems. On the other hand, to permit comparison with specific observables associated with the flow, one can consider a more restricted problem. Instead of focusing on the time evolution of mantle flow, if we know a priori the temperature - and hence presumably the density - anomalies that drive the convection, we can try to build a snapshot of the present-day flow pattern, consistent with those anomalies, that can successfully predict the observables. As matter of fact, the aim of this study is to investigate both approaches in comparison with the main geophysical constraints on mantle structure. These constraints include the geoid anomalies, the dynamic surface and core-mantle boundary topography and tectonic plate motions.
The most appropriate mathematical basis functions for describing a bounded and continuous function on a spherical surface are spherical harmonics. We may therefore expand the geodynamic observables in terms of spherical harmonics. We have investigated two methods of the global spherical harmonic analysis by specific attention to the dynamic geoid computation of the geodynamic models. The first method is the quadrature method in which the loss of the orthogonality of the Legendre functions in transition from continues to discrete case is the major drawback to the method. Particularly, we showed that in the absence of the tesseral harmonics, quadrature formulation leads to obtain inaccurate results. The second method is the least-squares which can be considered as the best linear unbiased estimator that provides the exact results. We showed that even with a low resolution grid data it is possible to reconstruct the data and achieve an accurate result by using this method, which is extremely remarkable in three-dimensional global convection studies. However, special care has to be taken since there is some source of errors that might influence the efficiency of this method.
In general, to better understanding of the properties of the mantle, it is useful to assess observable characteristics of plumes in the mantle, including geoid, topography and heat flow anomalies. However, only few studies exist on geoid and topography for axi-symmetric convection and their models were restricted to isoviscous (or stratified) mantle and low Rayleigh numbers. We studied fully coupled depth and temperature dependent Arrhenius type of viscosity in axi-symmetric spherical shell geometry in order to investigate the shape of geoid anomalies and dynamic topography above a plume. Indeed, the topography and geoid anomalies produced from plumes are sensitive to rheology of the mantle and rheology of the plume; both have effects on shape and amplitude of the geoid anomalies. As results we are able to define different classes of plumes by their geoid signals.
Mainly depth-dependent viscosity models show a geoid with negative sign above the plume which can turn to the positive sign by decrease the viscosity contrast. This can be considered as a transition between the strongly depth dependent and the constant viscosity case. Our results basically support the idea by Morgan [1965] and McKenzie [1977]. They have shown the magnitude and even the sign of the total gravity anomaly depend on the spatial variation in effective viscosity. In addition, Hager [1984] has concluded that the total gravity field is depend on the radial distribution of effective viscosity, and a small change in viscosity contrast leads to varying sign of the response function.
In the case of temperature-dependent viscosity, the formation of an immobile lithosphere is a natural result, and the flow as well as the total geoid becomes strongly time dependent. When we increase the activation energy, all geoids associated with the first arriving plumes look like bell shaped whereas for typical plumes, after reaching a statistical steady state, bell-shaped geoids with decreasing amplitude as well as linear flank shaped geoids are observed. It is surprising that in spite of large differences in lateral and depth varying viscosities, the shapes of the geoid anomalies remained rather similar. We also identified different behaviors in the combined model with temperature-and pressure-dependent viscosity. In fact, in spite of the strongly different rheology, the geoid anomalies in all cases were surprisingly similar. Furthermore, we proposed a scaling law for the geoid which makes our results directly applicable to other planets. Moreover, we can apply the results of our calculation to find relations between different rheology and sub-lid temperature, since we know that the mantle temperature can change significantly with variation in pressure-temperature dependent viscosity. It is also possible to define a range of stagnant lid thickness related to the amplitude of the geoid which can be reasonable for study of the lid thickness in Venus or Mars.
Nevertheless, in these series of models, we simplified a number of complexities within the Earth. One of the most important of such simplification is the Boussinesq approximation. This approximation is valid if the temperature scale height (i.e. the depth over which temperature increases by a factor of “ ” due to adiabatic compression) is much greater than the convection depth. However, a temperature scale height in the Earth’s mantle is at best only slightly greater than the mantle depth. Hence, the Boussinesq approximation could mask some very important stratification and compressibility effects that influence both the spatial and temporal structure of the convection. Therefore, in more advance models we considered compressibility in our mantle convection models, assuming that density vary both radially and laterally, being determined as a function of pressure and temperature through an appropriate equation of the state. Moreover, thermodynamic properties assumed to be a function of depth.
We examined the details of the structure of the spherical axi-symmetric Anelastic Liquid Approximation model (ALA) with special attention to the Arrhenius rheology, and compare it to the cases of compressible convection without depth dependent thermodynamical properties, and to cases of the extended Boussinesq approximation. At the same time, the effects of the interaction between temperature and pressure-dependent viscosity and thermodynamic parameters in the compressible mantle convection on the geoid and topography have been studied. We showed that assuming compressible convection with depth-dependent thermodynamic properties strongly influence the geoid undulations. Using compressible convection with constant thermodynamic properties is physically inconsistent and may lead to spurious results for the geoid and convection pattern. Indeed, by a systematic study of different approaches of compressibility in the spherical shell convection for different Arrhenius viscosity laws we proved that only in the unrealistic case of zero activation energy the different compressibility modes result in comparable convection and geoid patterns. In all other rheological cases, large differences have been obtained, that stressing the important role of consistent compressible thermodynamic properties for mantle convection.
In addition, we examine the impact of compressibility as well as different rheologies on the power law relation that connects the Nusselt number to the Rayleigh number. We have discovered that the power law index of the relationship is controlled by the rheology, independent of which approximation is used. Instead, the bound of this relation is controlled by a combination of different approximation and rheology.
Next, instead of focusing on the time evolution of mantle flow, we have carried out three-dimensional spherical shell models of mantle circulation to investigate the effects of joint radial and lateral viscosity variations on the Earth’s non-hydrostatic geoid, surface and core-mantle boundary topographies. These models include realistic lateral viscosity variations (LVV) in the lithosphere, upper mantle and lower mantle in combination with different stratified viscosity structures. We have demonstrated that the contradictory results concerning the effects of LVV can be clarified by the most straight-forward problem in geoid modeling; namely, rather poorly known stratified viscosity structure. We explored three classes of dynamic geoid models due to lateral viscosity variations. In the first class, the LVV strongly improved the fit to the observed geoid. Indeed, when the viscosity contrast between lower and upper mantles is not large enough to produce a good fit to geoid the LVVs are able to perform this action by adjusting amplitudes, so that it becomes comparable with observation. In the second class, inducing the LVV moderately improved the fit. Actually, when the geoid induced by a stratified viscosity structure already has a good correlation with observation, then the LVV causes its amplitude to further improve. In the last class, if the viscosity contrast between upper and lower mantle would be high enough, inducing LVV deteriorate the fit to the observed geoid.. Indeed, depending on the stratified viscosity, inducing the LVV may take place in one of these categories.
We also quantified the effects of LVV in the mantle and lithosphere individually. We found that the presence of LVV in the mantle (upper and lower) improves the fit to the observed geoid regardless of stratified viscosity. While LVV in the lithosphere is a crucial parameter, and dependent of the stratified viscosity, may increase or decrease the geoid fit. In fact, when the lower mantle considers being viscous enough, it would support the negative buoyancy of subducting slabs. Thus, it transmits some of the stress back to the top boundary and causes a weak coupling between slab and surface. Therefore, by including the low viscous plate boundaries in this model, the slabs and overriding plates decouples and the fit to the observed geoid degrades. In contrast, when the lower mantle viscosity is not sufficiently stiff, the presence of the low viscous plate boundaries assists to weaken the strong mechanical coupling between slab and surface. Hence, a better fit achieved.
Droplets produced in a cloud condensation nucleus chamber as a function of supersaturation have been separated from unactivated aerosol particles using counterflow virtual impaction. Residual material after droplets were evaporated was chemically analyzed with an Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer and the Particle Analysis by Laser Mass Spectrometry instrument. Experiments were initially conducted to verify activation conditions for monodisperse ammonium sulfate particles and to determine the resulting droplet size distribution as a function of supersaturation. Based on the observed droplet size, the counterflow virtual impactor cut-size was set to differentiate droplets from unactivated interstitial particles. Validation experiments were then performed to verify that only droplets with sufficient size passed through the counterflow virtual impactor for subsequent analysis. A two-component external mixture of monodisperse particles was also exposed to a supersaturation which would activate one of the types (ammonium sulfate) but not the other (polystyrene latex spheres). The mass spectrum observed after separation indicated only the former, validating separation of droplets from unactivated particles. Results from atmospheric measurements using this technique indicate that aerosol particles often activate predominantly as a function of particle size. Chemical composition is not irrelevant, however, and we observed enhancement of sulfate in droplet residuals using single particle analysis.
Droplets produced in a cloud condensation nuclei chamber (CCNC) as a function of supersaturation have been separated from unactivated aerosol particles using counterflow virtual impaction. Residual material after droplets were evaporated was chemically analyzed with an Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (AMS) and the Particle Analysis by Laser Mass Spectrometry (PALMS) instrument. Experiments were initially conducted to verify activation conditions for monodisperse ammonium sulfate particles and to determine the resulting droplet size distribution as a function of supersaturation. Based on the observed droplet size, the counterflow virtual impactor cut-size was set to differentiate droplets from unactivated interstitial particles. Validation experiments were then performed to verify that only droplets with sufficient size passed through the counterflow virtual impactor for subsequent analysis. A two-component external mixture of monodisperse particles was also exposed to a supersaturation which would activate one of the types (hygroscopic salts) but not the other (polystyrene latex spheres or adipic acid). The mass spectrum observed after separation indicated only the former, validating separation of droplets from unactivated particles. Results from ambient measurements using this technique and AMS analysis were inconclusive, showing little chemical differentiation between ambient aerosol and activated droplet residuals, largely due to low signal levels. When employing as single particle mass spectrometer for compositional analysis, however, we observed enhancement of sulfate in droplet residuals.
Non-forest ecosystems, dominated by shrubs, grasses and herbaceous plants, provide ecosystem services including carbon sequestration and forage for grazing, yet are highly sensitive to climatic changes. Yet these ecosystems are poorly represented in remotely-sensed biomass products and are undersampled by in-situ monitoring. Current global change threats emphasise the need for new tools to capture biomass change in non-forest ecosystems at appropriate scales. Here we assess whether canopy height inferred from drone photogrammetry allows the estimation of aboveground biomass (AGB) across low-stature plant species sampled through a global site network. We found mean canopy height is strongly predictive of AGB across species, demonstrating standardised photogrammetric approaches are generalisable across growth forms and environmental settings. Biomass per-unit-of-height was similar within, but different among, plant functional types. We find drone-based photogrammetry allows for monitoring of AGB across large spatial extents and can advance understanding of understudied and vulnerable non-forested ecosystems across the globe.
