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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.
In Ergänzung zu einem vorangegangenen Projekt (Schönwiese et al., 2005) ist in der vorliegenden Studie eine weitere extremwertstatistische Untersuchung durchgeführt worden. Dazu wurden auf der Basis von täglichen Klimadaten aus Hessen und Umgebung (49°N bis 52°N, 7°O bis 11°O), und zwar der Temperatur von 53 Stationen und des Niederschlages von 84 Stationen, Schwellen extremer Werte definiert, um die Anzahl der Über- bzw. Unterschreitungen dieser Schwellen auf signifikante Trends hin zu untersuchen. Bei der Temperatur findet sich dabei eine systematische Zunahme von Hitzetagen (Maximumtemperatur über 30 °C) im August, wohingegen im Juli fast keine, und im Juni nur vereinzelt signifikante Zunahmen von Hitzetagen gefunden wurden. Hierbei zeigt sich, wie auch bei anderen Temperatur-Schwellen eine Abnahme der Signifikanz mit zunehmender Schwellenhöhe, was durch selteneres Auftreten besonders extremer Ereignisse verursacht wird. Im Winter und Frühjahr hat entsprechend die Anzahl der Frost- bzw. Eistage (Minimum- bzw. Maximumtemperatur unter 0 °C) signifikant abgenommen. Besonders ausgeprägt ist dies für die Frosttage im Frühling der Fall. Beim Niederschlag hat im Sommer, wiederum vor allem im August, die Anzahl von Trockentagen zugenommen. Extrem hohe Niederschlagssummen sind dagegen in dieser Jahreszeit seltener geworden, in den anderen Jahreszeiten jedoch häufiger. Vor allem der März zeichnet sich durch verbreitet hochsignifikante Zunahmen von Tagen mit Starkniederschlägen aus. Die Erhaltungsneigung von besonders warmen bzw. kalten Witterungen hat sich in den meisten Monaten nicht signifikant verändert. Es ist jedoch eine Neigung zu kürzeren relativ einheitlichen Witterungsabschnitten im Februar und März, sowie zu längeren im Oktober und November zu beobachten. Diese Ergebnisse sind jedoch vermutlich nicht sehr robust, da sich bei einer Verkürzung des Zeitfensters der Autokorrelationsfunktion die Signifikanzen teilweise (vor allem im April) deutlich verändern. Bei den Trends der Zahl der Trockenperioden erkennt man im Sommer einen positiven Trend; sie nehmen somit zu. Dies gilt sowohl für die 7-tägigen als auch für die 11-tägigen Trockenperioden. Die übrigen Jahreszeiten zeigen bei den 7-tägigen Trockenperioden nur schwache oder negative Trends. Bei den 11-tägigen Trockenperioden gilt dies nur für das Frühjahr und den Herbst, im Winter sind die Trends im Norden überwiegend positiv, im Süden negativ. Betrachtet man die Länge der längsten Trockenperioden, so nimmt diese im Sommer zu, im Frühjahr und im Gesamtjahr jedoch ab. Im Herbst ist das Bild uneinheitlich; dies kann aber auch daran liegen, dass lange sommerliche Trockenperioden in den Herbst hineinreichen und dann dort gezählt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Analyse der Anzahl und Länge bestimmter Witterungsabschnitte (Clusteranalyse), die durch relativ hohe oder tiefe Temperatur bzw. relativ wenig bzw. viel Niederschlag definiert sind. So können beispielsweise Tage mit weniger als 1 mm Niederschlag als Trockencluster bezeichnet werden. Dabei erkennt man im Sommer einen Trend zu mehr Trockenclustern,in Übereinstimmung mit den oben genannten Ergebnissen, in den übrigen Jahreszeiten und im Gesamtjahr jedoch einen Trend zu weniger Trockenclustern. Innerhalb des Sommers ist dieser Trend im August am stärksten, in den übrigen Jahreszeiten im März, Oktober und Dezember. Bei den Clustern von Feuchteereignissen, das heißt Tagen mit relativ viel Niederschlag, ist das Bild umgekehrt. Im Sommer nimmt deren Zahl ab, ansonsten nimmt sie zu. Die stärksten Trends sind dabei wiederum im August (Abnahme) bzw. im März, Oktober und Dezember (jeweils Zunahme) zu erkennen. Alle diese Trends werden im der Regel umso schwächer, je höher die Schranke der Niederschlagsmenge gewählt wird. Bei den Temperaturdaten sind die Trends von Frost- und Eistagen nur im November überwiegend positiv, in allen Wintermonaten (Dezember, Januar und Februar) jedoch fast ausschließlich negativ. Darin spiegelt sich somit der Trend zu höheren Temperaturen wider. Bei den Wärmeclustern ändern sich die Trends mit der Höhe der Schranke. Bei der Schranke von 25°C zeigen der Juli, insbesondere aber der August positive Trends. Bei der 30°C-Schranke bleibt der Augusttrend positiv, der Julitrend wird dagegen negativ. Bei der Schranke von 35°C werden die Augusttrends dann deutlich geringer, während die Julitrends, wenn auch schwächer ausgeprägt, negativ bleiben. Die Trends im Juni sind dagegen insgesamt schwach. Betrachtet man die Signifikanz der Trends, so sind insbesondere die Trends bei hohen Schranken weniger signifikant. Dies gilt für die hohen Niederschlagschranken (20mm, 30mm, 95%-Perzentil, 99%-Perzentil) ebenso wie für die hohen Temperaturschranken (30°C, 35°C). Weiterhin ist die Signifikanz dann niedrig, wenn die Zahl der Cluster im betrachteten Zeitraum klein ist. In Monaten und Jahreszeiten, in denen nur wenige Cluster auftreten, ist der Trend der Zahl der Cluster meist nicht signifikant. Insgesamt zeigen beim Niederschlag die untere Schranke von 1mm sowie die oberen Schranken von 10mm und 90% die signifikantesten Trends. Bei den Temperaturdaten ist das bei den Frosttagen generell, bei den Eistagen im Januar und Februar sowie bei den sommerlichen Clustern mit einer Tagesmaximumtemperatur von über 25°C der Fall (mit zum Teil über 95% bzw. 99% Signifikanz).
Vorwort: Klima ist vor allem deswegen nicht nur von wissenschaftlichem, sondern auch von öffentlichem Interesse, weil es veränderlich ist und weil solche Änderungen gravierende ökologische sowie sozioökonomische Folgen haben können. Im Detail weisen Klimaänderungen allerdings komplizierte zeitliche und räumliche Strukturen auf, deren Erfassung und Interpretation alles andere als einfach ist. Bei den zeitlichen Strukturen stehen mit Recht vor allem relativ langfristige Trends sowie Extremereignisse im Blickpunkt, erstere, weil sie den systematischen Klimawandel zum Ausdruck bringen und letztere wegen ihrer besonders brisanten Auswirkungen. Mit beiden Aspekten hat sich unsere Arbeitsgruppe immer wieder eingehend befasst. Hinsichtlich der Extremereignisse bzw. Extremwertstatistik sei beispielsweise auf die Institutsberichte Nr. 1, 2 und 5 sowie die dort angegebene Literatur hingewiesen. Hier geht es wieder einmal um Klimatrends und dabei ganz besonders um die räumlichen Trendstrukturen. Der relativ langfristige und somit systematische Klimawandel läuft nämlich regional sehr unterschiedlich ab, was am besten in Trendkarten zum Ausdruck kommt. Solche regionalen, zum Teil sehr kleinräumigen Besonderheiten sind insbesondere beim Niederschlag sehr ausgeprägt. Zudem sind die räumlichen Trendstrukturen auch jahreszeitlich/monatlich sehr unterschiedlich. In unserer Arbeitsgruppe hat sich Herr Dr. Jörg Rapp im Rahmen seiner Diplom- und insbesondere Doktorarbeit intensiv mit diesem Problem beschäftigt, was zur Publikation des „Atlas der Niederschlags- und Temperaturtrends in Deutschland 1891-1990“ (Rapp und Schönwiese, 2. Aufl. 1996) sowie des „Climate Trend Atlas of Europe – Based on Observations 1891-1990“ (Schönwiese und Rapp, 1997) geführt hat. Die große Beachtung dieser Arbeiten ließ es schon lange als notwendig erscheinen, eine Aktualisierung vorzunehmen. Dies ist zunächst für den Klima-Trendatlas Deutschland geschehen, der nun für das Zeitintervall 1901-2000 vorliegt (Institutsbericht Nr. 4, 2005). Hier wird nun auch eine entsprechende Aktualisierung für Europa vorgelegt, und zwar auf der Grundlage der Berechnungen, die Reinhard Janoschitz in seiner Diplomarbeit durchgeführt hat. Dabei besteht eine enge Querverbindung zum Projekt VASClimO (Variability Analysis of Surface Climate Observations), das dankenswerterweise vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen von DEKLIM (Deutsches Klimaforschungsprogramm) gefördert worden ist (siehe Institutsbericht Nr. 6, in den vorab schon einige wenige Europa-Klima-Trendkarten einbezogen worden sind). Mit der Publikation des hier vorliegenden „Klima-Trendatlas Europa 1901-2000“ werden in insgesamt 261 Karten (davon 17 Karten in Farbdarstellung in den Text integriert) wieder umfangreiche Informationen zum Klimawandel in Europa vorgelegt. Sie beruhen vorwiegend auf linearen Trendanalysen hinsichtlich der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlags für die Zeit 1901-2000 sowie für die Subintervalle 1951-2000, 1961-1990 und 1971-2000, jeweils aufgrund der jährlichen, jahreszeitlichen und monatlichen Beobachtungsdaten. Die Signifikanz der Trends ist im (schwarz/weiß wiedergegebenen) Kartenteil durch Rasterung markiert. Da sich die Analyse eng an die oben zitierte Arbeit von Schönwiese und Rapp (1997) anlehnt, wo ausführliche textliche Erläuterungen zu finden sind (ebenso in Rapp, 2000) wurde hier der Textteil sehr knapp gehalten.
