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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.