Extensive black shale deposits formed in the Early Cretaceous South Atlantic, supporting the notion that this emerging ocean basin was a globally important site of organic carbon burial. The magnitude of organic carbon burial in marine basins is known to be controlled by various tectonic, oceanographic, hydrological, and climatic processes acting on different temporal and spatial scales, the nature and relative importance of which are poorly understood for the young South Atlantic. Here we present new bulk and molecular geochemical data from an Aptian–Albian sediment record recovered from the deep Cape Basin at Deep Sea Drilling Project (DSDP) Site 361, which we combine with general circulation model results to identify driving mechanisms of organic carbon burial. A multimillion-year decrease (i.e., Early Aptian–Albian) in organic carbon burial, reflected in a lithological succession of black shale, gray shale, and red beds, was caused by increasing bottom water oxygenation due to abating hydrographic restriction via South Atlantic–Southern Ocean gateways. These results emphasize basin evolution and ocean gateway development as a decisive primary control on enhanced organic carbon preservation in the Cape Basin at geological timescales (> 1 Myr). The Early Aptian black shale sequence comprises alternations of shales with high (> 6 %) and relatively low (∼ 3.5 %) organic carbon content of marine sources, the former being deposited during the global Oceanic Anoxic Event (OAE) 1a, as well as during repetitive intervals before and after OAE 1a. In all cases, these short-term intervals of enhanced organic carbon burial coincided with strong influxes of sediments derived from the proximal African continent, indicating closely coupled climate–land–ocean interactions. Supported by our model results, we show that fluctuations in weathering-derived nutrient input from the southern African continent, linked to changes in orbitally driven humidity and aridity, were the underlying drivers of repetitive episodes of enhanced organic carbon burial in the deep Cape Basin. These results suggest that deep marine environments of emerging ocean basins responded sensitively and directly to short-term fluctuations in riverine nutrient fluxes. We explain this relationship using the lack of wide and mature continental shelf seas that could have acted as a barrier or filter for nutrient transfer from the continent into the deep ocean.
Extensive black shale deposits formed in the Early Cretaceous South Atlantic, supporting the notion that this emerging ocean basin was a globally important site of organic carbon burial. The magnitude of organic carbon burial in marine basins is known to be controlled by various tectonic, oceanographic, hydrological, and climatic processes acting on different temporal and spatial scales, the nature and relative importance of which are poorly understood for the young South Atlantic. Here we present new bulk and molecular geochemical data from an Aptian–Albian sediment record recovered from the deep Cape Basin at Deep Sea Drilling Project (DSDP) Site 361, which we combine with general circulation model results to identify driving mechanisms of organic carbon burial. A multi-million year decrease (i.e. Early Aptian–Albian) in organic carbon burial, reflected in a lithological succession of black shale, gray shale, and red beds, was caused by increasing bottom water oxygenation due to abating tectonic restriction via South Atlantic-Southern Ocean gateways. These results emphasize basin evolution and ocean gateway development as a decisive primary control on enhanced organic carbon preservation in the Cape Basin at geological time scales (>1 Myr). The Early Aptian black shale sequence comprises alternations of shales with high (>5%) and relatively low (~3%) organic carbon content of marine sources, the former being deposited during the global Oceanic Anoxic Event (OAE) 1a, as well as during repetitive events before and after OAE 1a. In all cases, these short-term events of enhanced organic carbon burial coincided with strong influxes of sediments derived from the proximal African continent, indicating closely coupled climate–land–ocean interactions. Supported by our model results, we propose that fluctuations in weathering-derived nutrient input from the southern African continent, linked to fluctuations in pCO2 and/or orbitally driven humidity/aridity, were the underlying drivers of short-term organic carbon burial in the deep Cape Basin. These results suggest that deep marine environments of emerging ocean basins responded sensitively and directly to short term fluctuations in riverine nutrient fluxes. We explain this relationship by the lack of wide and mature continental shelf seas that could have acted as a barrier or filter for nutrient transfer from the continent into the deep ocean.
Drevermanns Name ist in der Geologie nicht mit bahnbrechenden Ideen und Theorien verknüpft. Er hat nicht seine gesamte Energie auf seine Forschungen gerichtet. Stattdessen seine - manchmal auch schwache - Kraft (vgl. 3.6.) auf die Lehre (bei der Senckenbergischen Naturforschenden Gesellschaft und Universität), die Aufklärung des Volkes (in Vorträgen und „Natur und Museum“) und vor allem auf sein Museumsengagement aufgeteilt. Schon in seinem zweiten Senckenberg-Jahr zeichnete sich das Engagement für die Museumskunde ab. Er arbeitete sicher in der ersten Zeit eher angeleitet, später freier planend und ergänzend für die Vollständigkeit der Sammlung. Und schon 1911 leidet Drevermann daran, daß er zu wenig Zeit für seine eigene Arbeit hat. Er bat am 10. Oktober 1911 den Anfang seiner „Dienststunden auf 9 statt um 8“ festzusetzen, also die „Anzahl reduzieren von 42 auf 36“ Stunden. Als Grund nannte er: „Während der Arbeitszeit im Museum ist es wegen der fortwährenden und vielseitigen Inanspruchnahme meiner Tätigkeit nicht möglich, zu eigener wissenschaftlichen Tätigkeit zu gelangen.“ Er schreibt weiter, daß er dadurch hofft, „länger am Abend arbeiten“ zu können. Schon damals zeigt sich sein offensichtlicher Zeitmangel für seine eigenen Forschungsarbeiten. Dies sollte ihn sein ganzes Leben begleiten. Als fast tragisch ist deswegen zu werten, daß er seine schon 1915 begonnene Arbeit über Placodus trotz großer Anstrengungen in 1930 und 1931 nicht mehr beenden kann. Als ausschlaggebend für den Wandel und für die Abkehr von der eigenen devonischen Forschung und den Beginn des enormen Museumsengagements darf die Schenkung des Diplodocus gewertet werden. Dieses Museumsexponat verlegte Drevermanns Forschungsschwerpunkt zu den fossilen Wirbeltieren, im speziellen den Dinosauriern und Artverwandten, und damit hin zu einem für Drevermann und damit für das Senckenberg-Museum noch heute erfolgreichen Museumsthema. Drevermann ging damit den Weg vom klassischen Devon-Paläontologen hin zum Museumswissenschaftler. In seinen Schaffensjahren zeigt sich sein Werdegang zum Agitator, er setzte die Akzente und arbeitete für seine Museumsvorstellungen. Dazu ein Zitat Drevermanns aus seiner frühen Veröffentlichung über die Meersaurier im Senckenberg-Museum (1914): „Das Streben unseres Museums nach einer möglichst vollständigen Vertretung aller wichtigen Typen des Tierlebens der Vorzeit ist am ersten bei den Meersauriern mit Erfolg gekrönt worden. Durch das wiederholte verständnisvolle Eingreifen mehrerer Gönner des Museums ist es gelungen, in einem Jahrzehnt eine Sammlung zu schaffen, auf die das Museum stolz sein kann.“ Drevermann deutet hier nur versteckt an, daß das angesprochene Jahrzehnt sein erstes im Senckenberg-Museum war. Mit Hilfe von Gönnern, deren Wohlwollen er in der Lage war sich zu verschaffen, gelang es ihm durch Täusche und Käufe diese Sammlung aufzubauen. Er wurde zur prägenden Persönlichkeit. Deswegen machte ihn die Senckenbergischen Naturforschende Gesellschaft zum ersten Geologieprofessor der jungen Frankfurter Universität. Ein Ergebnis seiner intensiven engagierten Arbeit: 1924 wird er zum geschäftsführenden Direktor des Senckenberg-Museums ernannt. Drevermann betrieb als Museumswissenschaftler eine populäre Wissenschaft. Die Beispiele dafür sind mannigfaltig: seine Texte in der Frankfurter Zeitung, das Entwickeln der Zeitschrift „Natur und Museum“ und seine Veröffentlichungen und Fragenbeantwortung hierin, seine vielen Reden, seine Radio-Aktivitäten. Das außerordentliche Engagement Drevermanns für „sein“ Museums-Periodikum zeigt dabei deutlich, wie er als Museumswissenschaftler agierte und nicht als forschender Naturwissenschaftler. Und er ist als Museumswissenschaftler erfolgreich, weil er besondere Qualitäten als Autor und Redner hat. Er beschreibt anschaulich - auch für den Laien - , aber wissenschaftlich genau. Beschäftigt hat sich Drevermann tatsächlich mit geologisch und paläontologischer Forschung nur sekundär. Er war nicht der Spezialist, sondern der Generalist - er verstand viele geologische und paläontologische Fragestellungen. Denn er war immer auf der Höhe des disziplinären Diskussionen – auch wenn er selbst nur einen geringen Beitrag an Lösungen dazu lieferte. Er selbst liest die Veröffentlichungen über die Forschungsarbeiten anderer, spricht in seinen Vorlesungen und Reden darüber, stellt Bücher vor, greift auch in die fachliche Diskussion ein mit Stellungnahmen und Essays, aber entfacht keine solche. Letzteres war nur einmal der Fall: bei seinen Vorstellungen über das Museum der Zukunft. Dieses Thema ist das eigentliche Vermächtnis Drevermanns.
Since the 1980s, advances in wastewater treatment technology have led to considerably improved surface water quality in the urban areas of many high income countries. However, trace concentrations of organic wastewater-associated contaminants may still pose a key environmental hazard impairing the ecological quality of surface waters. To identify key impact factors, we analyzed the effects of a wide range of anthropogenic and environmental variables on the aquatic macroinvertebrate community. We assessed ecological water quality at 26 sampling sites in four urban German lowland river systems with a 0–100% load of state-of-the-art biological activated sludge treated wastewater. The chemical analysis suite comprised 12 organic contaminants (five phosphor organic flame retardants, two musk fragrances, bisphenol A, nonylphenol, octylphenol, diethyltoluamide, terbutryn), 16 polycyclic aromatic hydrocarbons, and 12 heavy metals. Non-metric multidimensional scaling identified organic contaminants that are mainly wastewater-associated (i.e., phosphor organic flame retardants, musk fragrances, and diethyltoluamide) as a major impact variable on macroinvertebrate species composition. The structural degradation of streams was also identified as a significant factor. Multiple linear regression models revealed a significant impact of organic contaminants on invertebrate populations, in particular on Ephemeroptera, Plecoptera, and Trichoptera species. Spearman rank correlation analyses confirmed wastewater-associated organic contaminants as the most significant variable negatively impacting the biodiversity of sensitive macroinvertebrate species. In addition to increased aquatic pollution with organic contaminants, a greater wastewater fraction was accompanied by a slight decrease in oxygen concentration and an increase in salinity. This study highlights the importance of reducing the wastewater-associated impact on surface waters. For aquatic ecosystems in urban areas this would lead to: (i) improvement of the ecological integrity, (ii) reduction of biodiversity loss, and (iii) faster achievement of objectives of legislative requirements, e.g., the European Water Framework Directive.