In dieser Studie wurden stationsbezogene Messdaten der bodennahen Lufttemperatur, des Niederschlages und des Windes in Deutschland und zum Teil auch in Mitteleuropa für den Zeitraum 1901 bzw. 1951 bis 2000 im Hinblick auf Änderungen ihres Extremverhaltens untersucht. Hierfür wurde ein bimethodischer Ansatz gewählt. Die als Methode I bezeichnete "zeitlich gleitende Extremwertanalyse" definiert für den betrachteten (gleitenden) Zeitraum feste Schwellen. An die Zeitreihen der Schwellenüber- bzw. Unterschreitungen wurden sowohl empirische, als auch theoretische Häufigkeitsverteilungen angepasst, aus denen extremwert-theoretische Größen wie Wartezeitverteilung, Wiederkehrzeit und Risiko abgeleitet wurden. Die Methode II der "strukturorientierten Zeitreihenzerlegung" sucht, basierend auf einer zugrundegelegten theoretischen Verteilung, nach zeitabhängigen Parametern der zugehörigen Wahrscheinlichkeitsdichte. Hierdurch lassen sich zeitabhängige Wahrscheinlichkeiten für das Über- bzw. Unterschreiten von Schwellen angeben. Die gleitende Analyse zeigt bei Niederschlagsmonatsdaten in ganz Deutschland für untere Schranken einen Trend zu seltenerem Auftreten von Extremereignissen. Bei oberen Schranken ist hingegen im Osten einen Trend zu seltenerem, im Westen einen Trend zu häufigerem Auftreten von Extremereignissen zu erkennen. Im Osten ergibt sich also insgesamt ein Trend zu weniger extremen Monatsniederschlagssummen, im Westen ein Trend zu höheren onatsniederschlagssummen. Bei den Niederschlagstagesdaten, bei denen nur die Untersuchung oberer Schranken sinnvoll ist, sind die Ergebnistrends denen der Niederschlagsmonatsdaten in ihrer regionalen Verteilung ähnlich. Allerdings sind die Trends hier schrankenabhängig. Insbesondere in Norddeutschland ergibt sich dabei für relativ niedrige Schranken ein Trend zu kleineren Überschreitungshäufigkeiten, für hohe Schranken hingegen ein Trend zu größeren Überschreitungshäufigkeiten. Damit ergibt sich insgesamt ein Trend zu extremeren Tagesniederschlägen. Bei den Temperaturdaten zeigen die Ergebnisse der gleitenden Analyse der Monatsdaten mit wenigen Ausnahmen ein selteneres Unterschreiten unterer Schranken (also: Kälteereignis). Dieses Verhalten ist bei den Temperaturtagesdaten sogar flächendeckend zu beobachten. Für obere Schranken (also: Hitzeereignis) ergibt sich im allgemeinen ein Trend zu häufigerem Auftreten von Extremereignissen. Allerdings ist dieser Trend nicht flächendeckend zu beobachten. Vielmehr gibt es in allen Regionen Deutschlands einzelne Stationen, bei denen ein Trend zu seltenerem Überschreiten oberer Schranken festzustellen ist. Bei der "strukturorientierten Zeitreihenzerlegung" wurden folgende Ergebnisse erzielt: Die Wahrscheinlichkeitsdichten der monatlichen und saisonalen Temperatur-Daten weisen überwiegend positive Trends im Mittelwert auf, die Streuung hat sich hier nur in Ausnahmefällen verändert. Dies führte zu teilweise deutlich gestiegenen Wahrscheinlichkeiten für besonders warme Monats- und saisonale Mittel im 20. Jh. (Ausnahme: Herbst im Datensatz 1951 bis 2000). Entsprechend sanken in diesem Zeitraum verbreitet die Wahrscheinlichkeiten für extrem kalte Monats- und saisonale Mittel. Ebenso stiegen dieWahrscheinlichkeiten für Häufigkeiten von besonders warmen Tagen (über dem 10%-Perzentil) ab 1951 in allen Jahreszeiten, besonders im Winter für die Tagesmaximum-Temperaturen. Dies korrespondiert mit einer beschleunigten Häufigkeits-Abnahme von besonders kalten Tagen in allen Jahreszeiten, besonders in Süddeutschland. Beim Niederschlag dominieren ausgeprägt jahreszeitliche Unterschiede: Im Winter findet sich sowohl ein Trend zu höheren Monats- und saisonalen Summen, als auch eine erhöhte Variabilität, was verbreitet zu einer deutlichen Zunahme von extrem hohen Niederschlagssummen in dieser Jahreszeit führt. Im Sommer hingegen wurde ein Trend zu einer verringerten Variabilität gefunden, wodurch auch extrem hohe monatliche und saisonale Niederschlagssummen in weiten Teilen Mitteleuropas in dieser Jahreszeit seltener geworden sind. Entsprechend haben Tage mit hohen (über dem 10%-Perzentil) und auch extrem hohen (über dem 5%- und 2%-Perzentil) Niederschlagssummen im Sommer verbreitet abgenommen, in den anderen Jahreszeiten (vor allem im Winter und in Westdeutschland) jedoch zugenommen. Beim Wind sind die Ergebnisse recht uneinheitlich, so dass hier eine allgemeine Charakterisierung schwer fällt. Tendenziell nehmen die Häufigkeiten extremer täglicher Windmaxima im Winter zu und im Sommer ab. Dies gilt jedoch nicht für küstennahe Stationen, wo auch im Winter oft negative Trends extremer Tagesmaxima beobachtet wurden - In Süddeutschland hingegen finden sich auch im Sommer positive Trends in den Häufigkeiten extrem starker Tagesmaxima. Jedoch sind die untersuchten Daten (Windmaxima über Beaufort 8 und mittlere monatliche Windgeschwindigkeiten) wahrscheinlich mit großen Messfehlern behaftet und zudem für die hier durchgeführten Analysen nur bedingt geeignet. Es hat sich somit gezeigt, dass das Extremverhalten von Klimaelementen, wie Temperatur und Niederschlag, im 20. Jhr. sehr starken Änderungen unterworfen war. Diese Änderungen im Extremen wiederum sind sehr stark von Änderungen des "mittleren" Zustandes dieser Klimaelemente abhängig, welcher durch statistische Charakteristika wie Mittelwert und Standardabweichung (bzw. allgemeiner Lage und Streuung) beschrieben werden kann.
Für eine möglichst vollständige analytische Beschreibung werden in der statistischen Klimatologie beobachtete Klimazeitreihen als Realisation eines stochastischen Prozesses, das heißt als eine Folge von Zufallsvariablen verstanden. Die Zeitreihe soll im wesentlichen durch eine analytische Funktion der Zeit beschrieben werden können und die Beobachtung nur durch Zufallseinflüsse von dieser Funktion abweichen. Diese analytische Funktion setzt sich aus der Summe zeitlich strukturierter Komponenten zusammen, welche aus klimatologischem Blickwinkel interpretierbar erscheinen. Es werden Funktionen zugelassen, die den Jahresgang, Trends, episodische Komponenten und deren Änderung beschreiben. Die Extremereignisse sind als eine besondere weitere Komponente in die Zeitreihenanalyse aufgenommen und als von Änderungen in den Parametern der Verteilung unabhängige, extreme Werte definiert. Die Zufallseinflüsse sollen zunächst als Realisierungen unabhängiger normalverteilter Zufallsvariablen mit dem Erwartungswert Null und im Zeitablauf konstanter Varianz interpretiert werden können. In diesem Fall beschreibt die analytische Funktion der Zeit, die Summe detektierter strukturierter Komponenten, den zeitlichen Verlauf des Mittels. Ein zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich beobachteter Wert kann dann als eine mögliche Realisation einer Zufallsvariablen interpretiert werden, die der Gaußverteilung mit dem Mittelwert µ(t) zur Zeit t und konstanter Varianz genügt. Da die zugrundeliegenden Annahmen, unter Verwendung klimatologisch interpretierbarer Basisfunktionen, in der Analyse von Klimazeitreihen, die nicht die Temperatur betreffen, zumeist nicht erfüllt sind, wird in eine Verallgemeinerung des Konzepts der Zeitreihenzerlegung in einen deterministischen und einen statistischen Anteil eingeführt. Zeitlich strukturierte Änderungen werden nun in verschiedenen Verteilungsparametern frei wählbarer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen gesucht. Die gängige Beschränkung auf die Schätzung einer zeitlich veränderlichen Lokation wird aufgehoben. Skalenschätzer sowie Schätzer fär den Formparameter spielen ebenso relevante Rollen fär die Beschreibung beobachteter Klimavariabilität. Die Klimazeitreihen werden wieder als Realisation eines Zufallprozesses verstanden, jedoch genügen die Zufallsvariablen nun einer frei wählbaren Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion. Die zeitlich strukturierten Änderungen in den Verteilungsparametern werden auf Basis der gesamten Zeitreihe für jeden Zeitpunkt geschätzt. Die aus der Analyse resultierende analytische Beschreibung in Form einer zeitabhängigen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ermöglicht weiterhin die Schätzung von Über- und Unterschreitungswahrscheinlichkeiten beliebig wählbarer Schwellenwerte für jeden Zeitpunkt des Beobachtungszeitraums. Diese Methode erlaubt insbesondere eine statistische Modellierung monatlicher Niederschlagsreihen durch die Zerlegung in einen deterministischen und einen statistischen Anteil. In dem speziellen Fall von 132 Reihen monatlicher Niederschlagssummen deutscher Stationen 1901-2000 gelingt eine vollständige analytische Beschreibung der Reihen durch ihre Interpretation als Realisation einer Gumbel-verteilten Zufallsvariablen mit variablem Lage- und Streuparameter. Auf Basis der gewonnenen analytischen Beschreibung der Reihen kann beispielsweise im Westen Deutschlands auf Verschiebungen der jährlichen Überschreitungsmaxima des 95%-Perzentils von den Sommer- in die Wintermonate geschlossen werden. Sie werden durch relativ starke Anstiege in der Überschreitungswahrscheinlichkeit (bis 10%) in den Wintermonaten und nur geringe Zunahmen oder aber Abnahmen in den Sommermonaten hervorgerufen. Dies geht mit einer Zunahme der Unterschreitungswahrscheinlichkeit in den Winter- und einer Abnahme in den Sommermonaten einher. Monte-Carlo-Simulationen zeigen, daß jahreszeitlich differenzierte Schätzungen von Änderungen im Erwartungswert, also gebräuchliche Trends, auf Basis der Kleinst-Quadrate-Methode systematischen Bias und hohe Varianz aufweisen. Eine Schätzung der Trends im Mittel auf Basis der statistischen Modellierung ist somit ebenso den Kleinst-Quadrate-Schätzern vorzuziehen. Hinsichtlich der Niederschlagsanalysen stellen jedoch aride Gebiete, mit sehr seltenen Niederschlägen zu bestimmten Jahreszeiten, die Grenze der Methode dar, denn zu diesen Zeitpunkten ist eine vertrauenswürdige Schätzung einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion nicht möglich. In solchen Fällen ist eine grundsätzlich andere Herangehensweise zur Modellierung der Reihen erforderlich.
This thesis deals with the analysis of “presolar” silicates and oxides by high resolution mass spectrometry and electron microscopy techniques. This “stardust” was identified by its extreme oxygen isotopic anomalies, which point to nucleosynthetic reactions in stellar interiors, in the carbonaceous chondrite Acfer 094. Isotopic, chemical and mineralogical studies on these stardust grains therefore allow the testing of astrophysical questions on Earth, which are otherwise only accessible by spectroscopy and theoretical models. The class of presolar silicates has been identified only six years ago in 2002, although it was known already from spectroscopic observations that silicates represent the most abundant type of dust in the galaxy. The development of the “NanoSIMS” was a crucial step in this respect, because this ion probe with its superior spatial resolution of only 50 nm allowed the detection of the typically 300 nm sized presolar silicates. A total of 142 presolar silicates and 20 presolar oxides were identified within Acfer 094, whose matrix therefore contains 163 ± 14 ppm presolar silicates and 26 ± 6 ppm presolar oxides. This is among the highest amounts reported so far for any primitive solar system material. The majority of detected stardust grains derive from asymptotic giant branch stars of 1 – 2.5 Msun and close-to-solar or slightly lower-than-solar metallicity. However, by measuring the Si isotopic compositions of some enigmatic grains, it could be shown that there is a sub-class of presolar silicates characterized by an extreme enrichment of 17O and a moderate enhancement of 30Si relative to solar, whose origins might be explained by formation in binary stellar systems. About 10% of all grains exhibit an enrichment in 18O and some of them also of 28Si relative to solar, which most likely point to an origin in type II supernova explosions. The Si isotopic measurements also allowed to quantify the effect of the s-process on the Si isotopes in low-mass asymptotic giant branch stars. The results agree well with theoretical predictions. The grains were furthermore characterized by SEM and the chemistries of about half of the grains were determined by Auger electron spectroscopy. The majority of grain morphologies are consistent with what is expected from condensation experiments. However, a lot of grains are altered by Fe-rich minerals, which are either of primary condensation or of secondary ISM or solar nebula origin. Furthermore, complex presolar grains consisting of refractory Al-rich grains attached to silicate material could be identified, which have been predicted by condensation theory and observational evidence. Nine presolar silicates were analyzed by combined NanoSIMS/TEM studies. The majority of grains are Mg-rich and amorphous, which is in contrast to astrophysical evidence, which mainly postulate crystalline Mg-rich and amorphous Fe-rich circumstellar condensates. However, the grains might have been rendered amorphous by secondary processes in the ISM or could have condensed under non-equilibrium, low-temperature conditions in the circumstellar outflow. The grains are more likely characterized by a variable, pyroxene-like chemistry, which could be a result of sputtering in the ISM, which preferentially removes Mg. The detected crystalline presolar silicates in this study and in other work are all olivines, whereas grains with a pyroxene stoichiometry are all amorphous except one. This supports astrophysical models which point to different formation pathways for these two types of grains and therefore different crystallinity. However, the relatively high Fe content of three detected presolar olivines in this study and in other work is in contrast to astrophysical evidence and theoretical considerations, which predict essentially Fe-free crystalline grains. It is therefore possible that the infrared spectra might also be compatible with less Mg-rich olivines. The only crystalline presolar silicate with a pyroxene-like stoichiometry is the unusual grain 1_07: although it is chemically enstatite, the electron diffraction pattern could only be indexed to silicate perovskite, which is stable above ~23 GPa. The discovery of a high-pressure phase of presolar origin shows that dust grains encountering interstellar shocks might not necessarily be completely destroyed. In astrophysical models it is in principle also possible that a fraction of larger grains might survive such a shock wave encounter as a high-pressure modification, which is supported by this discovery.
