Geowissenschaften
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Wasser weltweit : wie groß sind die globalen Süßwasserressourcen, und wie nutzt sie der Mensch?
(2008)
Ohne Wasser kein Leben – die ersten organischen Moleküle entwickelten sich im Wasser, aus Wasser plus Kohlenstoff und Stickstoff, und auch heute brauchen Pflanzen, Tiere und Menschen viel Wasser, um zu überleben. Die Erde ist der einzige Planet mit flüssigem Wasser und der einzige Planet, auf dem es Leben gibt, zumindest in unserem Sonnensystem. Zwei Umstände bewirken gemeinsam, dass nur die Erde die richtige Temperatur für flüssiges Wasser an ihrer Oberfl äche hat: ihr Abstand zur Sonne und ihre Masse. Aufgrund ihrer ausreichend großen Masse kann sie eine Atmosphäre halten, die die mittlere Oberflächentemperatur von –18 °C auf +15 °C erhöht. Nur daher konnte sich im Frühstadium der Erdentstehung das Wasser, das in großen Mengen aus dem Erdinnern ausgaste, an der Oberfläche als flüssiges Wasser in den Ozeanen sammeln.
Wolken haben einen maßgeblichen Einfluss auf den Wasserhaushalt der Erde, das Wettergeschehen und das Klima. Sie wissenschaftlich zu beschreiben, ist schwierig – und das erschwert die Niederschlagsvorhersage ebenso wie die Klimamodellierung. Wichtig für die Entstehung von Regen in unseren Breiten sind Eispartikel. Sie machen einen großen Teil der Wolken aus. Doch wie bilden sie sich, und warum sind sie für viele physikalische Prozesse in den Wolken unentbehrlich? Und schließlich: Wirkt sich menschliches Handeln auf die Wolken aus?
Staubwolken sind im Universum die Geburtsstätten neuer Sterne. Dort wiederholen sich Prozesse, die vor 4,56 Milliarden Jahren auch zur Entstehung unseres Sonnensystems geführt haben. Noch heute gibt es Zeugen aus dieser Zeit: Kometenstaub, Sternenstaub und interstellarer Staub. Die »Stardust-Mission« hat sie eingefangen, und Frankfurter Geowissenschaftler haben darin – dank modernster Labor-Analytik – erstaunliche Funde gemacht.
The Match method for the quantification of polar chemical ozone loss is investigated mainly with respect to the impact of the transport of air masses across the vortex edge. For the winter 2002/03, we show that significant transport across the vortex edge occurred and was simulated by the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere. In-situ observations of inert tracers and ozone from HAGAR on the Geophysica aircraft and balloon-borne sondes, and remote observations from MIPAS on the ENVISAT satellite were reproduced well by CLaMS. The model even reproduced a small vortex remnant that remained a distinct feature until June 2003 and was also observed in-situ by a balloon-borne whole air sampler. We use this CLaMS simulation to quantify the impact of transport across the vortex edge on ozone loss estimates from the Match method. We show that a time integration of the determined vortex average ozone loss rates, as performed in Match, results in a larger ozone loss than the polar vortex average ozone loss in CLaMS. The determination of the Match ozone loss rates is also influenced by the transport of air across the vortex edge. We use the model to investigate how the sampling of the ozone sondes on which Match is based represents the vortex average ozone loss rate. Both the time integration of ozone loss and the determination of ozone loss rates for Match are evaluated using the winter 2002/2003 CLaMS simulation. These impacts can explain the majority of the differences between CLaMS and Match column ozone loss. While the investigated effects somewhat reduce the apparent discrepancy in January ozone loss rates reported earlier, a distinct discrepancy between simulations and Match remains. However, its contribution to the accumulated ozone loss over the winter is not large.