The development of benthic foraminiferal assemblages during the past 6,000 yrs was investigated in Holocene sediment cores from three carbonate platforms (Turneffe Islands, Lighthouse Reef, and Glovers Reef) of Belize, Central America. Foraminiferal assemblages and their diversity were determined in different time periods to identify their dependence on environmental factors, such as lagoonal age, lagoonal depth, water circulation, substrate, bottom-water temperature, and salinity. Geochemical proxies (δ18O and δ13C), obtained from the common larger foraminifer Archaias angulatus were used to estimate Holocene seasonal BW-temperatures and climate variabilities. A total of 51 samples were taken from 12 vibracores for taxonomic determination and 10 to 15 subsamples of 32 tests of Archaias angulatus were used for stable oxygen and carbon isotope analyses. Based on cluster analyses, seven benthic foraminiferal assemblages are distinguished during the Holocene. The three platforms exhibit characteristic differences in benthic foraminiferal fauna and diversity, which are controlled by their respective environments during the last 6,000 yrs. Turneffe Islands has four benthic foraminiferal assemblages, which are typical for restricted lagoons with fluctuating salinity. Lighthouse Reef is inhabited by two benthic foraminifera associations, which are characteristic of high water exchange with the surrounding ocean and clear waters. Glovers Reef is characterized by two benthic foraminiferal assemblages, which occur in deeper lagoons with slow water circulation. In general, during the Holocene, the highest mean diversity, evenness, and richness of benthic foraminifera were found in the Turneffe Islands and the lowest occurred at Glovers Reef. The foraminiferal faunas of the Lighthouse and Glovers Reefs had been in a “Diversification Stage” since 6,000 yrs, whereas the foraminiferal fauna of the Turneffe Islands reflects the development from a “Colonisation” (~4,000 yrs BP) to a “Diversification Stage” (~2,000 yrs to present time). Lagoonal depth, water circulation, substrate, and BW-temperature have higher influence on foraminiferal diversity as compared to lagoonal size and age. The negative correlation between diversity and lagoonal depth is based on differences in light intensity and substrate. In contrast to Lighthouse Reef, the Turneffe Islands and Glovers Reef show decreasing diversity of benthic foraminifera with increasing lagoon depth, due to finer sediment, turbid waters and/or dense mangrove growth, which reduce the light intensity and the number of species. Water Circulation also affected the benthic foraminifera modes of living and their diversity during the last 6,000 yrs. Increasing abundances of infaunal taxa refer to restricted circulation and/or lower oxygen conditions, as assumed for the Turneffe Islands and Glovers Reef. Increasing abundances of epifaunal foraminifera, as observed in the Lighthouse Reef indicate better circulation and/or higher oxygen conditions. Holocene BW-temperature reconstructions based on δ18O of single Archaias angulatus tests do not correspond to typical Holocene climate models of the Caribbean. In the Belize area, mean BW-temperature trends indicate local climate variations. A decrease of δ13C values during the last 1,000 yrs could be related to the “Suess Effect”. The seasonal BW-temperature variations within single large benthic foraminifera tests correspond to present-day temperature fluctuations in the lagoons, and indicate higher temperatures in Summer and Autumn and lower temperatures in Winter and Spring.
Diurnal valley winds frequently form over complex topography, particularly under fair weather conditions, and have a significant impact on the local weather and climate. Since diurnal valley winds result from complex and multi-scale interactions, their representation in numerical weather prediction models is challenging. Better understanding of these local winds based on observations is crucial to improve the accuracy of the forecasts. This study investigates the diurnal evolution of the three-dimensional mean wind structure in a deep Alpine valley, the Rhone valley at Sion, using data from a radar wind profiler and a surface weather station operated continuously from 1 September 2016 to 17 July 2017. In particular, the wind profiler data was analyzed for a subset of days on which fair weather conditions allowed for the full development of thermally driven winds. A pronounced diurnal cycle of the wind speed, as well as a reversal of the wind direction twice per day is documented for altitudes up to about 2 km above ground level (AGL) in the warm season and less than 1 km AGL in winter. The diurnal pattern undergoes significant changes during the course of the year. Particularly during the warm-weather months of May through to September, a low-level wind maximum occurs, where mean maximum up-valley velocities of 8–10 m s−1 are found between 15–16 UTC at altitudes around 200 m AGL. In addition, during nighttime, a down-valley jet with maximum wind speeds of 4–8 m s−1 around 1 km AGL is found. A case study of a three-day period in September 2016 illustrates the occurrence of an elevated layer of cross-valley flow around 1–1.5 km AGL.
Volatile organic compounds (VOCs) were analyzed in air and snow samples at the Jungfraujoch high alpine research station in Switzerland as part of CLACE 5 (CLoud and Aerosol Characterization Experiment) during February/March 2006. The fluxes of individual compounds in ambient air were calculated from gas phase concentrations and wind speed. The highest concentrations and flux values were observed for the aromatic hydrocarbons benzene (14.3 μg.m−2 s−1), 1,3,5-trimethylbenzene (5.27 μg.m−2 s−1), toluene (4.40 μg.m−2 −1), and the aliphatic hydrocarbons i-butane (7.87 μg.m−2 s−1), i-pentane (3.61 μg.m−2 s−1) and n-butane (3.23 μg.m−2 s−1). The measured concentrations and fluxes were used to calculate the efficiency of removal of VOCs by snow, which is defined as difference between the initial and final concentration/flux values of compounds before and after wet deposition. The removal efficiency was calculated at −24°C (−13.7°C) and ranged from 37% (35%) for o-xylene to 93% (63%) for i-pentane. The distribution coefficients of VOCs between the air and snow phases were derived from published poly-parameter linear free energy relationship (pp-LFER) data, and compared with distribution coefficients obtained from the simultaneous measurements of VOC concentrations in air and snow at Jungfraujoch. The coefficients calculated from pp-LFER exceeded those values measured in the present study, which indicates more efficient snow scavenging of the VOCs investigated than suggested by theoretical predictions.
Volatile organic compounds (VOCs) were analyzed in air and snow samples at the Jungfraujoch high alpine research station in Switzerland as part of CLACE 5 (CLoud and Aerosol Characterization Experiment) during February/March 2006. The fluxes of individual compounds in ambient air were calculated from gas phase concentrations and wind speed. The highest flux values were observed for the aromatic hydrocarbons benzene (14.3 µg m−2s−1), 1,3,5-trimethylbenzene (5.27 µg m−2s−1), toluene (4.40 µg m−2s−1), and the aliphatic hydrocarbons i-butane (7.87 µg m−2s−1), i-pentane (3.61 µg m−2s−1) and n-butane (3.23 µg m−2s−1). The fluxes were used to calculate the efficiency of removal of VOCs by snow, and the effect of temperature on removal efficiency. The removal efficiency was calculated at – 24◦C (−13.7◦C) and ranged from 37% (35%) for o-xylene to 93% (63%) for i-pentane. The distribution coefficients of VOCs between the air and snow phases were derived from published poly-parameter linear free energy relationship (pp-LFER) data, and compared with distribution coef- ficients obtained from the simultaneous measurements of VOC concentrations in air and snow at Jungfraujoch. The coefficients calculated from pp-LFER exceeded those values measured in the present study, which indicates more efficient snow scavenging of the VOCs investigated than suggested by theoretical predictions.
Spatial interpolation of rain gauge data is important in forcing of hydrological simulations or evaluation of weather predictions, for example. The spatial density of available data sites is often changing with time. This paper investigates the application of statistical distance, like one minus common variance of time series, between data sites instead of geographical distance in interpolation. Here, as a typical representative of interpolation methods the inverse distance weighting interpolation is applied and the test data is daily precipitation observed in Austria. Choosing statistical distance instead of geographical distance in interpolation of an actually available coarse observation network yields more robust interpolation results at sites of a denser network with actually lacking observations. The performance enhancement is in or close to mountainous terrain. This has the potential to parsimoniously densify the currently available observation network. Additionally, the success further motivates search for conceptual rain-orography interaction models as components of spatial rain interpolation algorithms in mountainous terrain.
Spatial interpolation of rain gauge data is important in forcing of hydrological simulations or evaluation of weather predictions, for example. This paper investigates the application of statistical distance, like one minus common variance of observation time series, between data sites instead of geographical distance in interpolation. Here, as a typical representative of interpolation methods the inverse distance weighting interpolation is applied and the test data is daily precipitation observed in Austria. Choosing statistical distance instead of geographical distance in interpolation of available coarse network observations to sites of a denser network, which is not reporting for the interpolation date, yields more robust interpolation results. The most distinct performance enhancement is in or close to mountainous terrain. Therefore, application of statistical distance in the inverse distance weighting interpolation or in similar methods can parsimoniously densify the currently available observation network. Additionally, the success further motivates search for conceptual rain-orography interaction models as components of spatial rain interpolation algorithms in mountainous terrain.
Cloud microphysical processes involving the ice phase in tropospheric clouds are among the major uncertainties in cloud formation, weather and General Circulation Models (GCMs). The simultaneous detection of aerosol particles, liquid droplets, and ice crystals, especially in the small cloud-particle size range below 50 µm, remains challenging in mixed phase, often unstable ice-water phase environments. The Cloud Aerosol Spectrometer with Polarisation (CASPOL) is an airborne instrument that has the ability to detect such small cloud particles and measure their effects on the backscatter polarisation state. Here we operate the versatile Cosmics-Leaving- OUtdoor-Droplets (CLOUD) chamber facility at the European Organisation for Nuclear Research (CERN) to produce controlled mixed phase and other clouds by adiabatic expansions in an ultraclean environment, and use the CASPOL to discriminate between different aerosols, water and ice particles. In this paper, optical property measurements of mixed phase clouds and viscous Secondary Organic Aerosol (SOA) are presented. We report observations of significant liquid – viscous SOA particle polarisation transitions under dry conditions using CASPOL. Cluster analysis techniques were subsequently used to classify different types of particles according to their polarisation ratios during phase transition. A classification map is presented for water droplets, organic aerosol (e.g., SOA and oxalic acid), crystalline substances such as ammonium sulphate, and volcanic ash. Finally, we discuss the benefits and limitations of this classi- fication approach for atmospherically relevant concentration and mixtures with respect to the CLOUD 8–9 campaigns and its potential contribution to Tropical Troposphere Layer (TTL) analysis.
New geochemical data from the Malawi Rift (Chiwondo Beds, Karonga Basin) fill a major spatial gap in our knowledge of hominin adaptations on a continental scale. Oxygen (δ18O), carbon (δ13C), and clumped (Δ47) isotope data on paleosols, hominins, and selected fauna elucidate an unexpected diversity in the Pleistocene hominin diet in the various habitats of the East African Rift System (EARS). Food sources of early Homo and Paranthropus thriving in relatively cool and wet wooded savanna ecosystems along the western shore of paleolake Malawi contained a large fraction of C3 plant material. Complementary water consumption reconstructions suggest that ca. 2.4 Ma, early Homo (Homo rudolfensis) and Paranthropus (Paranthropus boisei) remained rather stationary near freshwater sources along the lake margins. Time-equivalent Paranthropus aethiopicus from the Eastern Rift further north in the EARS consumed a higher fraction of C4 resources, an adaptation that grew more pronounced with increasing openness of the savanna setting after 2 Ma, while Homo maintained a high versatility. However, southern African Paranthropus robustus had, similar to the Malawi Rift individuals, C3-dominated feeding strategies throughout the Early Pleistocene. Collectively, the stable isotope and faunal data presented here document that early Homo and Paranthropus were dietary opportunists and able to cope with a wide range of paleohabitats, which clearly demonstrates their high behavioral flexibility in the African Early Pleistocene.