The present study was elaborated within the scope of the INTAFERE (Integrated Analysis of Mobile Organic Foreign Substances in Rivers) project which investigates the occurrence of xenobiotics in small freshwater streams with particular consideration of social impact factors. The aim of this study is to investigate the seasonal and spatial variance of organic micropollutants in small fresh water streams and to identify possible sources and sinks. Therefore four small freshwater river systems in Hesse, Germany, have been investigated with respect to common organic pollutants such as: the organophosphates tri-n-butyl phosphate (TBP), tris(2-butoxyethyl)phosphate (TBEP), tris(2-chloroethyl)phosphate (TCEP), tris(1-chloro-2-propyl)phosphate (TCPP), and tris(1,3-dichloro-2-propyl)phosphate (TDCPP), the synthetic musk fragrances 1,3,4,6,7,8-hexahydro-4,6,6,7,8,8-hexa-methylcyclopenta-[g]-2-benzopyran (HHCB) and 7-acetyl-1,1,3,4,4,6-hexamethyl-1,2,3,4-tetrahydronaphthalene (AHTN), the endocrine disruptors bisphenol A (BPA), 4-tert-octylphenol (OP) and the technical isomer mixture of 4-nonylphenol (NP), the herbicide terbutryn [2-(t-butylamino)-4-(ethylamino)-6-(methylthio)-s-triazine] as well as the insect repellent N,N-diethyl-m-toluamide (DEET). Water samples were collected in the time span from September 2003 to September 2006 at 26 sampling locations. The samples were extracted with solid phase extraction (SPE) and analyzed by coupled gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). For quantification the internal standard method was used. The results of the study showed an ubiquitous occurrence of organic pollutants in the fresh water streams of the study area. The organophosphates have been detected in 90 % of the water samples with mean concentrations of 502 ng/l (TCPP), 276 ng/l (TBP), 183 ng/l (TBEP), 118 ng/l (TCEP) and 117 ng/l (TDCPP). Sewage treatment plant (STP) effluents were identified as the dominating source for the chlorinated organophosphates as well as for the synthetic musk fragrances and the insect repellent DEET in the river systems. Consequently the highest concentrations were observed in the Schwarzbach system characterized by the highest proportion of waste water compared to the other river systems. Mean concentration levels of the synthetic musk fragrances HHCB and ATHN were 141 ng/l and 46 ng/l, respectively and 124 ng/l in case of DEET. The synthetic musk fragrances showed a clear seasonal trend with significantly lower concentrations in summer times compared to winter times, which is ascribed to stronger photodegradation and volatization during summer times. In contrast, mean DEET concentrations and loads were significantly higher in summer than in autumn, winter and spring, in parallel with the main insect season. The concentrations of the endocrine disruptors BPA, NP and OP in the river water samples ranged from <20 ng/l to 1927 ng/l, <10 ng/l to 770 ng/l, and <10 ng/l to 420 ng/l, respectively. Whereas OP was present in about 2/3 of the samples, NP and BPA could only be detected in 56% and 13% of the water samples, respectively. BPA levels exceeded in two samples the predicted no-effect concentration (PNEC) for water organisms. In case of NP, highest concentrations and loads were found in September 2003 and decreased significantly since then. In contrast, concentrations and loads of OP which serves in a similar application field remained nearly constant during the sampling period. The decrease of NP can be attributed to the implementation of the European Directive 2003/53/EG, which restricts the use of nonylphenols and nonylphenol ethoxylates since January 2005. However, at the end of the sampling period in September 2006, NP could still be detected at mean concentrations of 18 ng/l in the river waters of the sampling area. Furthermore, absence of NP in several samples from associated STP effluents indicate that the STPs cannot be the only sources for NP found in the river water. The herbicide terbutryn was present in the rivers during the whole sampling period from September 2003 to September 2006 despite a ban on its use as a herbicide from January 2004 on. Terbutryn levels ranged from < 4 ng/l to 5600 ng/l, showing a clear spatial pattern with high terbutryn concentrations in the Weschnitz and Modau river systems and significantly lower terbutryn levels in Schwarzbach and Winkelbach. Results from the analysis of two STP effluents discharging into the Weschnitz and the Modau, respectively, indicate that terbutryn enters the rivers from this source. Furthermore, terbutryn concentrations and loads showed a clear seasonal trend with significantly higher levels in summer and autumn. Obviously, the ban on agricultural use of terbutryn at the end of 2003 had no discernable influence on terbutryn concentration in the rivers because there was no trend of decreasing.
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.
The purpose of this study was to reconstruct the depositional environment, the genesis and the composition of Miocene coals in the Kutai Basin, East Kalimantan, Indonesia and to improve our understanding of the factors controlling the organic and inorganic composition, variation of biomarkers, and the peat forming vegetation of the coals. To achieve the aim methods belonging to three different disciplines were applied: 1. Coal petrology (chapter 3) 2. Inorganic geochemistry: sulfur, pyrite and mineral matter distributions (chapter 4) 3. Organic geochemistry of saturated, aromatic hydrocarbon fractions and stable carbon isotopic composition (chapter 5 and 6) Coal petrology Coal developes from peat deposited in mires, mainly in swamps and raised bogs. It is therefore necessary to consider how peat was formed in the past. Coal contains a variety of plant tissues in different degrees of preservation. Tissues of distinct origin are microscopically identifiable and can frequently be related to certain parts of the plant, such as cuticles, woody structures, spores, algal, resin, etc. Together with the particles of less certain origin they are termed macerals which are the petrographic components of coal. During and after deposition of plant remains in sedimentary basins, the organic matter will undergo a sequence of physical, biochemical and chemical changes, which finally results in the formation of coals of increasing rank depending mainly on the temperature influence. The process of coalification begins with practically unaltered plant material and peat, and continues with increasing rank through brown coal, bituminous coal, and finally to anthracite as well as graphite. Coal petrography provides valuable of data of maceral and mineral percentages with reflectance values, which can be used to reconstruct the depositional environment and the coalification processes. In lower rank coals, the material is represented by a group of macerals called huminite, and in bituminous and anthracite coals by a group of macerals called vitrinite. Coal petrography analyses have been carried out on samples from some Miocene coal seams from Kutai Basin. The study has shown that huminite reflectance values of coal samples from ...
In vorliegender Studie wurde lebend und tot gesammeltes Schalenmaterial der Europäischen Flussperlmuschel Margaritifera margaritifera verschiedener Lokalitäten in Schweden, Finnland und Deutschland (bzw. Frankreich) sklerochronologisch und isotopengeochemisch untersucht. Sauerstoffisotopen-Zeitreihen, trendbereinigte und standardisierte stabile Kohlenstoffisotopen-Zeitreihen (SSCI) sowie jährliche Zuwachsraten (SGI-Zeitreihen) jeder der acht Populationen sind zu Compound-Chronologien zusammengefasst und auf Zusammenhänge mit Temperatur, Sonnenflecken-Zyklen und Niederschlag untersucht sowie auf Korrelationen mit verschiedenen Klimaindizes (z.B. dem Dipol der Meeres-Oberflächenwasser Temperatur-Anomalien im Nordatlantik, NADP-SST, und der Nordatlantischen Oszillation, NAO) getestet worden. Im Vergleich ergaben sich für die geglätteten Zeitreihen (25-Jahresfilter) Korrelationskoeffizienten von r = 0,57 (SGI Master-Chronologie und NAO) bzw. r = 0,59 (Master-Chronologie) und NADP-SST. Obwohl weder Isotopendaten noch Zuwachschronologien der Muscheln auf hochfrequenten Signalen hohe Korrelationen mit instrumentellen Messdaten aufweisen, sind dekadische Klimaoszillationen deutlich repräsentiert. Mit zunehmendem Lebensalter nimmt der Schalenzuwachs exponentiell ab. Gleichzeitig nähern sich die d13C-Werte der Schale dem d13CDIC-Wert des Wassers, der bei den hier untersuchten Lokalitäten zwischen -9,3 ‰ und -12,7 ‰ lag. Erst im hohen Lebensalter findet also die Schalenbildung nahezu im kohlenstoffisotopischen Gleichgewicht mit dem umgebenden Medium statt. In der Jugend der Tiere hingegen wirken sich lokalitätsspezifische Trends aus. Extrinsische Faktoren führen zu drei Mustern: 1) Trends hin zu stärker negativen d13C-Werten (um etwa -4,5 ‰) in den Bächen Nuortejaurbäcken (NJB) und Grundträsktjärnbäcken (GTB), 2) Trends hin zu weniger stark negativen d13C-Werten (um etwa +4,5 ‰) in den großen Flüssen (GJ: Görjeån, NWS: Tarn/Frankreich) und 3) Schwankungen um etwa ±1,5 ‰ um einen Mittelwert (RG: Regnitz). Der Einfluss auf die d13C-Trends könnte möglicherweise in Veränderungen der Bioproduktivität begründet sein, da sich diese unmittelbar auf den DIC-Pool des umgebenden Milieus und des Habitats auswirkt. In den Sauerstoffisotopen spiegelte sich die geographische Herkunft des untersuchten Materials wider. Die Chronologien der am nördlichsten gelegenen Populationen wiesen d18OMittelwerte von -11,5 ‰ (GJ), bzw. -9,5 ‰ (NJB, GTB) auf, die RG-Chronologie von -7,9 ‰ und die Zeitreihe der NWS von -5,3 ‰. Im Gegensatz zu anderen Arbeiten zeigten die untersuchten Individuen jedoch keinen statistischen Zusammenhang mit annuellen Temperaturdaten. Als beeinflussende Faktoren kommen die Schneeschmelze und die isotopengeochemische Ausprägung des Habitats (See, Fluss, Bach) in Frage. Eine sehr hohe Korrelation von r = -0,74 (25-Jahresfilter) wurde zwischen der Görjeån-Chronologie (d18OAragonit) und Niederschlagsraten für das in der Nähe des Flusses gelegene Jokkmokk festgestellt.
Vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels und der Diskussion menschlicher Einflussnahme („anthropogener Treibhauseffekt“) ist anhand von Beobachtungsdaten der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlags untersucht worden, welche Strukturen die Klimaveränderungen in Hessen erkennen lassen. Dabei umfasst das betrachtete Gebiet den Bereich 49°- 52° Nord / 7°-11° Ost und schließt somit auch Teilgebiete der angrenzenden Bundesländer mit ein. Zeitlich lag der Schwerpunkt der Betrachtung auf dem Intervall 1951-2000, da aus dieser Zeit bei weitem die meisten Daten verfügbar sind (Temperatur 53, Niederschlag 674 Stationen). Darüber hinaus wurden aber auch Untersuchungen für die Zeit 1901 bis 2000 bzw. 2003 sowie für 30-jährige Subintervalle durchgeführt. Die Analysemethodik umfasst die Berechnung linearer Trends, einschließlich ihrer räumlichen Strukturen (Trendkarten), Aufdeckung von Fluktuationen (spektrale Varianzanalyse), Extremwertanalysen und die Diskussion natürlicher bzw. anthropogener Einflussfaktoren (Signalanalyse mittels multipler schrittweiser Regression). Die aus Tages-, Monats-, jahreszeitlichen und jährlichen Daten gewonnenen Ergebnisse sind überaus vielfältig und heterogen. Für das Flächenmittel Hessen ergibt sich 1951-2000 insgesamt (Jahresdaten) ein Temperaturanstieg von 0,9 °C mit dem Schwerpunkt im Winter (1,6 °C) und der geringsten Erwärmung im Herbst (0,2 °C). 1901-2003 liegen an den erfassten Stationen die jährlichen Erwärmungen bei 0,7 bis 1,8 °C; 30-jährig treten zum Teil auch Abkühlungen auf, insbesondere wenn die regional-jahreszeitlichen bzw. monatlichen Strukturen erfasst werden. Diese Strukturen sind beim Niederschlag noch weit ausgeprägter. Im Flächenmittel Hessen beträgt 1951-2000 der jährliche Niederschlagsanstieg 8,5 %, mit Maxima im Herbst (25 %) und Winter (22 %; Frühling 20%), während im Sommer ein Rückgang um 18 % eingetreten ist (mit Schwerpunkten im Juni und insbesondere August). Bei den Fluktuationen dominieren mittlere Perioden von ca. 2,2, 3,3, 5,5 und 7,5-8 Jahren, beim Niederschlag auch ca. 4,5 Jahre. Der Sonnenfleckenzyklus spiegelt sich in den analysierten Klimadaten nicht wider. Zusammen mit den Extremwerten sorgen diese Fluktuationen für zeitliche Instabilitäten der Klimatrends, insbesondere wenn relativ kurze (z.B. 30-jährige) Zeitabschnitte betrachtet werden. Die wiederum sehr vielfältigen und unterschiedlichen Ergebnisse der Extremwertanalyse spiegeln bei der Temperatur weitgehend die Trends wider, da sich die Streuung der Daten kaum verändert hat: d.h. Zunahme der Überschreitungswahrscheinlichkeit extrem warmer Ereignisse (insbesondere Frühling, überwiegend auch Sommer und Winter, am wenigsten im Herbst) und Abnahme der Unterschreitungswahrscheinlichkeit extrem kalter Ereignisse (dies im Winter bei den Tagesdaten jedoch sehr uneinheitlich). Beim Niederschlag sind die Abnahme extrem feuchter Monate im Sommer und die Zunahme extrem feuchter Tage im Herbst und Winter am auffälligsten. Langfristig folgen daraus ganz markante Änderungen der Jährlichkeiten. So ist beispielsweise 1901-2001 in Alsfeld die Jährlichkeit eines extrem feuchten Winters von 100 auf 5,6 Jahre zurückgegangen, die entsprechende Jährlichkeit eines extrem feuchten Sommers in Bad Camberg dagegen fast bis zur Unmöglichkeit angestiegen. Bei der Ursachendiskussion lässt sich in den Temperaturdaten ein deutlicher anthropogener Einfluss („Treibhauseffekt“) ausfindig machen. Abschließend wird diskutiert, inwieweit es sinnvoll ist, die beobachteten Trends, im Vergleich mit Modellprojektionen, in die Zukunft zu extrapolieren.
Vorwort zur 1. Auflage Klima ist vor allem deswegen nicht nur von wissenschaftlichem, sondern auch von öffentlichem Interesse, weil es veränderlich ist und weil solche Änderungen gravierende ökologische sowie sozioökonomische Folgen haben können. Im Detail weisen Klimaänderungen allerdings komplizierte zeitliche und räumliche Strukturen auf, deren Erfassung und Interpretation alles andere als einfach ist. Bei den zeitlichen Strukturen stehen mit Recht vor allem relativ langfristige Trends sowie Extremereignisse im Blickpunkt, erstere, weil sie den systematischen Klimawandel zum Ausdruck bringen und letztere wegen ihrer besonders brisanten Auswirkungen. Hier geht es um den erstgenannten Aspekt, zu dem nun noch die räumlichen Strukturen treten. Der relativ langfristige und somit systematische Klimawandel läuft nämlich regional sehr unterschiedlich ab, was am besten in Trendkarten zum Ausdruck kommt. Solche regionalen, zum Teil sehr kleinräumigen Besonderheiten sind insbesondere beim Niederschlag sehr ausgeprägt. Schließlich sind die räumlichen Trendstrukturen auch jahreszeitlich bzw. monatlich sehr unterschiedlich. In unserer Arbeitsgruppe hat sich Jörg Rapp im Rahmen seiner Diplom- und insbesondere Doktorarbeit intensiv mit diese Problem beschäftigt, was zur Publikation des „Atlas der Niederschlags- und Temperaturtrends in Deutschland 1891-1990“ (Rapp und Schönwiese, 2. Aufl. 1996) sowie des „Climate Trend Atlas of Europe – Based on Observations 1891-1990“ (Schönwiese und Rapp, 1997) geführt hat. Die große Beachtung, die insbesondere der Klimatrendatlas Deutschland gefunden hat, ließ es schon lange als notwendig erscheinen, eine Aktualisierung vorzunehmen. Dieser Aufgabe hat sich in Form eines Fortgeschrittenenpraktikums Herr Reinhard Janoschitz gewidmet und die Aktualisierung für die Zeit 1901-2000, einschließlich Subintervallen, vorgenommen. Zudem hat er für 1951-2000 noch das Klimaelement Sonnenscheindauer hinzugenommen. Zur Zeit ist er im Rahmen seiner Diplomarbeit mit einer Neubearbeitung des Europäischen Klimatrendatlas befasst. Mit der Publikation des hier vorliegenden „Klimatrend-Atlas Deutschland 1901-2000“ werden in insgesamt 178 Karten (davon 20 Karten auch in Farbdarstellung in den Text integriert) wieder umfangreiche Informationen zum Klimawandel in Deutschland vorgelegt, und zwar mit Hilfe einer linearen Trendanalyse hinsichtlich der boden-nahen Lufttemperatur, des Niederschlags und der Sonnenscheindauer für die Zeit 1901-2000 sowie für die Subintervalle 1931-1960, 1961-1990 und 1971-2000 – Sonnenscheindauer allerdings nur 1951-2000 und 1971-2000 –, jeweils aufgrund der jährlichen, jahreszeitlichen und monatlichen Beobachtungsdaten. Die Signifikanz der Trends ist im (schwarz/weiß wiedergegebenen) Kartenteil durch Rasterung markiert. Methodisch lehnt sich die Analyse somit eng an die oben zitierte Arbeit von Rapp und Schönwiese (1996) an, wo auch ausführliche textliche Erläuterungen zu finden sind (ebenso in Rapp, 2000); deswegen wurde hier der Textteil sehr knapp gehalten. Hingewiesen sei schließlich auf ebenfalls für Deutschland durchgeführte Analysen klimatologischer Extremereignisse, die ebenfalls in der Reihe unserer Instituts-mitteilungen publiziert sind (Jonas et al., 2005; Trömel, 2005). Frankfurt a.M., im Herbst 2005 Christian-D. Schönwiese Vorwort zur 2. Auflage Das erfreulich große Interesse hat eine 2. Auflage erforderlich gemacht, die neben kleineren redaktionellen Verbesserungen bzw. Aktualisierungen vor allem die Erweiterung der in Kap. 4 vorgestellten Zeitreihen und einen ergänzenden Tabellenanhang jeweils bis 2007 enthält. So erfüllt dieser Atlas hoffentlich auch weiterhin seinen Informations-zweck. Im übrigen ist der im Vorwort zur 1. Auflage erwähnte „Klima-Trendatlas Europa“ mittlerweile als Nr. 7 (2008) der Reihe unserer Institutsberichte erschienen. Frankfurt a.M., im Sommer 2008 Christian-D. Schönwiese
A data set of annual values of area equipped for irrigation for all 236 countries in the world during the time period 1900 - 2003 was generated. The basis for this data product was information available through various online data bases and from other published materials. The complete time series were then constructed around the reported data applying six statistical methods. The methods are discussed in terms of reliability and data uncertainties. The total area equipped for irrigation in the world in 1900 was 53.2 million hectares. Irrigation was mainly practiced in all the arid regions of the globe and in paddy rice areas of South and East Asia. In some temperate countries in Western Europe irrigation was practiced widely on pastures and meadows. The time series suggest a modest rate of increase of irrigated areas in the first half of the 20th century followed by a more dynamic development in the second half. The turn of the century is characterized by an overall consolidating trend resulting at a total of 285.8 million hectares in 2003. The major contributing countries have changed little throughout the century. This data product is regarded as a preliminary result toward an ongoing effort to develop a detailed data set and map of areas equipped for irrigation in the world over the 20th century using sub-national statistics and historical irrigation maps.
Chemical ozone loss in winter 1991–1992 is recalculated based on observations of the HALOE satellite instrument, Version 19, ER-2 aircraft measurements and balloon data. HALOE satellite observations are shown to be reliable in the lower stratosphere below 400 K, at altitudes where the measurements are most likely disturbed by the enhanced sulfate aerosol loading, as a result of the Mt.~Pinatubo eruption in June 1991. Significant chemical ozone loss (13–17 DU) is observed below 380 K from Kiruna balloon observations and HALOE satellite data between December 1991 and March 1992. For the two winters after the Mt. Pinatubo eruption, HALOE satellite observations show a stronger extent of chemical ozone loss towards lower altitudes compared to other Arctic winters between 1991 and 2003. In spite of already occurring deactivation of chlorine in March 1992, MIPAS-B and LPMA balloon observations indicate that chlorine was still activated at lower altitudes, consistent with observed chemical ozone loss occurring between February and March and April. Large chemical ozone loss of more than 70 DU in the Arctic winter 1991–1992 as calculated in earlier studies is corroborated here.
During the APE-THESEO mission in the Indian Ocean the Myasishchev Design Bureau stratospheric research aircraft M55 Geophysica performed a flight over and within the inner core region of tropical cyclone Davina. Measurements of total water, water vapour, temperature, aerosol backscattering, ozone and tracers were made and are discussed here in comparison with the averages of those quantities acquired during the campaign time frame. Temperature anomalies in the tropical tropopause layer (TTL), warmer than average in the lower part and colder than average in the upper TTL were observed. Ozone was strongly reduced compared to its average value, and thick cirrus decks were present up to the cold point, sometimes topped by a layer of very dry air. Evidence for meridional transport of trace gases in the stratosphere above the cyclone was observed and perturbed water distribution in the TTL was documented. The paper discuss possible processes of dehydration induced by the cirrus forming above the cyclone, and change in the chemical tracer and water distribution in the lower stratosphere 400–430 K due to meridional transport from the mid-latitudes and link with Davina. Moreover it compares the data prior and after the cyclone passage to discuss its actual impact on the atmospheric chemistry and thermodynamics.