The total stratospheric organic chlorine and bromine burden was derived from balloon-borne measurements in the tropics (Teresina, Brazil, 5°04´ S, 42°52´ W) in 2005. Whole air samples were collected cryogenically at altitudes between 15 and 34 km. For the first time, we report measurements of a set of 28 chlorinated and brominated substances in the tropical upper troposphere and stratosphere including ten substances with an atmospheric lifetime of less than half a year. The substances were quantified using pre-concentration techniques followed by Gas Chromatography with Mass Spectrometric detection. In the tropical tropopause layer at altitudes between 15 and 17 km we found 1.1–1.4% of the chlorine and 6–8% of the bromine to be present in the form of very short-lived organic compounds. By combining the data with tropospheric reference data and age of air observations the abundances of inorganic chlorine and bromine (Cly and Bry) were derived. At an altitude of 34 km we calculated 3062 ppt of Cly and 17.5 ppt of Bry from the decomposition of both long- and short-lived organic source gases. Furthermore we present indications for the presence of additional organic brominated substances in the tropical upper troposphere and stratosphere.
During the second part of the TROCCINOX campaign that took place in Brazil in early 2005, chemical species were measured on-board the high-altitude research aircraft Geophysica (ozone, water vapor, NO, NOy, CH4 and CO) in the altitude range up to 20 km (or up to 450 K potential temperature), i.e. spanning the entire TTL region roughly extending between 350 and 420 K. Here, analysis of transport across the TTL is performed using a new version of the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS). In this new version, the stratospheric model has been extended to the earth surface. Above the tropopause, the isentropic and cross-isentropic advection in CLaMS is driven by meteorological analysis winds and heating/cooling rates derived from a radiation calculation. Below the tropopause, the model smoothly transforms from the isentropic to the hybrid-pressure coordinate and, in this way, takes into account the effect of large-scale convective transport as implemented in the vertical wind of the meteorological analysis. As in previous CLaMS simulations, the irreversible transport, i.e. mixing, is controlled by the local horizontal strain and vertical shear rates. Stratospheric and tropospheric signatures in the TTL can be seen both in the observations and in the model. The composition of air above ≈350 K is mainly controlled by mixing on a time scale of weeks or even months. Based on CLaMS transport studies where mixing can be completely switched off, we deduce that vertical mixing, mainly driven by the vertical shear in the tropical flanks of the subtropical jets and, to some extent, in the the outflow regions of the large-scale convection, offers an explanation for the upward transport of trace species from the main convective outflow at around 350 K up to the tropical tropopause around 380 K.
The ENVISAT validation programme for the atmospheric instruments MIPAS, SCIAMACHY and GOMOS is based on a number of balloon-borne, aircraft, satellite and ground-based correlative measurements. In particular the activities of validation scientists were coordinated by ESA within the ENVISAT Stratospheric Aircraft and Balloon Campaign or ESABC. As part of a series of similar papers on other species [this issue] and in parallel to the contribution of the individual validation teams, the present paper provides a synthesis of comparisons performed between MIPAS CH4 and N2O profiles produced by the current ESA operational software (Instrument Processing Facility version 4.61 or IPF v4.61, full resolution MIPAS data covering the period 9 July 2002 to 26 March 2004) and correlative measurements obtained from balloon and aircraft experiments as well as from satellite sensors or from ground-based instruments. In the middle stratosphere, no significant bias is observed between MIPAS and correlative measurements, and MIPAS is providing a very consistent and global picture of the distribution of CH4 and N2O in this region. In average, the MIPAS CH4 values show a small positive bias in the lower stratosphere of about 5%. A similar situation is observed for N2O with a positive bias of 4%. In the lower stratosphere/upper troposphere (UT/LS) the individual used MIPAS data version 4.61 still exhibits some unphysical oscillations in individual CH4 and N2O profiles caused by the processing algorithm (with almost no regularization). Taking these problems into account, the MIPAS CH4 and N2O profiles are behaving as expected from the internal error estimation of IPF v4.61 and the estimated errors of the correlative measurements.
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.