Die Welt im Wasserstress
(2024)
Wie haben sich die Wasserresourcen in den letzten 120 Jahren verändert? Und was passiert, wenn es bis Ende des 21. Jahrhunderts noch einmal zwei Grad wärmer wird als heute? Fragen wie diese beantwortet das globale Wasser-Modell WaterGAP, das maßgeblich vom Institut für Physische Geographie der Goethe-Universität und von der Ruhr-Universität Bochum entwickelt wird. Bislang ließen sich die damit erzeugten Daten nur von Expertinnen und Experten nutzen. Eine neue Web-App ändert das nun. Entwickelt wurde sie von dem französischen Geodaten-Unternehmen Ageoce, das dafür mit der Goethe-Universität kooperierte.
Die folgende Arbeit ist eine von drei Dissertationen des interdisziplinären Forschungsvorhabens „Landschaftsarchäologie im Hessischen Ried“, das im Rahmen des Frankfurter Graduiertenkollegs „Archäologische Analytik“ stattfand. Das Projekt bestand aus einer archäologisch-historischen (MAURER 2003), einer bodenkundlichen (KANNENGIEßER Diss. in Arbeit) sowie dieser palynologischen Dissertation. Gemeinsam beschäftigen sich diese Arbeiten mit der Landschaftsrekonstruktion des nördlichen Hessischen Rieds. Die palynologischen Untersuchungen hatten das Ziel, die bisher weitgehend unbekannte ‚jüngere’ Vegetationsgeschichte von der vorrömischen Eisenzeit bis etwa zum 5. Jh. n. Chr. zu rekonstruieren. Zwischen der Eisenzeit und dem Frühmittelalter gab es im Hessischen Ried mehrere kulturelle Umbrüche. In der Spätlatènezeit siedelte eine keltische Bevölkerungsgruppe im nördlichen Hessischen Ried. Deren Spur verliert sich aber im 1. Jh. v. Chr. Erst nach einer ‚Fundlücke’ von etwa 50 Jahren findet man schließlich Überreste eine elbgermanische Population (LENZ-BERNHARD & BERNHARD 1991). Über Lebensweise und Anzahl dieser germanischen Bevölkerung wissen wir fast nichts. Zumindest ein Teil von ihnen aber diente im römischen Heer. Etwa ab dem Jahr 13/12 v. Chr. in augusteischer Zeit stand das Ried unter dem Einfluss des seitdem am Rhein stationierten römischen Militärs (MAURER 2003). Im Zuge der Okkupation kamen römische Soldaten mitsamt ihrem Tross von Angehörigen und Marketendern an den Rhein. Da sehr wenig über die zuvor ansässige Bevölkerung bekannt ist, ist es unklar, wie sich die Bevölkerungsstärke und damit der Bedarf an landwirtschaftlicher Nutzfläche während dieser Zeit veränderte. In der mittleren Kaiserzeit (ca. 70–260 n. Chr.) bildete das Hessische Ried das südöstliche Vorfeld der Provinzhauptstadt Mogontiacum (Mainz) bzw. das Umland des Auxiliarkastells/Zivilvicus Groß-Gerau-„Auf Esch“. In die sog. „agri decumates“ rechts des Rheins (Tacitus, GERMANIA 29, 3) gesellten sich nach und nach noch gallische Siedler zur römischen Bevölkerung. Es ist zu erwarten, dass sich die kulturellen Umbrüche dieser Zeit auch im Landschaftsbild widerspiegelten. Beispielsweise werden vielerorts den Römern die ersten großflächigen Waldrodungen und Raubbau an der Landschaft zugeschrieben (BEHRE 1988, CÜPPERS 1990, DUMAYNE 1993). In den letzten Jahren mehren sich allerdings die Indizien dafür, dass zumindest in einigen Gebieten einschneidende Landschaftseingriffe bereits in der Eisenzeit stattgefunden haben und die Landschaft bei Ankunft der Römer schon weitgehend entwaldet und anthropogen geprägt war (BUNNIK et al. 1995, STOBBE 1996, 2000, STOBBE & KALIS 2001, 2002, DÖRFLER et al. 2000, KOOISTRA 1996, DUMAYNE 1993, DUMAYNE-PEATY 1998). Auch für das nördliche Hessische Ried bestätigt die vorliegende Arbeit dieses Bild. Schon in der Eisenzeit entstand im Hessischen Ried eine weitgehend geöffnete Landschaft mit Grünlandflächen und Äckern. Die Vegetationsveränderungen beim Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit (um 800 BC) sind dabei weit deutlicher als beim Übergang von der Eisenzeit zur Römischen Kaiserzeit. In der Römerzeit wurde zwar der Ackerbau intensiviert und einige typische Kulturpflanzen wurden eingeführt, doch das restliche Pollenspektrum verändert sich kaum. Beim Rückzug der römischen Armee vom Odenwaldlimes kam es zu einer leichten Regeneration der Buche im Umland. Während der Völkerwanderungszeit sieht man in den Profilen keine deutliche Waldregeneration, sondern nur einen leichten Rückgang der Bewirtschaftung.
Die Montagne Noire am Südrand des französischen Zentralmassivs gehört in das Vorland der französischen Varisziden. Es handelt sich um einen metamorphen Kemkomplex mit einem Kern ("Axialzone") aus Graniten sowie teilweise migmatisierten Ortho- und Paragesteinen. Die Axialzone wird im Norden ("Nordflügel") und Süden ("Südflügel") von paläozoischen Sedimenten umrahmt. Der Nordflügel wird in die "westlichen Monts de Lacaune" (im Westen) und die "Nördliche Schuppenzone" (im Osten) unterteilt und besteht aus Gesteinen mit kambrischem bis silurischem Alter. Der Südflügel wird von einem Stapel aus mehreren Deckeneinheiten aufgebaut, deren stratigraphisches Alter vom Kambrium bis ins Karbon reicht. Die Deckeneinheiten heißen (von oben nach unten im Stapel): Pardailhan-Decke, Minervois-Decke, Mont Peyroux-Decke, Faugeres-Decke und Parautochthon. Die Montagne Noire repräsentiert den seltenen Fall eines "heißen" metamorphen Kernkomplexes, ist aber auch ein ideales Gebiet für vergleichende methodische Studien der sehr niedriggradigen Metamorphose: unterschiedliche Gesteinstypen (Sand- und Siltsteine, Tonschiefer, verschiedene Karbonate) lassen sich quer zur Metamorphosezonierung vom Bereich der Diagenese bis in die Grünschieferfazies verfolgen. In der vorliegenden Arbeit wurde die tektono-metamorphe Entwicklung der niedriggradigen paläozoischen Sedimente untersucht. Dazu wurde eine flächenhafte Studie der Schichtsilikatentwicklung in den Peliten durchgeführt. Es wurden folgende Methoden angewandt: Kubier Index ("Illitkristallinität"), Arkai-Index ("Chloritkristallinität"), "bo-Index" (zur Bestimmung des geothermischen Gradienten), Polytypie-Untersuchungen, sowie an ausgesuchten Proben Mikrosondenanalytik und Röntgenfluoreszenzanalyse. Femer wurden von K. Wemmer (Göttingen) an einigen Proben K-Ar-Datierungen der Feinfraktionen (<2 mikro m und <0,2 mikro m) durchgeführt, um die Entwicklung auch zeitlich zu erfassen. Die petrologischen und geochronologische Daten wurden zur Deformation in Bezug gesetzt. Dabei wurden sowohl Literaturdaten als auch eigene strukturgeologische Befunde verwendet. Es konnten drei tektono-metamorphe Hauptphasen nachgewiesen werden: Die erste Phase (D1 entspricht dem variszischen Deckenbau. Dabei wurde eine M1-Metamorphose angelegt, die durch den bo-Index als Mitteldruck-Metamorphose charakterisiert werden kann. Das Strukturinventar belegt einen etwa südgerichteten tektonischen Transport während D1. Diese Phase ist in der Nördlichen Schuppenzone sowie im W-Teil der Pardailhan-Decke erhalten. Das Alter dieser Phase konnte in kambro-ordovizischen Gesteinen mit der K-Ar-Methode auf 340 bis 330 Ma datiert werden. Diese Alter zeigen eine gute Übereinstimmung mit Ar/Ar-Datierungen aus den im N angrenzenden grünschieferfaziellen Decken des Albigeois. In den tieferen Decken des Südflügels, die ursprünglich weiter im Süden gelegen haben, kann die D1-Deformation erst nach Ende der Flyschsedimentation an der Grenze Vise/Namur (<320 Ma) stattgefunden haben. Die zweite Phase (D2) entspricht dem Aufstieg des metamorphen Kemkomplexes. Im Kontakt mit dem aufsteigenden, heißen Kern ist der größere Teil der paläozoischen Hüllschichten kinematisch und thermisch geprägt wurden. Dabei sind Strukturen und Mineralbestand von D1 und M1 ganz oder teilweise gelöscht worden. Die Extensions-bedingte penetrative S2-Schieferung ist im größten Teil des Südflügels das dominante Flächensystem: dies gilt für das Parautochthon, die gesamte Faugeres-Decke. den westlichen Teil der Mont Peyroux-Decke, den östlichen Teil der Pardailhan- Decke und wahrscheinlich auch die Minervois-Decke. Der Grad der Mz-Metamorphose, die auch in den westlichen Monts de Lacaune (Nordflügel) die prägende Metamorphose ist, nimmt generell mit zunehmender Entfernung von der Axialzone ab. Der bo-Index belegt Niederdruck-metamorphe Bedingungen. K-Ar-Datierungen aus verschiedenen Decken des Südflügels ergeben für D2/M2 Werte zwischen 310 und 300 Ma. Dieses Altersspektrum entspricht Ar/Ar-Datierungen (etwa 311 bis 303 Ma; synkinematischer Biotit und Muskovit; Maluski et al.1991) aus Scherzonen am S-Rand der Axialzone, die während der Exhumierung angelegt wurden. Die K-Ar-Alter der paläozoischen Decken passen auch sehr gut zu U/Pb-Altem aus Paragneisen (308 Ma, Monazit; Gebauer et al. 1988), Graniten (308 Ma, Monazit) und migmatischen Gneisen (313 Ma; beide Krause et al. 2004) der Axialzone, die eine starke thermische Aktivität zu dieser Zeit belegen. Das dritte metamorphe Ereignis (M3) ist unter Anderem im Stephanbecken von Graissessac, nachgewiesen, das im Zuge der Extensionstektonik (D2) am ENE-Ende der Axialzone entstanden ist. Nach dem bisherigen Kenntnisstand ist diese Metamorphose statisch. Der bo-Index belegt - wie auch bei M2 - eine LP-Metamorphose. Sie wurde vermutlich durch magmatische Instrusionen hervorgerufen. M3 muss jünger sein als das U-Pb-Alter eines Tuffes im tiefen Teil der Stefan-Abfolge (c. 295 Ma). Dazu passen Rb-Sr Mineralisochronen von 292 bis 277 Ma aus zwei benachbarten Granitplutonen. Ähnliche Alter treten auch in Pegmatiten der Axialzone auf. Nicht alle der untersuchten Bereiche können eindeutig einer der drei tektono-metamorphen Hauptphasen zugeordnet werden (St. Gervais-Einheit im NE der Axialzone, östlicher Teil der Mont Peyroux-Decke). Dies liegt vielfach an einer unzureichenden strukturgeologischen Datenlage. Teilweise haben aber auch Alterationsprozesse stattgefunden, welche die K-Ar-Alter verjüngt haben, oder der regionale Metamorphosegrad ist sehr niedrig. Schließlich ist in schwach anchimetamorphen oder nur diagenetisch beeinflussten Gesteinen die bo-Index-Methode nicht anwendbar. Insgesamt bestätigen die regionalen Untersuchungen das Bild eines heißen Gneiskerns, der während seines Extensions-bedingten Aufstieges seine Hüllschichten syntektonisch aufheizt. Zusätzlich zur geodynamischen Fragestellung wurden in dieser Arbeit auch methodische Aspekte verfolgt. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Untersuchung der K-Na-Verteilung in den Illiten bzw. Muskoviten. Es hat sich gezeigt, dass einige Proben Paragonit und/oder K/Na-Illit rührten. Diese Minerale stören die Bestimmung der Illitkristallinität im Röntgendiffraktogramm, da sich ihre Peaks mit denen des Illit überlagern. Es wurden daher verschiedene "Peak-Fittings" durchgeführt, bei denen sich zum einen zeigte, dass der 10 A-Peak besser für das Fitting von Illit und diskretem Paragonit geeignet ist als der 5 A-Peak. Es wurde zudem festgestellt, dass es nur schwer oder gar nicht möglich ist, Illit und eine K/Na-Phase mit einer zufriedenstellenden Qualität zu fitten. da die Peakmaxima zu nahe beieinander liegen. Eine Mikrosondenanalyse (teilweise auch Mikrosonden- Mapping) der betreffenden Proben zeigte, wie unterschiedlich die K-Na-Verteilung in den Illiten im anchimetamorphen Bereich sein kann. Es wurden diskrete Mineralphasen, eine domänenartige Verteilung und auch relativ homogene Mischkristalle beobachtet.