Appropriate precautions in the case of flood occurrence often require long lead times (several days) in hydrological forecasting. This in turn implies large uncertainties that are mainly inherited from the meteorological precipitation forecast. Here we present a case study of the extreme flood event of August 2005 in the Swiss part of the Rhine catchment (total area 34 550 km2). This event caused tremendous damage and was associated with precipitation amounts and flood peaks with return periods beyond 10 to 100 years. To deal with the underlying intrinsic predictability limitations, a probabilistic forecasting system is tested, which is based on a hydrological-meteorological ensemble prediction system. The meteorological component of the system is the operational limited-area COSMO-LEPS that downscales the ECMWF ensemble prediction system to a horizontal resolution of 10 km, while the hydrological component is based on the semi-distributed hydrological model PREVAH with a spatial resolution of 500 m. We document the setup of the coupled system and assess its performance for the flood event under consideration. We show that the probabilistic meteorological-hydrological ensemble prediction chain is quite effective and provides additional guidance for extreme event forecasting, in comparison to a purely deterministic forecasting system. For the case studied, it is also shown that most of the benefits of the probabilistic approach may be realized with a comparatively small ensemble size of 10 members.
The main objective of the study presented in this paper was to develop an evaluation scheme which is suitable for spatially explicit groundwater vulnerability assessment according to the Water Framework Directive (WFD). Study area was the Hase river catchment, an area of about 3 000 km2 in north-west Germany which is dominated by livestock farming, in particular pig and poultry production. For the Hase river catchment, the first inventory of the WFD led to the conclusion that 98% of the catchment area is "unclear/unlikely" to reach a good groundwater status due to diffuse nitrogen emissions from agriculture. The groundwater vulnerability assessment was embedded in the PartizipA project ("Participative modelling, Actor and Ecosystem Analysis in Regions with Intensive Agriculture", www.partizipa.net), within which a so-called actors´ platform was established in the study area. The objective of the participatory process was to investigate the effects of the WFD on agriculture as well as to discuss groundwater protection measures which are suitable for an integration in the programme of measures. The study was conducted according to the vulnerability assessment concept of the Intergovernmental Panel on Climate Change, considering sensitivity, exposure and adaptive capacity. Sensitivity was computed using the DRASTIC index of natural groundwater pollution potential. Exposure (for a reference scenario) was computed using the STOFFBILANZ nutrient model. Several regional studies were analysed to evaluate the adaptive capacity. From these studies it was concluded that the adaptive capacity in the Hase river catchment is very low due to the economic importance of the agricultural sector which will be significantly affected by groundwater protection measures. As a consequence, the adaptive capacity was not considered any more in the vulnerability assessment. A groundwater vulnerability evaluation scheme is presented which enjoys the advantage that both exposure and sensitivity can be operationalized in a spatially resolved manner (500×500 m grid) by the two models mentioned above. The evaluation scheme was applied in the Hase river catchment. 21% of the catchment was classified as highly vulnerable, another 73% as medium vulnerable. Only 6% of the Hase river catchment has low vulnerability. Grid cells of the high vulnerability class are considered as priority areas for groundwater protection measures in the programme of measures of the WFD. Measures will be particularly effective in the north-eastern part of the catchment where groundwater vulnerability is mainly due to high nitrogen emissions.
Strong perturbations of the Arctic stratosphere during the winter 2002/2003 by planetary waves led to enhanced stretching and folding of the vortex. On two occasions the vortex in the lower stratosphere split into two secondary vortices that re-merged after some days. As a result of these strong disturbances the role of transport in and out of the vortex was stronger than usual. An advection and mixing simulation with the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS) utilising a suite of inert tracers tagging the original position of the air masses has been carried out. The results show a variety of synoptic and small scale features in the vicinity of the vortex boundary, especially long filaments peeling off the vortex edge and being slowly mixed into the mid latitude environment. The vortex folding events, followed by re-merging of different parts of the vortex led to strong filamentation of the vortex interior. During January, February, and March 2003 flights of the Russian high-altitude aircraft Geophysica were performed in order to probe the vortex, filaments and in one case the merging zone between the secondary vortices. Comparisons between CLaMS results and observations obtained from the Geophysica flights show in general good agreement. Several areas affected by both transport and strong mixing could be identified, allowing explanation of many of the structures observed during the flights. Furthermore, the CLaMS simulations allow for a quantification of the air mass exchange between mid latitudes and the vortex interior. The simulation suggests that after the formation of the vortex was completed, its interior remaind relatively undisturbed. Only during the two re-merging events were substantial amounts of extra-vortex air transported into the polar vortex. When in March the vortex starts weakening additional influence from lower latitudes becomes apparent in the model results. In the lower stratosphere export of vortex air leads only to a fraction of about 5% polar air in mid latitudes by the end of March. An upper limit for the contribution of ozone depleted vortex air on mid-latitude ozone loss is derived, indicating that the maximum final impact of dilution is on the order of 50%.
From July 2002 to March 2004 the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) aboard the European Space Agency´s Environmental Satellite (Envisat) measured nearly continuously mid infrared limb radiance spectra. These measurements are utilised to retrieve the global distribution of the chlorofluorocarbon CFC-11 by applying a new fast forward model for Envisat MIPAS and an accompanying optimal estimation retrieval processor. A detailed analysis shows that the total retrieval errors of the individual CFC-11 volume mixing ratios are typically below 10% in the altitude range 10 to 25 km and that the systematic components dominate. Contribution of a priori information to the retrieval results are less than 5 to 10% and the vertical resolution of the observations is about 3 to 4 km in the same vertical range. The data are successfully validated by comparison with several other space experiments, an air-borne in-situ instrument, measurements from ground-based networks, and independent Envisat MIPAS analyses. The retrieval results from 425 000 Envisat MIPAS limb scans are compiled to provide a new climatological data set of CFC-11. The climatology shows significantly lower CFC-11 abundances in the lower stratosphere compared with the Reference Atmospheres for MIPAS (RAMstan V3.1) climatology. Depending on the atmospheric conditions the differences between the climatologies are up to 30 to 110 ppt (45 to 150%) at 19 to 27 km altitude. Additionally, time series of CFC-11 mean abundance and variability for five latitudinal bands are presented. The observed CFC-11 distributions can be explained by the residual mean circulation and large-scale eddy-transports in the upper troposphere and lower stratosphere. The new CFC-11 data set is well suited for further scientific studies.
Global distributions of profiles of sulphur hexafluoride (SF6) have been retrieved from limb emission spectra recorded by the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) on Envisat covering the period September 2002 to March 2004. Individual SF6 profiles have a precision of 0.5 pptv below 25 km altitude and a vertical resolution of 4–6 km up to 35 km altitude. These data have been validated versus in situ observations obtained during balloon flights of a cryogenic whole-air sampler. For the tropical troposphere a trend of 0.230±0.008 pptv/yr has been derived from the MIPAS data, which is in excellent agreement with the trend from ground-based flask and in situ measurements from the National Oceanic and Atmospheric Administration Earth System Research Laboratory, Global Monitoring Division. For the data set currently available, based on at least three days of data per month, monthly 5° latitude mean values have a 1 o standard error of 1%. From the global SF6 distributions, global daily and monthly distributions of the apparent mean age of air are inferred by application of the tropical tropospheric trend derived from MIPAS data. The inferred mean ages are provided for the full globe up to 90° N/S, and have a 1 o standard error of 0.25 yr. They range between 0 (near the tropical tropopause) and 7 years (except for situations of mesospheric intrusions) and agree well with earlier observations. The seasonal variation of the mean age of stratospheric air indicates episodes of severe intrusion of mesospheric air during each Northern and Southern polar winter observed, long-lasting remnants of old, subsided polar winter air over the spring and summer poles, and a rather short period of mixing with midlatitude air and/or upward transport during fall in October/November (NH) and April/May (SH), respectively, with small latitudinal gradients, immediately before the new polar vortex starts to form. The mean age distributions further confirm that SF6 is destroyed in the mesosphere to a considerable degree. Model calculations with the Karlsruhe simulation model of the middle atmosphere (KASIMA) chemical transport model agree well with observed global distributions of the mean age only if the SF6 sink reactions in the mesosphere are included in the model.
This study presents an evaluation of a pulse height condensation particle counter (PH-CPC) and an expansion condensation particle counter (E-CPC) in terms of measuring ambient and laboratory-generated molecular and ion clusters. Ambient molecular cluster concentrations were measured with both instruments as they were deployed in conjunction with an ion spectrometer and other aerosol instruments in Hyytiälä, Finland at the SMEAR II station between 1 March and 30 June 2007. The observed cluster concentrations varied and ranged from some thousands to 100 000 cm -3. Both instruments showed similar (within a factor of ~5) concentrations. An average size of the detected clusters was approximately 1.8 nm. As the atmospheric measurement of sub 2-nm particles and molecular clusters is a challenging task, we conclude that most likely we were unable to detect the smallest clusters. Nevertheless, the reported concentrations are the best estimates to date for minimum cluster concentrations in a boreal forest environment.
We report the first atmospheric observations of the Chlorofluorocarbons (CFCs) trifluorochloroethene, 3-chloropentafluoropropene and 4,4-dichlorohexafluoro-1-butene by means of Gas Chromatography with Electron Capture and Mass Spectrometric detection (GC-ECD-MS) in air samples taken at the Taunus Observatory operated by the University of Frankfurt (Main) and the Jungfraujoch High Altitude Research Station in Switzerland. These substances belong to a class of CFCs containing a double bond and are suspected to originate from the production and thermal degradation of widely used fluoropolymers like polychlorotrifluoroethene (PCTFE). Their atmospheric lifetimes are expected to be rather short. A quantitative calibration could only be derived for trifluorochloroethene but not for the other species by now. Thus, we use a relative sensitivity method to get a first indication of the observed atmospheric abundances. Identification was possible because of an air plume containing high concentrations of these substances. We suggest that the abundances found on this occasion originated from a local source. However, we have also observed the novel CFCs in air masses representative of background conditions, though with much lower concentrations. These species and some of their degradation products are toxic and could also be relevant for stratospheric and tropospheric ozone depletion.
Assessment of ecologically relevant hydrological change in China due to water use and reservoirs
(2008)
As China’s economy booms, increasing water use has significantly affected hydro-geomorphic processes and thus the ecology of surface waters. A large variety of hydrological changes arising from human activities such as reservoir construction and management, water abstraction, water diversion and agricultural land expansion have been sustained throughout China. Using the global scale hydrological and water use model WaterGAP, natural and anthropogenically altered flow conditions are calculated, taking into account flow alterations due to human water consumption and 580 large reservoirs. The impacts resulting from water consumption and reservoirs have been analyzed separately. A modified “Indicators of Hydrologic Alteration” approach is used to describe the human pressures on aquatic ecosystems due to anthropogenic alterations in river flow regimes. The changes in long-term average river discharge, average monthly mean discharge and coefficients of variation of monthly river discharges under natural and impacted conditions are compared and analyzed. The indicators show very significant alterations of natural river flow regimes in a large part of northern China and only minor alterations in most of southern China. The detected large alterations in long-term average river discharge, the seasonality of flows and the inter-annual variability in the northern half of China are very likely to have caused significant ecological impacts.
A graph theoretical approach to the analysis, comparison, and enumeration of crystal structures
(2008)
As an alternative approach to lattices and space groups, this work explores graph theory as a means to model crystal structures. The approach uses quotient graphs and nets - the graph theoretical equivalent of cells and lattices - to represent crystal structures. After a short review of related work, new classes of cycles in nets are introduced and their ability to distinguish between non-isomorphic nets and their computational complexity are evaluated. Then, two methods to estimate a structure’s density from the corresponding net are proposed. The first uses coordination sequences to estimate the number of nodes in a sphere, whereas the second method determines the maximal volume of a unit cell. Based on the quotient graph only, methods are proposed to determine whether nets consist of islands, chains, planes, or penetrating, disconnected sub-nets. An algorithm for the enumeration of crystal structures is revised and extended to a search for structures possessing certain properties. Particular attention is given to the exclusion of redundant nets and those, which, by the nature of their connectivity, cannot correspond to a crystal structure. Nets with four four-coordinated nodes, corresponding to sp3 hybridised carbon polymorphs with four atoms per unit cell, are completely enumerated in order to demonstrate the approach. In order to render quotient graphs and nets independent from crystal structures, they are reintroduced in a purely graph-theoretical way. Based on this, the issue of iso- and automorphism of nets is reexamined. It is shown that the topology of a net (that is the bonds in a crystal) constrains severely the symmetry of the embedding (that is the crystal), and in the case of connected nets the space group except for the setting. Several examples are studied and conclusions on phases are drawn (pseudo-cubic FeS2 versus pyrite; α- versus β- quartz; marcasite- versus rutile-like phases). As the automorphisms of certain quotient graphs stipulate a translational symmetry higher than an arbitrary embedding of the corresponding net would show, they are examined in more detail and a method to reduce the size of such quotient graphs is proposed. Besides two instructional examples with 2-dimensional graphs, the halite, calcite, magnesite, barytocalcite, and a strontium feldspar structures are discussed. For some of the structures it is shown that the quotient graph which is equivalent to a centred cell is reduced to a quotient graph equivalent to the primitive cell. For the partially disordered strontium feldspar, it is shown that even if it could be annealed to an ordered structure, the unit cell would likely remain unchanged. For the calcite and barytocalcite structures it is shown that the equivalent nets are not isomorphic.
High field strength element systematics and Lu-Hf & Sm-Nd garnet geochronology of orogenic eclogites
(2008)
Concerning the Bulk Silicate Earth (BSE), the depleted mantle and the continental crust are thought to balance the budget of refractory and lithophile elements, resulting in complementary trace element patterns. However, the two high field strength elements (HFSE) Niob and Tantal appear to contradict this mass balance. All reservoirs of the silicate Earth exhibit subchondritic Nb/Ta ratios, possibly as a result of Nb depletion. The two HFSE Zr and Hf on the other hand seem not to be fractionated between the silicate reservoirs. They show more or less chondritic Zr/Hf ratios. In this study a series of orogenic eclogites from different localities was analyzed to determine their HFSE concentrations and to contribute to the question if eclogites could form a hidden reservoir to account for the mass imbalance of the BSE. The results show that the orogenic eclogites have subchondritic Nb/Ta ratios and near chondritic Zr/Hf ratios. The investigated eclogites show no fractionation of Nb/Ta ratios and no enrichment of Nb compared to e.g. MOR-basalts, the likely precursor of these rocks. With an average Nb/Ta ratio of 14.9 these eclogites could not balance the differences between BSE and chondrite. Additionally, with an average Nb/Ta ≈ MORB they also cannot balance the small differences in the Nb/Ta of the crust and the mantle. LA-ICPMS analyses of rutiles in these eclogites reveal a zonation of Nb/Ta ratios in this mineral, with rutile cores having higher Nb/Ta than rutile rims. As a consequence, Laser Ablation data of rutiles have to be evaluated carefully and cannot necessarily reflect a bulk rock Nb and Ta composition, although over 90% of these elements reside in rutile.
Für die Analyse klimagesteuerter terrestrischer und mariner Ökosystemdynamik im Spätglazial und Holozän des Ägäisraums wurden terrestrische (Pollen und Sporen) und marine Palynomorphe (organischwandige Dinoflagellatenzysten) aus einem marinen Kern des Berg-Athos-Beckens hochauflösend (d.h. in einer zeitlichen Auflösung zwischen ~30 und ~200 Jahren) untersucht. Darüber hinaus wurden Pollen und Sporen eines terrestrischen Kerns aus dem Drama-Becken (nördliches Hinterland der Ägäis) analysiert. Neben der qualitativen Analyse wurden mit Hilfe der Technik der modernen Analoge quantitative Rekonstruktionen der Paläotemperaturen und -niederschläge im terrestrischen Raum vorgenommen. Für den marinen Kern wurden außerdem Sedimenthelligkeit, Sauerstoffisotopie und magnetische Suszeptibilität untersucht. Über die Entwicklung eines konsistenten Altersmodells für beide Kerne konnten Aussagen über eine regionale, klimagesteuerte Differenzierung zwischen der Vegetationsentwicklung im Küstenbereich und der Vegetationsentwicklung in intramontanen Ökosystemen getroffen werden. Während des Pleniglazials (~21 ka bis ~14,7 ka BP) herrschten im nördlichen Ägäisraum kühle und vor allem trockene Bedingungen vor. Offen liegende Schelfflächen wurden von einer Pinus-dominierten Vegetation besiedelt, bis der Schelf während des anschließenden Meiendorf-Bølling-Allerød-Interstadialkomplexes (~14,7 ka bis ~12,7 ka BP) durch den Schmelzwasserpuls MWP-1A überflutet wurde. Während des Meiendorf-Bølling-Allerød-Interstadialkomplexes herrschten im nördlichen Ägäisraum etwas humidere Bedingungen als während des Pleniglazials. In der anschließenden Jüngeren Dryas (~12,7 ka bis ~11,7 ka BP) war das Klima hingegen mindestens ebenso arid und die Oberflächenwassertemperaturen in der Nordägäis fast ebenso gering wie während des Pleniglazials. Das lokale Klima im Drama Becken war von ~21 ka BP bis zum Ende der Jüngeren Dryas generell trockener als die allgemeinen Klimabedingungen im nördlichen Ägäisraum. Die Vegetationsentwicklung im nördlichen Ägäisraum wurde während des Spätquartärs vor allem durch die zur Verfügung stehende Feuchtigkeit gesteuert. Auch nach der Jüngeren Dryas war die Humidität im Ägäisraum zu gering, um eine Wiederbewaldung zu ermöglichen, wie sie in Mitteleuropa und dem westlichen Mittelmeergebiet bereits ab ~11,6 ka BP stattfand. Ein Vegetationsrückschlag um ~11,0 ka BP korreliert mit der aus Mitteleuropa bekannten präborealen Oszillation bzw. dem 11,2-ka-Klimaereignis. Die holozäne Wiederbewaldung setzte im östlichen Ägäisraum erst ab 10,2 ka BP ein; sie wurde durch einen sukzessiven Anstieg der Winterniederschläge von ~225 auf über ~300 mm/Jahr ermöglicht. Sowohl dieser Anstieg der Winterniederschläge als auch ihr Rückgang nach 7,0 ka BP sind eng mit der Ablagerung des Sapropels S1 (zwischen ~9,6 ka und ~7,0 ka BP) verknüpft. Die relativ humiden und milden Winterbedingungen während der Ablagerung des S1 wurden von durch Vegetationsrückschläge dokumentierten, kurzfristigen Klimaereignissen bei ~9,3 ka, ~8,7 ka, ~8,2 ka und ~7,6 ka BP unterbrochen. Diese kurzfristigen Klimaereignisse gehen mit Unterbrechungen bzw. Abschwächungen der S1-Bildung einher. Besonders ausgeprägt ist der regionale Ausdruck des 8,2-ka-Ereignisses, welches für die am stärksten ausgeprägte und auch aus anderen Bereichen des östlichen Mittelmeers überlieferte Unterbrechung des S1 zwischen ~8,4 ka und ~8,0 ka verantwortlich zeichnet. Während der Bildung des S1 wurde die Klimaentwicklung im Ägäisraum generell weniger vom Klimasystem der hohen Breiten beeinflusst als vielmehr vom Monsunsystem der niederen Breiten. Allerdings war die Intensität des Sibirischen Hochs während des frühen Holozäns und nach dem S1-Intervall ein wichtiger Faktor für das Winterklima. Auch während des Holozäns wurden Klimaschwankungen im Drama-Becken deutlicher von der lokalen Vegetation reflektiert als von der Vegetation des nördlichen Ägäisraums im Allgemeinen. So wirkte sich z.B. das 8,2-ka-Ereignis sehr stark auf die Vegetationsentwicklung im Drama Becken aus; es verursachte einen Rückgang der Sommer- und Wintertemperaturen um mehr als 3° C. Dieser starke Temperatureinbruch ist auf lokale mesoklimatische Effekte zurückzuführen. Die Vegetation in den Randbereichen der Ägäis erfuhr weitere Rückschläge bei ~6,5 ka, ~5,6 ka und ~4,3 ka BP. Die Einbrüche bei ~5,6 ka und ~4,3 ka BP sind mit rapiden Klimaänderungen in großen Teilen der Nordhemisphäre korrelierbar, die ebenso wie die Jüngere Dryas und das 8,2-ka-Klimaereignis Einfluss auf Hochkulturen in Nordostafrika und im Mittleren Osten hatten. Die aus dem Holozän überlieferten Klimadaten machen deutlich, dass dieser Zeitraum von einer weitaus stärkeren Klimavariabilität geprägt wurde als noch bis vor kurzem angenommen.
A new global crop water model was developed to compute blue (irrigation) water requirements and crop evapotranspiration from green (precipitation) water at a spatial resolution of 5 arc minutes by 5 arc minutes for 26 different crop classes. The model is based on soil water balances performed for each crop and each grid cell. For the first time a new global data set was applied consisting of monthly growing areas of irrigated crops and related cropping calendars. Crop water use was computed for irrigated land and the period 1998 – 2002. In this documentation report the data sets used as model input and methods used in the model calculations are described, followed by a presentation of the first results for blue and green water use at the global scale, for countries and specific crops. Additionally the simulated seasonal distribution of water use on irrigated land is presented. The computed model results are compared to census based statistical information on irrigation water use and to results of another crop water model developed at FAO.
A data set of monthly growing areas of 26 irrigated crops (MGAG-I) and related crop calendars (CC-I) was compiled for 402 spatial entities. The selection of the crops consisted of all major food crops including regionally important ones (wheat, rice, maize, barley, rye, millet, sorghum, soybeans, sunflower, potatoes, cassava, sugar cane, sugar beets, oil palm, rapeseed/canola, groundnuts/peanuts, pulses, citrus, date palm, grapes/vine, cocoa, coffee), major water-consuming crops (cotton), and unspecified other crops (other perennial crops, other annual crops, managed grassland). The data set refers to the time period 1998-2002 and has a spatial resolution of 5 arc minutes by 5 arc minutes which is 8 km by 8 km at the equator. This is the first time that a data set of cell-specific irrigated growing areas of irrigated crops with this spatial resolution was created. The data set is consistent to the irrigated area and water use statistics of the AQUASTAT programme of the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) (http://www.fao.org/ag/agl/aglw/aquastat/main/index.stm) and the Global Map of Irrigation Areas (GMIA) (http://www.fao.org/ag/agl/aglw/aquastat/irrigationmap/index.stm). At the cell-level it was tried to maximise consistency to the cropland extent and cropland harvested area from the Department of Geography and Earth System Science Program of the McGill University at Montreal, Quebec, Canada and the Center for Sustainability and the Global Environment (SAGE) of the University of Wisconsin at Madison, USA (http://www.geog.mcgill.ca/~nramankutty/ Datasets/Datasets.html and http://geomatics.geog.mcgill.ca/~navin/pub/Data/175crops2000/). The consistency between the grid product and the input data was quantified. MGAG-I and CC-I are fully consistent to each other on entity level. For input data other than CC-I, the consistency of MGAG-I on cell level was calculated. The consistency of MGAG-I with respect to the area equipped for irrigation (AEI) of GMIA and to the cropland extent of SAGE was characterised by the sum of the cell-specific maximum difference between the MGAG-I monthly total irrigated area and the reference area when the latter was exceeded in the grid cell. The consistency of the harvested area contained in MGAG-I with respect to SAGE harvested area was characterised by the crop-specific sum of the cell-specific difference between MGAG-I harvested area and the SAGE harvested area when the latter was exceeded in the grid cell. In all three cases, the sums are the excess areas that should not have been distributed under the assumption that the input data were correct. Globally, this cell-level excess of MGAG-I as compared to AEI is 331,304 ha or only about 0.12 % of the global AEI of 278.9 Mha found in the original grid. The respective cell-level excess of MGAG-I as compared to the SAGE cropland extent is 32.2 Mha, corresponding to about 2.2 % of the total cropland area. The respective cell-level excess of MGAG-I as compared to the SAGE harvested area is 27 % of the irrigated harvested area, or 11.5 % of the AEI. In a further step that will be published later also rainfed areas were compiled in order to form the Global data set of monthly irrigated and rainfed crop areas around the year 2000 (MIRCA2000). The data set can be used for global and continental-scale studies on food security and water use. In the future, it will be improved, e.g. with a better spatial resolution of crop calendars and an improved crop distribution algorithm. The MIRCA2000 data set, its full documentation together with future updates will be freely available through the following long-term internet site: http://www.geo.uni-frankfurt.de/ipg/ag/dl/forschung/MIRCA/index.html. The research presented here was funded by the German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG) within the framework of the research project entitled "Consistent assessment of global green, blue and virtual water fluxes in the context of food production: regional stresses and worldwide teleconnections". The authors thank Navin Ramankutty and Chad Monfreda for making available the current SAGE datasets on cropland extent (Ramankutty et al., 2008) and harvested area (Monfreda et al., 2008) prior to their publication.