Die Steinauer Höhle
(1914)
Hauptanliegen dieser Arbeit ist es, statistische Zusammenhänge zwischen der Nord-Atlantik-Oszillation (NAO) und der bodennahen Lufttemperatur in Europa zu untersuchen. Dazu wurden zunächst die Korrelationskoeffizienten nach Pearson, Kendall, Spearman und die Transinformation berechnet, sowie die zugehörigen Signifikanzen abgeschätzt. Diese Analysen wurden auch zeitlich gleitend durchgeführt, um mögliche Veränderungen im Einfluß der NAO auf die Temperatur nachweisen zu können. Weiterhin wurde mit Hilfe der selektiven Zeitreihenzerlegung nach signifikanten, charakteristischen zeitlichen Strukturen sowohl in der NAO als auch in den Zeitreihen der Lufttemperatur gesucht: Trend, glatte, saisonale, harmonische Komponente und Rauschen. Zweck dieser Untersuchung war es, gegebenenfalls gleichartige zeitliche Strukturen in der NAO und Temperatur zu finden, um den Zusammenhang zwischen NAO und Temperatur näher beschreiben zu können. Die Untersuchungen wurden fur den Zeitraum von 1871 bis 1990 in monatlicher, saisonaler und jährlicher Auflösung auf Basis von Zeitreihen der mittleren monatlichen Lufttemperatur 41 europäischer WMO- (World Meteorological Organization) Stationen, sowie zwei unterschiedlich definierten NAO-Index-Zeitreihen, die ebenfalls in Monatsmitteln vorlagen, durchgeführt. Ergänzend wurde auf einen globalen Datensatz von Temperaturflächenmitteln zuruckgegriffen, um auch aus globaler Sicht Aussagen uber Zusammenhänge zwischen NAO und bodennaher Lufttemperatur zu erhalten. Die Untersuchungen bezogen sich hierbei auf das Zeitintervall von 1892 bis 1994. Der Zusammenhang zwischen den in Europa beobachteten Temperaturen und der NAO ist linearer Natur und vor allem in den Wintermonaten ausgeprägt. Ein maximaler Zusammenhang findet sich im nordeuropäischen Winter mit einer erklärten Varianz um 40%. Ein Vergleich von extrem kalten Wintern mit der NAO hat gezeigt, daß extreme Kältereignisse nur bei einer schwachen NAO (negativer NAO-Index) auftreten. Im Jahresgang findet eine Verschiebung des durch die NAO beeinflußten Gebietes in Ost-West-Richtung statt. Das Minimum des Zusammenhanges besteht im Sommer bei maximaler Ost-Verschiebung. Weiterhin ist der Einfluß der NAO auf die Temperatur stark zonal ausgeprägt. Es besteht ein Nord-Süd-Gefälle von positiver Korrelation im Norden zu negativer im Süden Europas. Zu diesem Ergebnis führte sowohl die Analyse der Europadaten wie des globalen Datensatzes. Der Einfluß der NAO auf die Temperatur ist nicht stationär; seit Beginn dieses Jahrhunderts hat sich dieser zunehmend ostwärts verlagert. Ein signifikanter Trend konnte in den Indexreihen der NAO aber nicht nachgewiesen werden. Signifikante zeitliche Strukturen der NAO konnten im Bereich der niederfrequenten und auch hochfrequenten Variabilität gefunden werden. Die Winter-NAO (mittlerer Indexwert von Dezember bis Februar) zeigt insbesondere einen in den Wintertemperaturen (Temperaturmittel der Monate Dezember bis Februar) gleichartigen niederfrequenten Verlauf, der durch Polynome vierter und fünfter Ordnung beschrieben werden kann. Im Bereich der hochfrequenten Variabilität konnte mit Ausnahme der Sommer- und Herbstdaten in allen Indexreihen der NAO eine harmonische Schwingung mit einer Periode von etwa 7 Jahren detektiert werden. Die gleiche Schwingung findet sich in den Wintertemperaturen West- und Mitteleuropas.
Die öffentliche Klimadebatte scheint sich zu verselbständigen. Abgehoben von den Erkenntnissen der Fachwissenschaftler reden die einen von der "Klimakatastrophe", die uns demnächst mit voller Wucht treffen wird, wenn wir nicht sofort alles ganz anders machen; Panik ist ihnen das rechte Mittel, Aufmerksamkeit zu erregen. Die anderen sehen im "Klimaschwindel" einen Vorwand für Forschungsgelder und zusätzliche Steuerbelastung der Wirtschaft; ihre Strategie ist Verwirrung und Verharmlosung. Mit der Fixierung auf solche Extrempositionen werden wir den Herausforderungen der Zukunft sicherlich nicht gerecht. Höchste Zeit für eine Versachlichung und für einen klärenden Beitrag zum Verwirrspiel "Klima".
Die Genese der Leptinite und Paragneise zwischen Nordrach und Gengenbach im mittleren Schwarzwald
(1990)
Nachdem die Erforschung der anatektischen Prozesse lange Jahre das Bild des metamorphen Schwarzwalds prägte, wurden durch das Erkennen von Niedrigdruck- und Mitteldruck-Faziesserien (BLÜMEL 1983) und durch die lithologische Gliederung (WIMMENAUER 1984) neue Akzente im metamorphen Grundgebirge gesetzt. Im Rahmen des Kontinentalen Tiefbohrprogramms der Bundesrepublik Deutschland (KTB) wurde im Raum Nordrach-Gengenbach eine Leptinit-Paragneis-Wechselfolge kartiert. Vier Einheiten konnten unterschieden werden: (1) homogene Areale aus biotitarmen Leptiniten, (2) homogene Areale aus biotitreichen Leptiniten, (3) Areale aus verschiedenen, psammopelitischen Paragneisen und (4) eine Wechsellagerung im Aufschlussbereich zwischen Paragneisen und biotitarmen Leptiniten. Die ganze Wechselfolge stellt einen metamorphen, vulkano-sedimentären Komplex aus mindestens zwei verschiedenen Rhyolithen, rhyolithischen Tuffen, Tonsteinen, Grauwacken/Arkosen und Tuffiten dar. Die Struktur des Arbeitsgebiets wird durch die Wippersbach-Mulde, einen Bereich entlang des Haigerach-Tals mit Tendenz zu einem hochtemperatur-mylonitischen Gefüge und den Nordracher Granit, der parallel zur Foliation der Metamorphite intrudierte, geprägt. Im Mittelbachtal ist in streichender Verlängerung der Zone Diersburg-Berghaupten eine ca. 200 m breite Störungszone aufgeschlossen, die mehrphasig mylonitisch und kataklastisch überprägt wurde. Die biotitarmen Leptinite bestehen im wesentlichen aus 40 % Quarz und 60 % Feldspat. Sie sind nahezu massig, feinkörnig-ungleichkörnig (0,1 - 1 mm) mit amöboiden Kornformen. Mylonitische Gefüge kommen untergeordnet vor. Ihr Mineralbestand lautet: Quarz, Biotit, Granat, Sillimanit, Cordierit, Spinell, Ilmenit, Rutil. Die ehemaligen Hypersolvus-Feldspäte Mesoperthit und Antiperthit zeigen eine Entwicklungsreihe zu diskreten Plagioklas(An10-20)- und Orthoklas-Körnern. Um Granat ist eine Corona aus Cordierit-Quarz-Symplektit oder hellgrünem Biotit entwickelt. Die biotitreichen Leptinite haben durch den erhöhten Biotit-Gehalt (um 3 %) ein flaseriges Gefüge. Ihnen fehlt Mesoperthit, dafür führen sie reichlich Antiperthit (An20). Monazit ist ein charakteristischer akzessorischer Gemengteil. Die chemische Zusammensetzung der Leptinite entspricht der von Rhyolithen und ist über viele km nahezu konstant. Eine Probe ist stark an Uran verarmt. Die untersuchten Leptinite ähneln nach Auftreten, Chemismus und Metamorphose den Leptiniten von Todtmoos im Südschwarzwald. Die Paragneise werden in Quarz-Feldspat-reiche Meta-Grauwacken/Meta-Arkosen und Cordierit-reiche Meta-Pelite gegliedert. Das Gefüge ist feinkörnig, lagig-flaserig, teilweise mittelkörnig-migmatitisch und selten mylonitisch oder metablastisch. Der Mineralbestand lautet: Quarz, Plagioklas(An30), Antiperthit, Orthoklas, Biotit, Cordierit, Granat, Kyanit, Sillimanit (meist pseudomorph nach Kyanit), Andalusit (kontaktmetamorph), Spinell, Diaspor, Rutil, Graphit, Ilmenit und Sulfide. Die chemischen Analysen der Paragneise wurden mit denen von nicht metamorphen Sedimenten verglichen: die cordieritreichen Paragneise konnten als metamorphe Tongesteine bestimmt werden, die Quarz-Feldspat-reichen Paragneise sind metamorphe Grauwacken oder Arkosen, da sich Grauwacken und Arkosen nach ihrer chemischen Analyse nicht eindeutig unterscheiden lassen. Im Arbeitsgebiet gibt es nur ein kleines Amphibolit-Vorkommen. Es handelt sich um einen Cummingtonit-führenden Amphibolit, bei dem sich noch ein früheres Metamorphose-Stadium unter hohen Drücken nachweisen lässt. Der Strukturzustand der Alkalifeldspäte (Or85) ist lithologieabhängig und liegt zwischen Orthoklas und Maximum Mikroklin. Granat ist nur schwach diffusions-zoniert. Die Ca-reichen Zentren und Ca-armen Ränder der Granate zeigen eine Druckentlastung an. Aus den Biotit-Analysen (TiO2 bis 5,3 Gew.