Long-term average groundwater recharge, which is equivalent to renewable groundwater resources, is the major limiting factor for the sustainable use of groundwater. Compared to surface water resources, groundwater resources are more protected from pollution, and their use is less restricted by seasonal and inter-annual flow variations. To support water management in a globalized world, it is necessary to estimate groundwater recharge at the global scale. Here, we present a best estimate of global-scale long-term average diffuse groundwater recharge (i.e. renewable groundwater resources) that has been calculated by the most recent version of the WaterGAP Global Hydrology Model WGHM (spatial resolution of 0.5° by 0.5°, daily time steps). The estimate was obtained using two state-of-the art global data sets of gridded observed precipitation that we corrected for measurement errors, which also allowed to quantify the uncertainty due to these equally uncertain data sets. The standard WGHM groundwater recharge algorithm was modified for semi-arid and arid regions, based on 15 independent estimates of diffuse groundwater recharge, which lead to an unbiased estimation of groundwater recharge in these regions. WGHM was tuned against observed long-term average river discharge at 1235 gauging stations by adjusting, individually for each basin, the partitioning of precipitation into evapotranspiration and total runoff. We estimate that global groundwater recharge was 12 666 km3/yr for the climate nor20 mal 1961–1990, i.e. 32% of total renewable water resources. In semi-arid and arid regions, mountainous regions, permafrost regions and in the Asian Monsoon region, groundwater recharge accounts for a lower fraction of total runoff, which makes these regions particularly vulnerable to seasonal and inter-annual precipitation variability and water pollution. Average per-capita renewable groundwater resources of countries vary 25 between 8m3/(capita yr) for Egypt to more than 1 million m3/(capita yr) for the Falkland Islands, the global average in the year 2000 being 2091m3/(capita yr). Regarding the uncertainty of estimated groundwater resources due to the two precipitation data sets, deviation from the mean is less than 1% for 50 out of the 165 countries considered, between 1 and 5% for 62, between 5 and 20% for 43 and between 20 and 80% for 10 countries. Deviations at the grid scale can be much larger, ranging between 0 and 186 mm/yr.
his paper investigates the value of observed river discharge data for global-scale hydrological modeling of a number of flow characteristics that are required for assessing water resources, flood risk and habitat alteration of aqueous ecosystems. An improved version of WGHM (WaterGAP Global Hydrology Model) was tuned in a way that simulated and observed long-term average river discharges at each station become equal, using either the 724-station dataset (V1) against which former model versions were tuned or a new dataset (V2) of 1235 stations and often longer time series. WGHM is tuned by adjusting one model parameter (γ) that affects runoff generation from land areas, and, where necessary, by applying one or two correction factors, which correct the total runoff in a sub-basin (areal correction factor) or the discharge at the station (station correction factor). The study results are as follows. (1) Comparing V2 to V1, the global land area covered by tuning basins increases by 5%, while the area where the model can be tuned by only adjusting γ increases by 8% (546 vs. 384 stations). However, the area where a station correction factor (and not only an areal correction factor) has to be applied more than doubles (389 vs. 93 basins), which is a strong drawback as use of a station correction factor makes discharge discontinuous at the gauge and inconsistent with runoff in the basin. (2) The value of additional discharge information for representing the spatial distribution of long-term average discharge (and thus renewable water resources) with WGHM is high, particularly for river basins outside of the V1 tuning area and for basins where the average sub-basin area has decreased by at least 50% in V2 as compared to V1. For these basins, simulated long-term average discharge would differ from the observed one by a factor of, on average, 1.8 and 1.3, respectively, if the additional discharge information were not used for tuning. The value tends to be higher in semi-arid and snow-dominated regions where hydrological models are less reliable than in humid areas. The deviation of the other simulated flow characteristics (e.g. low flow, inter-annual variability and seasonality) from the observed values also decreases significantly, but this is mainly due to the better representation of average discharge but not of variability. (3) The optimal sub-basin size for tuning depends on the modeling purpose. On the one hand, small basins between 9000 and 20 000 km2 show a much stronger improvement in model performance due to tuning than the larger basins, which is related to the lower model performance (with and without tuning), with basins over 60 000 km2 performing best. On the other hand, tuning of small basins decreases model consistency, as almost half of them require a station correction factor.
Im Rahmen des Projektes SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion) als Teil des deutschen Atmosphärenforschungsprogramms AFO 2000 wurden bei 8 Messkampagnen mit insgesamt 36 Flügen innerhalb eines Beobachtungszeitraums von zwei Jahren (Nov. 2001 bis Juli 2003) Spurengasmessungen in dem Breitenbereich zwischen 35°N und 75°N durchgeführt. Für die Messungen der Spurengase N2O, F12, SF6, H2 und CO wurde der vollautomatisierte in-situ GC (Gaschromatograph) GhOST II (Gas Chromatograph for the Observation of Stratospheric Tracers) entwickelt und eingesetzt. Das Ziel dieser Messungen war die Untersuchung der jahreszeitlichen Variabilität der Spurengase in der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (UT/LMS: Upper Troposphere/Lowermost Stratosphere), um die Transport- und Austauschprozesse in der Tropopausenregion besser zu verstehen. Zur Untersuchung von Transport und Mischung in der UT/LMS wurden die Rückwärtstrajektorien entlang der Flugpfade, die Verteilungen der Tracer N2O, F12, SF6, CO und CO2 (MPI für Chemie in Mainz), die Tracer/Tracer-Korrelationen N2O/F12, N2O/O3 F12/O3 und SF6/O3 und die Verteilungen des aus SF6-Messungen berechnete mittlere Alters der Luft herangezogen. Zusätzlich wurden die simultanen Messungen der beiden Alterstracer CO2 und SF6 genutzt, um die Propagation der Amplitude des troposphärischen CO2-Jahresgangs in die LMS zu bestimmen und daraus mit Hilfe eines empirischen Altersspektrums den Eintrag und die mittlere Transportzeit aus der Troposphäre in die unterste Stratosphäre zu quantifizieren. Grundsätzlich muss die LMS in zwei Bereiche eingeteilt werden – die Übergangsschicht („tropopause following layer“) bis etwa 20-30 K über der potentiellen Temperatur der lokalen Tropopause [Hoor et al., 2004] und die freie LMS oberhalb dieser Schicht. Als wesentliche Unterscheidungsmerkmale beider Bereiche wird die mittlere Transportzeit des Eintrags troposphärischer Luft identifiziert. Aus Trajektorienuntersuchungen und Tracerverteilungen (Kap. 3.4) kann gezeigt werden, dass der Transport in die Übergangsschicht und die Mischungsprozesse in diesem Bereich auf der Zeitskala der mesoskaligen troposphärischen Prozesse ablaufen. Im Gegensatz dazu werden aus der Massenbilanz (Kap. 5.3) mittlere Transportzeiten aus der Troposphäre in die freie LMS von einigen Wochen bis zu mehreren Monaten abgeleitet. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass der troposphärische Eintrag in der freien LMS fast ausschließlich auf quasihorizontale isentrope Einmischung aus den Tropen über die Transportbarriere des Subtropenjets zurückzuführen ist. Nur im Sommer und Herbst konnte auch oberhalb der Übergangsschicht für einzelne Messungen ein Einfluss aus der extratropischen Troposphäre beobachtet werden. Die in dieser Arbeit untersuchten Tracerverteilungen und -korrelationen (Kap. 4) und die Verteilung des mittleren Alters (Kap.5.2) in der LMS zeigen einen Jahresgang mit einem maximalen troposphärischen Einfluss im Oktober und einem maximalen stratosphärischen Einfluss im April. Diese saisonale Charakteristik in der freien LMS kann durch die saisonalen Änderungen des Verhältnisses von Abwärtstransport aus der Overworld und quasihorizontalem Transport aus den Tropen und durch die mit den jeweiligen Transportprozessen assoziierte mittlere Transportzeiten erklärt werden, die aus Massenbilanzrechnungen bestimmt wurden. Es wird gezeigt, dass der überwiegende Eintrag von troposphärischer Luft in die LMS im Sommer und Herbst stattfindet, wobei im Mittel die kürzesten mittleren Transitzeiten (unter 0.3 Jahre) für den August und die längsten Transitzeiten (über 0.6 Jahre) für den Mai berechnet werden. Aus den Ergebnissen wird gefolgert, dass ein ausgeprägter isentroper Austauschprozess über den Subtropenjet im Sommer bis in den Herbst hinein der dominierende troposphärische Einfluss in der LMS bis in den Mai ist. Der Vergleich zwischen SPURT und anderen in der UT/LMS im Zeitraum von 1992 bis 1998 durchgeführten Messkampagnen zeigt einen systematischen Unterschied in den N2O/O3-Korrelationen. Die Zunahme von O3 relativ zu N2O in der LMS ist um etwa 6.5 ppb O3 pro 1 ppb N2O bzw. etwa 40% größer als die Zunahme bei jahreszeitlich vergleichbaren früheren Kampagnen. Durch eine weitergehende Analyse der Messungen, z.B. durch den Vergleich der N2O-Verteilungen in der LMS bei verschiedenen Messkampagnen, und zusätzlichen Informationen aus Satelliten- und Ballonmessungen wird abgeleitet, dass diese Änderung der N2O/O3-Korrelationen im Wesentlichen auf einen im Zeitraum von SPURT stärkeren quasihorizontalen Transport aus den Tropen in die Extratropen im Bereich des so genannten „tropical controlled transition layer“ [Rosenlof et al., 1997] zwischen 16-21 km (bzw. Θ ≈ 380-450 K) zurückzuführen ist. In Kooperation mit B. Bregman wurden mit dem Chemie-Transport-Modell TM5 des KNMI die Verteilungen von SF6 und CO2 in der Troposphäre und Stratosphäre, unter den Zielsetzungen Evaluation des Modelltransports und Erweiterung des Datensatzes von SPURT auf globalen Maßstab, für den Zeitraum 1.1.2000 bis 31.12.2002 modelliert. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Modellstudien zur Evaluation des Transports mit Hilfe von Alterstracern nicht nur troposphärisch monoton steigende Tracer wie SF6 sondern auch saisonal variable Tracer wie CO2 verwendet werden müssen. Bei dem Vergleich der Modellergebnisse des TM5 mit ER2- und SPURTMessungen zeigt sich, dass das Modell zum jetzigen Zeitpunkt in der Lage ist, das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre und die SF6- und CO2-Verteilungen in der LMS qualitativ richtig wiederzugeben. Das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre wird um etwa 0.5 bis 1 Jahr in den Tropen über- und in den Extratropen unterschätzt. Die vertikalen Gradienten im Modell für SF6 und CO2 in der LMS sind, insbesondere im Winter und Frühjahr, zu gering. Die Amplitude des CO2-Jahresganges in der oberen Troposphäre und in der LMS wird durch das Modell unterschätzt, während der saisonale Verlauf des Jahresganges richtig wiedergegeben wird. Im Moment wird vermutet, dass eine zu starke isentrope Mischung zwischen Tropen und Extratropen und/oder ein zu geringer Aufwärtstransport in der extratropischen Troposphäre im Sommer und Herbst die Ursachen für die beobachteten Abweichungen zwischen Modell und Messung sind.