-%) wurde abgeleitet, da die Tschermak-Substitution die AlVI-Variation nicht erklären kann, sondern dass der AlVI-Gehalt in den untersuchten Biotiten wahrscheinlich vom Fe/(Fe+Mg)-Verhältnis des Gesteins abhängt. Cordierit (teilweise Fe-reich) ist meist pinitisiert. Bei einigen Piniten kann nicht ausgeschlossen werden, dass nach NEDELEC & PAQUET (1981) nicht Cordierit sondern eine Schmelze das Edukt war. Grüner und brauner Fe-Mg-Zn-Aluminat-Spinell kommt vorwiegend zusammen mit Cordierit (±Diaspor) als Corona um Kyanit vor. Das ganze Aggregat wird durch eine äußere Plagioklas-Corona vom Rest des Gesteins abgekapselt. Die metamorphe Entwicklung der untersuchten Gesteine beginnt mit einem druckbetonten Stadium (Hochdruck-Granulitfazies bis ?Eklogit-Fazies) und der Paragenese Granat + Kyanit + Hypersolvus-Feldspäte + Quarz ± Biotit. Die Temperatur lässt sich nur recht unsicher zu 700 °C abschätzen. Mit dem jetzt vorliegenden Plagioklas ergibt sich mit dem GPAQ-Thermobarometer, dem GRAIL- und dem GRIPS-Barometer ein Druck um 7-9 kbar, der als gut belegter Mindestdruck interpretiert wird. Falls aber während dieses Stadiums die Ca-reichen Granat-Zentren der biotitarmen Leptinite mit einem Hypersolvus-Alkalifeldspat (3 Mol-% Anorthit-Komponente nach der CIPW-Norm der Gesteinsanalyse) und Kyanit im Gleichgewicht standen, dann ergeben sich deutlich höhere Drücke von 14-19 kbar. Dieses Metamorphose-Stadium lässt sich mit dem geochronologischen 480 Ma-Ereignis (Ordovizium) korrelieren. Darauf folgt ein Druckentlastungs-Zwischenstadium mit der Umwandlung von Kyanit in Sillimanit und der Bildung der Spinell-Coronen um Al2SiO5-Minerale. Den Abschluss der Metamorphose-Entwicklung bildet ein statisches Cordieritisierungs-Stadium (LP-HT-Metamorphose, Cordierit-Kalifeldspat-Paragenese). Es bewirkte das statische Wachstum von reichlich Cordierit in Biotit-Sillimanit-reichen Teilgefügen und um Granat. Die Temperatur lag dabei nach dem Granat-Biotit-, dem Granat-Cordierit- und dem Granat-Ilmenit-Thermometer bei 650±50 °C. Der Druck betrug dabei nach dem GPAQ-Thermobarometer 3±2 kbar. Dieses Metamorphose-Stadium ist im NE des Raums Nordrach-Gengenbach stark ausgeprägt, im SW, wo das frühe, druckbetonte Stadium gut erhalten ist, nur schwach. Das statische Cordieritisierungs-Stadium lässt sich in das Karbon einstufen.
Mit dem mathematischen Werkzeug zur Filterung von Lärmprozessen, die für die Praktizierung der numerischen Wettervorhersage in ihrer Anfangszeit eine große Rolle gespielt hat, wird an den linearisierten Gleichungen für ein barotropes Flachwassermodell im β-Format die Frage behandelt, wie sich der Rossby-förmige Wellenmodus entwickelt, wenn gleichzeitige Trägheitsschwerewellenmoden infolge von veränderlichen filternden Gleichungen unterdrückt werden.
Zunächst werden einige analytische Grundbeziehungen einer lärmfreien Adjustierung von Anfangsfeldern ausgeführt. Dann richtet sich die Untersuchung auf lärmfilternde prognostische Modellgleichungen (Absch. 5, 6, 7). Aus dieser Analysis in Abhängigkeit von der Filterstufe findet man im Vergleich mit der konventionellen synoptisch-skaligen Rossby-Formel, die der Filterstufe Null entspricht, zum Teil erweiterte Wellengeschwindigkeiten der Rossby-förmigen Physik. Dabei treten sogar unerwartete neue Effekte auf, die wohl primär im Langwellenspektrum zählen.
Die Anwendung der WKB-Theorie zur Simulation der schwach nichtlinearen Dynamik von Schwerewellen
(2014)
Es ist schon seit Längerem bekannt, dass Schwerewellen die Zirkulation der mittleren Atmosphäre beeinflussen. Sie werden fast ausschließlich in der Troposphäre durch Prozesse wie Gebirgsüberströmung, Konvektionen, Frontogenese etc. erzeugt. Sie propagieren von ihrem Entstehungsort in der Troposphäre in die höheren Schichten der Atmosphäre und transportieren dabei ihre Energie und ihren Impuls. Unter der Voraussetzung, dass die Energie von Schwerewellen erhalten bleibt und die Dichte der Atmosphäre mit der Höhe exponentiell abnimmt, wächst die Amplitude der Schwerewellen so stark an, dass sie brechen und ihren Impuls in Stratosphäre und Mesosphäre deponieren. Als Folge davon beeinflussen Schwerewellen die großräumige Zirkulation der Atmosphäre und sind damit ein wichtiges Bindeglied, welches die Troposphäre mit anderen Atmosphärenbereichen verbindet. Folglich ist es wichtig, dass die Klima- und Wettermodelle in der Lage sind, die Schwerewellendynamik zu beschreiben. Bedauerlicherweise können diese Modelle nicht das komplette Schwerewellenspektrum auflösen. Somit müssen Schwerewellen in den Modellen parametrisiert werden. Viele Parametrisierungsschemen basieren auf Wentzel-Kramer-Brillouin(WKB)-Theorie. Die WKB-Gleichungen, die sogenannten Strahlengleichungen, beschreiben die räumliche und zeitliche Variation der Welleneigenschaften wie Wellenzahl, Wellenamplitude und Wellenfrequenz entlang der Charakteristiken, welche durch die lokale Gruppengeschwindigkeit vorgegeben sind. Die numerische Modelle, die auf den Strahlengleichungen basieren, werden als Strahlenmodelle bezeichnet. In Strahlenmodellen werden Schwerewellen durch Wellenteilchen dargestellt. Zur Zeit verwenden die Strahlenmodelle stationäre Strahlengleichungen, da die Wechselwirkung eines zeitabhängigen Schwerewellenfeldes mit einem zeit- und ortsabhängigen Hintergrund zu Problemen in Strahlenmodellen führen kann. Die Strahlengleichungen basieren auf der Annahme, dass sich nie zwei Wellenteilchen mit den unterschiedlichen Welleneigenschaften an einer Position befinden können. Wenn an einer Position zwei Wellenteilchen mit den unterschiedlichen Wellenzahlen befinden, entsteht sogenannte Kaustik: ein Punkt im Raum, an dem sich mehrere Charakteristiken kreuzen. Wenn eine Kaustik entsteht, kann die Wellenamplitude nicht mehr bestimmt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es mithilfe der WKB-Theorie die Ausbreitung von Schwerewellenpaketen in einer raum- und zeitabhängigen Hintergrundströmung zu beschreiben und ein numerisches Modell zu entwickeln, welches die Schwerewellen parametrisieren und ihre Wechselwirkung mit der raum- und zeitabhängigen Hintergrundströmung beschreiben kann.
Einfachheitshalber wird in dieser Arbeit nur die Wechselwirkung zwischen horizontal periodischen, vertikal lokalisierten Schwerewellenpaketen und der raum- und zeitabhängigen Hintergrundströmung betrachtet.
A suite of diagnostics is applied to in-situ aircraft measurements and one Chemistry-Climate Model (CCM) data to characterize the vertical structure of the Tropical Tropopause Layer (TTL). The diagnostics are based on vertical tracer profiles and relative vertical tracer gradients, using tropopause-referenced coordinates, and tracer-tracer relationships in the tropical Upper Troposphere/Lower Stratosphere (UT/LS).
Observations were obtained during four tropical campaigns performed from 1999 to 2006 with the research aircraft Geophysica and have been compared to the output of the ECHAM5/MESSy CCM. The model vertical resolution in the TTL (~500 m) allows for appropriate comparison with high-resolution aircraft observations and the diagnostics used highlight common TTL features between the model and the observational data.
The analysis of the vertical profiles of water vapour, ozone, and nitrous oxide, in both the observations and the model, shows that concentration mixing ratios exhibit a strong gradient change across the tropical tropopause, due to the role of this latter as a transport barrier and that transition between the tropospheric and stratospheric regimes occurs within a finite layer. The use of relative vertical ozone and carbon monoxide gradients, in addition to the vertical profiles, helps to highlight the region where this transition occurs and allows to give an estimate of its thickness. The analysis of the CO-O3 and H2O-O3 scatter plots and of the Probability Distribution Function (PDF) of the H2O-O3 pair completes this picture as it allows to better distinguish tropospheric and stratospheric regimes that can be identified by their different chemical composition.
The joint analysis and comparison of observed and modelled data allows to state that the model can represent the background TTL structure and its seasonal variability rather accurately. The model estimate of the thickness of the interface region between tropospheric and stratospheric regimes agrees well with average values inferred from observations. On the other hand, the measurements can be influenced by regional scale variability, local transport processes as well as deep convection, that can not be captured by the model.
A suite of diagnostics is applied to in-situ aircraft measurements and one Chemistry-Climate Model (CCM) data to characterize the vertical structure of the Tropical Tropopause Layer (TTL). The diagnostics are based on the vertical tracers profiles, relative vertical tracers gradients, and tracer-tracer relationships in the tropical Upper Troposphere/Lower Stratosphere (UT/LS), using tropopause coordinates.
Observations come from the four tropical campaigns performed from 1998 to 2006 with the research aircraft Geophysica and have been directly compared to the output of the ECHAM5/MESSy CCM. The model vertical resolution in the TTL allows for appropriate comparison with high-resolution aircraft observations and the diagnostics used highlight common TTL features between the model and the observational data.
The analysis of the vertical profiles of water vapour, ozone, and nitrous oxide, in both the observations and the model, shows that concentration mixing ratios exhibit a strong gradient change across the tropical tropopause, due to the role of this latter as a transport barrier and that transition between the tropospheric and stratospheric regimes occurs within a finite layer. The use of relative vertical ozone gradients, in addition to the vertical profiles, helps to highlight the region where this transition occurs and allows to give an estimate of its thickness. The analysis of the CO-O3 and H2O-O3 scatter plots and of the Probability Distribution Function (PDF) of the H2O-O3 pair completes this picture as it allows to better distinguish tropospheric and stratospheric regimes that can be identified, first, by their differing chemical composition.
The joint analysis and comparison of observed and modelled data allows us to evaluate the capability of the model in reproducing the observed vertical structure of the TTL and its variability, and also to assess whether observations from particular regions on a monthly timescale can be representative of the fine scale mean structure of the Tropical Tropopause Layer.
Development of the flash-heating method for measuring melting temperatures in the diamond anvil cell
(2016)
A new ‘laser flash-heating’ method has been developed for measuring melting temperatures above 2000 K in a diamond anvil cell at gigapascals of pressure. It overcomes the general difficulties in detecting an onset of melting in a diamond anvil cell. It also circumvents the notorious experimental difficulties associated with the long heating durations of the CW laser-heating and the short timescales in the pulsed laser-heating and shock-compression experiments.
In this method, the duration of heating a sample is tuned to avoid chemical reactions of the sample with the diamond anvils and the surrounding pressure medium, while maintaining the accuracy of the temperature measurements. The absence of chemical reactions is confirmed by the EDS technique. Melt detection is now unambiguous from the analysis of textures on the surface and in depth of the recovered samples using the SEM and FIBM techniques, respectively. Using this method, the following has been achieved.
1. The melting curve of hcp-Re has been measured to 48 GPa, 4200 K for the first time. It has a significantly steeper slope than those observed for other transition metals like W and Mo with bcc structures. Above 20 GPa, Re becomes the most refractory metal surpassing W.
2. The melting curve of bcc-Mo has been measured to 45 GPa, 3100 K. It agrees with previous melt-slopes approaching zero value with pressure as reported in the LHDAC experiments using ADXRD and visual observation techniques for inferring the onset of melting. Flash-heating experiments at pressures higher than 50 GPa are required to further corroborate the flat melt-slope and resolve the long standing controversy about melting of Mo.
3. The melting curve of bcc-Ta has been measured to 85 GPa, 4300 K. Unlike in previous experiments using ADXRD and visual observation as probes, it has been tightly bracketed with an unambiguous detection of the onset of melting, without any chemical reaction. The present melting curve cannot be reconciled with shock measurements and theoretical predictions, and the precision of measurements calls for a reevaluation of theoretical, shock compression, and other DAC approaches to determine melting at high pressures. A further analysis with TEM technique for investigating the structure of the heated portion below and above melting temperatures of Ta may benefit in resolving various phase transitions predicted to explain the vast discrepancies in the reported melt-slopes.
When extrapolated to one atmosphere pressure, all the measured flashmelting curves agree with the known melting points.
In this work we present the setup and first tests of our new BIO IN detector. This detector is designed to classify atmospheric ice nuclei (IN) for their biological content. Biological material is identified via its auto-fluorescence (intrinsic fluorescence) after irradiation with UV radiation. Ice nuclei are key substances for precipitation development via the Bergeron–Findeisen process. The level of scientific knowledge regarding origin and climatology (temporal and spatial distribution) of IN is very low. Some biological material is known to be active as IN even at relatively high temperatures of up to –2°C (e.g. pseudomonas syringae bacteria). These biological IN could have a strong influence on the formation of clouds and precipitation. We have designed the new BIO IN sensor to analyze the abundance of IN of biological origin. The instrument will be flown on one of the first missions of the new German research aircraft ''HALO'' (High Altitude and LOng Range).
Development of a Bioaerosol single particle detector (BIO IN) for the Fast Ice Nucleus CHamber FINCH
(2010)
In this work we present the setup and first tests of our new BIO IN detector. This detector was constructed to classify atmospheric ice nuclei (IN) for their biological content. It is designed to be coupled to the Fast Ice Nucleus CHamber FINCH. If one particle acts as an ice nucleus, it will be at least partly covered with ice at the end of the development section of the FINCH chamber. The device combines an auto-fluorescence detector and a circular depolarization detector for simultaneous detection of biological material and discrimination between water droplets, ice crystals and non activated large aerosol particles. The excitation of biological material with UV light and analysis of auto-fluorescence is a common principle used for flow cytometry, fluorescence microscopy, spectroscopy and imaging. The detection of auto-fluorescence of airborne single particles demands some more experimental effort. However, expensive commercial sensors are available for special purposes, e.g. size distribution measurements. But these sensors will not fit the specifications needed for the FINCH IN counter (e.g. high sample flow of up 10 LPM). The newly developed -low cost- BIO IN sensor uses a single high-power UV LED for the electronic excitation instead of much more expensive UV lasers. Other key advantages of the new sensor are the low weight, compact size, and the little effect on the aerosol sample, which allows it to be coupled with other instruments for further analysis. The instrument will be flown on one of the first missions of the new German research aircraft "HALO" (High Altitude and LOng range).
A new version of a digital global map of irrigation areas was developed by combining irrigation statistics for 10825 sub-national statistical units and geo-spatial information on the location and extent of irrigation schemes. The map shows the percentage of each 5 arc minute by 5 arc minute cell that was equipped for irrigation around the year 2000. It is thus an important data set for global studies related to water and land use. This paper describes the data set and the mapping methodology and gives, for the first time, an estimate of the map quality at the scale of countries, world regions and the globe. Two indicators of map quality were developed for this purpose, and the map was compared to irrigated areas as derived from two remote sensing based global land cover inventories. We plan to further improve that data set; therefore comments, information and data that might contribute to that effort are highly welcome.
A new version of a digital global map of irrigation areas was developed by combining irrigation statistics for 10 825 sub-national statistical units and geo-spatial information on the location and extent of irrigation schemes. The map shows the percentage of each 5 arc minute by 5 arc minute cell that was equipped for irrigation around the year 2000. It is thus an important data set for global studies related to water and land use. This paper describes the data set and the mapping methodology and gives, for the first time, an estimate of the map quality at the scale of countries, world regions and the globe. Two indicators of map quality were developed for this purpose, and the map was compared to irrigated areas as derived from two remote sensing based global land cover inventories.
Amines are potentially important for atmospheric new particle formation, but their concentrations are usually low with typical mixing ratios in the pptv range or even smaller. Therefore, the demand for highly sensitive gas-phase amine measurements has emerged in the last several years. Nitrate chemical ionization mass spectrometry (CIMS) is routinely used for the measurement of gasphase sulfuric acid in the sub-pptv range. Furthermore, extremely low volatile organic compounds (ELVOCs) can be detected with a nitrate CIMS. In this study we demonstrate that a nitrate CIMS can also be used for the sensitive measurement of dimethylamine (DMA, (CH3/2NH) using the NO3−•(HNO3)1 − 2• (DMA) cluster ion signal. Calibration measurements were made at the CLOUD chamber during two different measurement campaigns. Good linearity between 0 and ~120 pptv of DMA as well as a sub-pptv detection limit of 0.7 pptv for a 10 min integration time are demonstrated at 278K and 38% RH.
Analysis of stratospheric transport from an observational point of view is frequently realized by evaluation of mean age of air values from long-lived trace gases. However, this provides more insight into general transport strength and less into its mechanism. Deriving complete transit time distributions (age spectra) is desirable, but their deduction from direct measurements is difficult and so far primarily achieved by assumptions about dynamics and spectra themselves. This paper introduces a modified version of an inverse method to infer age spectra from mixing ratios of short-lived trace gases. For a full description of transport seasonality the formulation includes an imposed seasonal cycle to gain multimodal spectra. The EMAC model simulation used for a proof of concept features an idealized dataset of 40 radioactive trace gases with different chemical lifetimes as well as 40 chemically inert pulsed trace gases to calculate pulse age spectra. Annual and seasonal mean inverse spectra are compared to pulse spectra including first and second moments as well as the ratio between them to assess the performance on these time scales. Results indicate that the modified inverse age spectra match the annual and seasonal pulse age spectra well on global scale beyond 1.5 years mean age of air. The imposed seasonal cycle emerges as a reliable tool to include transport seasonality in the age spectra. Below 1.5 years mean age of air, tropospheric influence intensifies and breaks the assumption of single entry through the tropical tropopause, leading to inaccurate spectra in particular in the northern hemisphere. The imposed seasonal cycle wrongly prescribes seasonal entry in this lower region and does not lead to a better agreement between inverse and pulse age spectra without further improvement. As the inverse method aims for future implementation on in situ observational data, possible critical factors for this purpose are delineated finally.
Deriving stratospheric age of air spectra using an idealized set of chemically active trace gases
(2019)
Analysis of stratospheric transport from an observational point of view is frequently realized by evaluation of the mean age of air values from long-lived trace gases. However, this provides more insight into general transport strength and less into its mechanism. Deriving complete transit time distributions (age spectra) is desirable, but their deduction from direct measurements is difficult. It is so far primarily based on model work. This paper introduces a modified version of an inverse method to infer age spectra from mixing ratios of short-lived trace gases and investigates its basic principle in an idealized model simulation. For a full description of transport seasonality the method includes an imposed seasonal cycle to gain multimodal spectra. An ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) model simulation is utilized for a general proof of concept of the method and features an idealized dataset of 40 radioactive trace gases with different chemical lifetimes as well as 40 chemically inert pulsed trace gases to calculate pulse age spectra. It is assessed whether the modified inverse method in combination with the seasonal cycle can provide matching age spectra when chemistry is well-known. Annual and seasonal mean inverse spectra are compared to pulse spectra including first and second moments as well as the ratio between them to assess the performance on these timescales. Results indicate that the modified inverse age spectra match the annual and seasonal pulse age spectra well on global scale beyond 1.5 years of mean age of air. The imposed seasonal cycle emerges as a reliable tool to include transport seasonality in the age spectra. Below 1.5 years of mean age of air, tropospheric influence intensifies and breaks the assumption of single entry through the tropical tropopause, leading to inaccurate spectra, in particular in the Northern Hemisphere. The imposed seasonal cycle wrongly prescribes seasonal entry in this lower region and does not lead to a better agreement between inverse and pulse age spectra without further improvement. Tests with a focus on future application to observational data imply that subsets of trace gases with 5 to 10 species are sufficient for deriving well-matching age spectra. These subsets can also compensate for an average uncertainty of up to ±20 % in the knowledge of chemical lifetime if a deviation of circa ±10 % in modal age and amplitude of the resulting spectra is tolerated.
During the SHIVA (Stratospheric Ozone: Halogen Impacts in a Varying Atmosphere) project an extensive dataset of all halogen species relevant for the atmospheric budget of total organic bromine has been collected in the West Pacific region using the FALCON aircraft operated by the German Aerospace agency DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) covering a vertical range from the planetary boundary layer up to the ceiling altitude of the aircraft of 13 km. In total, more than 700 measurements were performed with the newly developed fully-automated in-situ instrument GHOST-MS (Gas cHromatograph for the Observation of Tracers – coupled with a Mass Spectrometer) by the Goethe University of Frankfurt (GUF) and with the onboard whole-air sampler WASP with subsequent ground based state-of-the-art GC/MS analysis by the University of East Anglia (UEA). Both instruments yield good agreement for all major (CHBr3 and CH2Br2) and minor (CHBrCl, CHBrCl2 and CHBr2Cl) VSLS (very short-lived substances), at least at the level of their 2 σ measurement uncertainties. In contrast to the suggestion that the Western Pacific could be a major source region for VSLS (Pyle et al., 2011), we found only slightly enhanced mixing ratios of brominated halogen source gases relative to the levels reported in Montzka et al. (2011) for other tropical regions. A budget for total organic bromine, including all four halons,CH3Br and the VSLS, is derived for the upper troposphere, the input region for the TTL and thus also for the stratosphere, compiled from the SHIVA dataset. With exception of the two minor VSLS CHBrCl2 and CHBr2Cl, excellent agreement with the values reported in Montzka et al. (2011) is found, while being slightly higher than previous studies from our group based on balloon-borne measurements.
Recent analysis of long-term balloon-borne measurements of Antarctic stratospheric condensation nuclei (CN) and temperature combined with global model calculations showed the wide extent of a mid stratospheric layer of new particles. Here the nucleation model SAWNUC is used to derive Antarctic stratospheric gaseous sulfuric acid profiles and to investigate the nucleation process of this CN layer. The sulfuric acid profiles were derived for an altitude range of 18-32 km between July and October by simulating air parcel trajectories that descend inside the polar vortex and calculating the sulfuric acid amount that reproduces the observations. The derived sulfuric acid concentrations (volume mixing ratios) are of the order of magnitude of 104 cm-3 (10-14) in July. In the following months the concentrations increase to about 107 cm-3 (10 exp -11) in October. They depend strongly on the temperature because a given temperature leaves only a small sulfuric acid range to reproduce the observed magnitude of CN. Ion-induced nucleation occurs. However, while it dominates nucleation at higher temperatures it has no significant influence on the nucleation rates at lower temperatures. Preexisting particles significantly reduce nucleation at sulfuric acid mixing ratios below 1 ppt. First estimates of sulfuric acid production rates range from 0.5 to about 500 molecules cm-3 s-1. A production mechanism for gaseous sulfuric acid during the Antarctic winter seems to be necessary to fully explain the observations. The derived sulfuric acid profiles compare well with midlatitude and Arctic sulfuric acid concentrations.
Derivation and characterization of a new filter for nonlinear high-dimensional data assimilation
(2015)
Data assimilation (DA) combines model forecasts with real-world observations to achieve an optimal estimate of the state of a dynamical system. The quality of predictions in nonlinear and chaotic systems such as atmospheric or oceanic circulation is strongly sensitive to the initial conditions. Therefore, beyond the consistent reconstruction of past states, a primary relevance of advanced DA methods concerns the proper model initialization. The ensemble Kalman filter (EnKF) and its deterministic variants, mostly square root filters such as the ensemble transform Kalman filter (ETKF), represent a popular alternative to variational DA schemes. They are applied in a wide range of research and operations. Their forecast step employs an ensemble integration that fully respects the nonlinear nature of the analyzed system. In the analysis step, they implicitly assume the prior state and observation errors to be Gaussian. Consequently, in nonlinear systems, the mean and covariance of the analysis ensemble are biased and these filters remain suboptimal. In contrast, the fully nonlinear, non-Gaussian particle filter (PF) relies on Bayes' theorem without further assumptions, which guarantees an exact asymptotic behavior. However, it is exposed to weight collapse, particularly in higher-dimensional settings, known as the curse of dimensionality.
This work presents a new method to obtain an analysis ensemble with mean and covariance that exactly match the corresponding Bayesian estimates. This is achieved by a deterministic matrix square root transformation of the forecast ensemble, and subsequently a suitable random rotation that significantly contributes to filter stability while preserving the required second-order statistics. The forecast step remains as in the ETKF. The algorithm, which is fairly easy to implement and computationally efficient, is referred to as the nonlinear ensemble transform filter (NETF). The limitation with respect to fully-nonlinear filtering is that the NETF only considers the mean and covariance of the Bayesian analysis density, neglecting higher-order moments.
The properties and performance of the proposed algorithm are investigated via a set of experiments. The results indicate that such a filter formulation can increase the analysis quality, even for relatively small ensemble sizes, compared to other ensemble filters in nonlinear, non-Gaussian scenarios. They also confirm that localization enhances the applicability of this PF-inspired scheme in larger-dimensional systems. Finally, the novel filter is coupled to a large-scale ocean general circulation model with a realistic observation scenario. The NETF remains stable with a small ensemble size and shows a consistent behavior. Additionally, its analyses exhibit low estimation errors, as revealed by a comparison with a free ensemble integration and the ETKF. The results confirm that, in principle, the filter can be applied successfully and as simple as the ETKF in high-dimensional problems. No further modifications are needed, even though the algorithm is only based on the particle weights. Thus, it is able to overcome the curse of dimensionality, even in deterministic systems. This proves that the NETF constitutes a promising and user-friendly method for nonlinear high-dimensional DA.
Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Vergleich des ASTER GDEM und SRTM, zweier kostenlos verfügbarer, digitaler Geländehöhenmodelle mit nahezu globaler Abdeckung. Die Untersuchungsgebiete befinden sich im Kleinwalsertal (Österreich) und in Südhessen (Deutschland). Der Vergleich der Geländehöhendaten erfolgt durch die Ermittlung der Höhenabweichung zu Referenzhöhen, die aus hochauflösenden amtlichen Geländemodellen ermittelt wurden. Die Höhenabweichung wurde zudem für bestimmte geomorphologische Oberflächenformen und Landbedeckungen ermittelt. Des Weiteren werden die Geländehöhendaten auf ihre Eignung für geomorphometrische und hydrologische Analysen bewertet.
Der Paläontologe und das Meer : Eberhard Gischler erforscht das Klimagedächtnis von Korallenriffen
(2018)
Measurements of vertical velocity from vertically pointing Doppler lidars are used to derive the profiles of vertical velocity variance. Observations were taken during the FESSTVaL (Field Experiment on Submesoscale Spatio-Temporal Variability in Lindenberg) campaign during the warm seasons of 2020 and 2021. Normalized by the square of convective velocity scale, the average vertical velocity variance profile follows the universal profile of Lenschow et al. (1980), however, daily profiles still show a high day-to-day variability. We found that moisture transport and the content of moisture in the boundary layer could explain the remaining variability of the normalized vertical velocity variance. The magnitude of the normalized vertical velocity variance is highest on clear-sky days, and decreases as the relative humidity increase and surface latent heat flux decrease in cloud-topped and rainy days. This suggests that moisture content and moisture transport are limiting factors for the intensity of turbulence in the convective boundary layer. We also found that the intensity of turbulence decreases with an increase in boundary layer cloud fraction during FESSTVaL, while the latent heating in the cloud layer was not a relevant source of turbulence in this case. We conclude that a new vertical velocity scale has to be defined that would take into account the moist processes in the convective boundary layer.
Measurements of vertical velocity from vertically pointing Doppler lidars are used to derive the profiles of normalized vertical velocity variance. Observations were taken during the FESSTVaL (Field Experiment on Submesoscale Spatio-Temporal Variability in Lindenberg) campaign during the warm seasons of 2020 and 2021. Normalized by the square of the convective velocity scale, the average vertical velocity variance profile follows the universal profile of Lenschow et al. (1980). However, daily profiles still show a high day-to-day variability. We found that moisture transport and the content of moisture in the boundary layer could explain the remaining variability of the normalized vertical velocity variance. The magnitude of the normalized vertical velocity variance is highest on clear-sky days and decreases as the absolute humidity increases and surface latent heat flux decreases on cloud-topped days. This suggests that moisture content and moisture transport are limiting factors for the intensity of turbulence in the convective boundary layer. We also found that the intensity of turbulence decreases with an increase in the boundary layer cloud fraction during FESSTVaL, while the latent heating in the cloud layer was not a relevant source of turbulence in this case. We conclude that a new vertical velocity scale has to be defined that would take into account the moist processes in the convective boundary layer.
Chlorine and bromine atoms can lead to catalytic destruction of ozone in the stratosphere. Therefore the use and production of ozone depleting substances (ODS) containing chlorine and bromine is regulated by the Montreal Protocol to protect the ozone layer. Equivalent Effective Stratospheric Chlorine (EESC) has been adapted as an appropriate metric to describe the combined effects of chlorine and bromine released from halocarbons on stratospheric ozone. Here we revisit the concept of calculating EESC. We derive a new formulation of EESC based on an advanced concept of ODS propagation into the stratosphere and reactive halogen release. A new transit time distribution is introduced in which the age spectrum for an inert tracer is weighted with the release function for inorganic halogen from the source gases. This distribution is termed the “release time distribution”. The improved formulation shows that EESC levels in the year 1980 for the mid latitude lower stratosphere were significantly lower than previously calculated. 1980 marks the year commonly defined as the onset of anthropogenic ozone depletion in the stratosphere. Assuming that the EESC value must return to the same level in order for ozone to fully recover, we show that it will take more than 10 years longer than currently assumed in this region of the stratosphere. Based on the improved formulation, EESC level at mid-latitudes will reach this landmark only in 2060. We also present a range of sensitivity studies to investigate the effect of changes and uncertainties in the fractional release factors and in the assumptions on the shape of the release time distributions. We conclude that, under the assumptions that all other atmospheric parameters like stratospheric dynamics and chemistry are unchanged, the recovery of mid latitude stratospheric ozone would be expected to be delayed by about a 10 years, in a similar way as EESC.
Strain localization in the lithosphere and the formation, evolution, and maintenance of resulting plate boundaries play a crucial role in plate tectonics and thermo‐chemical mantle convection. Previously activated lithospheric deformation zones often appear to maintain a “memory” of weakening, leading to tectonic inheritance within plate reorganizations including the Wilson cycle. Different mechanisms have been proposed to explain such strain localization, but it remains unclear which operates on what spatio‐temporal scales, and how to best incorporate them in large‐scale mantle convection models. Here, we analyze two candidates, (1), grain‐size sensitive rheology and, (2), damage‐style parameterizations of yield, stress which are sometimes used to approximate the former. Grain‐size reduction due to dynamic recrystallization can drive localization in the ductile domain, and grain growth provides a time‐dependent rheological hardening component potentially enabling the preservation of rheological heterogeneities. We compare the dynamic weakening and hardening effects as well as the timescales of strength evolution for a composite rheology including grain‐size dynamics with a pseudo‐plastic rheology including damage‐ (or “strain”‐) dependent weakening. We explore the implications of different proposed grain‐size evolution laws, and test to which extent strain‐dependent rheologies can mimic the weakening and hardening effects of the more complex micro‐physical behavior. Such an analysis helps to better understand the parallels and differences between various strain‐localization modeling approaches used in different tectonics and geodynamics communities. More importantly, our results contribute to efforts to identify the key ingredients of strain‐localization and damage hysteresis within plate tectonics and how to represent those in planetary‐scale modeling.