The thesis is devoted to the study of the Antarctic polar vortex, mainly by analyzing data collected during APE-GAIA (1999) and ASHOE (1994) campaigns and recorded by the ADEOS satellite (1996-1997), and to improvement of the chromato-graphic processing schemes. A general introduction and overview of the campaigns and instruments relevant to the present work are given in Chapters 1 and 2. A relatively large part of the thesis (Chapters 3-5) is on improvement of the analysis of raw chromatographic data recorded during in-flight measurements of the trace gases. A Gaussian non-straight-base-line method, i.e. the Gaussian processing scheme (Chapter 3), is developed for better evaluation of the chromatographic peak size. Furthermore, a statistical cross-correlation method (Chapter 5) based on statistical behaviour of the whole chromatogram series fNchrg recorded, e.g., during a research flight or laboratory calibration, is developed and applied to measure the low-concentration trace gases. As demonstrated for HAGAR's chromatograms (HAGAR - High Altitude Gas Analyzer), the combination of the Gaussian fitting scheme for individual chromatograms and the statistical cross-correlation method for a series of subsequent chromatograms considerably improves and stabilizes quantitative analysis of in-flight chromatographic data. In this case, the detection accuracy of weak and noisy chromatographic signals can be improved by up to 40 %. A particular attention is paid to the in-flight two-standard calibration method. For this method, a special procedure, that allows to evaluate and effectively remove a weak background chromatographic signal associated with residual molecules in the carrier gas N2, is proposed and coded (Chapter 4). The developed approaches and methods are completely automized and, therefore, can be used for processing of in-flight chromatograms of recent and future field campaigns. The main part of the thesis (Chapters 6-8) deals with a two-dimensional quasi-Lagrangian coordinate system ... , based on a long-lived stratospheric trace gas i, and its systematic use for i = N2O in order to describe the structure of a well-developed Antarctic polar vortex, linearization and compactization of the tracer-tracer correlations in the polar vortex core (i.e. the stratospheric dynamics in this area), and the differential ozone losses in the Antarctic polar vortex area. In the coordinate system ... (...-method, Chapter 6), which refers to a well-developed polar vortex, the mixing ratio Âi is the vertical coordinate and ... = .... i is the reference profile in the vortex core) is the meridional coordinate. The quasi-Lagrangian coordinates ... are much more long-lived comparing with the standard quasi-isentropic coordinates, potential temperature ... and equivalent latitude ..e, do not require explicit reference to geographic space, and therefore well-suited for studying the dynamics of the Antarctic polar vortex and the relevant ozone loss processes. By using the introduced coordinate system ... to analyze the well-developed Antarctic vortex investigated in the APE-GAIA campaign, it is shown, in concurrence with the conclusion of A. M. Lee et al. (2001), that the Antarctic vortex area can be described in terms of the well-mixed and well-isolated vortex core, relatively wide vortex boundary region and adjoining surf zone. In this case, the reference profile ... i , which is compact in a well-developed and isolated polar vortex core [J. B. Greenblatt et al. (2002)], can be found by combining airborne (and/or balloon) data with high-altitude satellite measurements. A criterion, which uses the local in-situ measurements of Âi = Âi(£) and attributes the inner vortex edge to a rapid change (±-step) in the meridional pro¯le of the mixing ratio..., is developed in Chapter 6 to determine the (Antarctic) inner vortex edge. In turn, the outer vortex edge of a well-developed Antarctic vortex is proposed to attribute to the position of a local maximum of ...H2O in the polar vortex area. For a well-developed Antarctic vortex, the ...-parametrization of tracer-tracer correlations allows to distinguish the tracer-tracer inter-relationships in the vortex core, vortex boundary region and surf zone (Chapter 7). This is clearly illustrated by analyzing the tracer-tracer relationships Âi ¡ ÂN2O obtained from the in-situ data of the APE-GAIA campaign for i = CFCl3 (CFC-11), CF2Cl2 (CFC-12), CBrClF2 (H-1211) and SF6. The solitary anomalous points in the ...CFC11 ¡ ÂN2O correlation, observed in the Antarctic vortex core during the APE-GAIA and ASHOE campaigns, are interpreted in terms of small-scale localized differential descent. As detailed in Chapter 8, the quasi-Lagrangian coordinate system fÂN2O; ¢ÂN2Og is an effective tool for evaluation of the differential ozone losses in the polar vortex area. With this purpose, a two-parametric reference function ...O3 = F(...), which characterizes the unperturbed O3 distribution in the early winter polar vortex area, is introduced to separate and quantify in terms of the meridional coordinate ...2O the differential ozone losses in the vortex core and vortex boundary region. The method is applied to analyze the ozone depletion in the Antarctic stratosphere during the austral spring 1999 (APE-GAIA campaign). In Chapter 9, the main results of the thesis are summarized.
Since the discovery of the ozone hole [Farman et al., 1985], the dynamics of the stratosphere and the transport of anthropogenic trace gases from the surface to the higher atmosphere has come into the focus of interest. In the tropics, air rises high into the stratosphere and is transported poleward. Trace gases like the CFCs1, photochemically stable in the troposphere, are thus transported into regions where they are photolyzed. The products of the photolysis reactions (eg. Cl, Br) interact in the catalytic ozone cycles and lead to enhanced ozone depletion. Regarding the transport of trace gases, the so-called lowermost stratosphere (LMS) is a very interesting region, where the troposphere and the stratosphere directly interact and air masses out of both regions are mixed. It is the lowest part of the stratosphere between the tropopause and the 380 K isentrope. Tropospheric air can enter this region directly via isentropic transport across the extra-tropical tropopause whereas stratospheric air descends across the 380 K isentrope via the mean meridional circulation. Stratosphere-troposphere exchange (STE) controls the chemical composition of the LMS as well as of the tropopause region and thus has an important effect on the radiative and chemical balance of these regions and the climate system. STE exhibits a strong seasonality [Holton et al., 1995]. While downwelling of stratospheric air across the 380 K isentrope is the dominant process in winter, troposphere-to-stratosphere transport (TST) gains importance in summer, when the downwelling from the stratosphere is only weak. Isentropic transport across the extra-tropical tropopause occurs in regions where the tropopause is strongly disturbed and is connected to tropopause folds, streamer events, frontal zones, polar and subtropical jets, warm conveyor belts and cut-off low systems. A short introduction into STE, the LMS region, and methods to study atmospheric transport is given in Chapter 1. One useful tool to analyse the motions of air and transport processes are longlived trace gases. Since the lifetimes of these tracers are longer than the time scale of the transport processes they are involved in, the distribution of tracers in the atmosphere is mostly determined by dynamics. In the context of this thesis, measurements of such long-lived tracers were performed and used to study transport into the LMS region in the northern hemisphere. During the Vintersol/EuPLEx and ENVISAT validation campaigns in winter 2003, long-lived tracers such as N2O, CH4, CFC-12, CFC-11, H-1211, H2, SF6 and CO2 were measured with the High Altitude Gas Analyser (HAGAR), a two channel in-situ gas chromatograph combined with a CO2 instrument, based on nondispersive infrared absorption. Combined with measurements taken during campaigns in Forli/Italy (ENVISAT validation) in July and October 2002, tracer data were gathered from the tropopause up to altitudes around 20 km during 25 flights on board the Russian high-altitude aircraft M55 Geophysica. Thus, a substantial set of high quality tracer data has been obtained covering the polar vortex region as well as the mid latitudes of the northern hemisphere. Chapter 2 gives an overview of the HAGAR instrument and necessary improvements of the instrumental set up (implementing a CH4 channel) that were performed in the context of this thesis, and review data processing, the measurement campaigns. In order to study transport into the LMS it is assumed that air basically enters the LMS via three different pathways: a) quasi-isentropic transport from the troposphere, b) downward advection from the middle stratosphere through the 380 K surface and c) in the polar vortex region subsidence of air from of the polar vortex. Fractions of air originating in each of these source regions are determined with a simple mass balance calculation by using observations of a subset of the above species with distinct lifetimes (N2O, CH4, CFC-11, H-1211, H2 and O3) yielding complementary constraints on transport from each region. Details of the mass balance calculation and the results are presented in Chapter 3. During the mid-latitude measurement campaigns in Forlí the passing of a cut-off low system associated with an elongated streamer over Europe was observed. The impacts of this event on the trace gas mixing ratios in the LMS are examined in Chapter 4. Finally, a summary is given in Chapter 5.
This work analyses several granitic bodies of the Variscan Orogen of Central and Western Europe in order to improve our knowledge about different aspects of their evolution, regarding their ascent and emplacement mechanisms, as well as their deformation history. In the Iberian Massif two granitoid bodies, namely the La Bazana pluton and the Nisa-Alburquerque batholith, were studied in order to decipher their ascent and emplacement history. The La Bazana pluton is a small, sub-circular body in map view that intruded into rocks of the Ossa-Morena Zone in the core of a late upright antiform. Its three-dimensional drop-pipe shape, its internal dome foliation pattern and the structure of the host rock suggest that the magma ascended and emplaced diapirically. The Nisa-Alburquerque batholith is a large body that intruded into rocks of the Central Iberian Zone, the Central Unit, and the Ossa-Morena Zone. Its cartographic shape is elongate and parallel to the NW—SE to WNW—ESE Variscan structures. In the light of the available structural data and the gravimetric models, the intrusion is viewed as a continuous lateral magma flow from the eastern root guided towards the west through the southern limb of a kilometre-scale antiform. As mass-transfer mechanisms, a combination of rigid translation of the country rocks, stoping, and possibly ballooning is proposed. In the Bohemian Massif several small granitoid bodies showing a strong solid-state deformation were studied in order to integrate their tectonometamorphic history in the geotectonic framework of the south-western Bohemian Massif, focusing principally on the deformation phase referred to as D3. Four ductile deformation phases are proposed for the study area. D1 produced high-temperature fabrics under upper amphibolite to granulite facies conditions. Its kinematics is unknown. D2 occurred under amphibolite to upper greenschist facies conditions under N—S to NNW—SSE compression. It is responsible for a subvertical NW—SE striking foliation in migmatites developed under dextral simple shear and for the deformation at the Bayerischer Pfahl shear-zone system at its earlier stages. Many granitoid dykes and stocks were found to be affected by sinistral shear along subvertical planes trending ENE to ESE. Since this deformation, which is called D3 in the present work, is not compatible with a N—S to NNW—SSE compression, it is proposed that these sinistral shear zones in granites do not belong to the Bayerischer Pfahl shear-zone system and constitute themselves a separated one, which is called “D3 shear-zone system”. D3 took place under upper greenschist to lower amphibolite facies conditions (~480-550°C). Both the intrusion and the deformation of the granites affected by D3 occurred at deep to intermediate levels of the crust, whereas the deformation took place under NE—SW compression. Datings on two of the deformed granites yielded 324.4 ± 0.8 Ma and 315.0 ± 1.0 Ma: Thus, the age of D3 is most probably ~315 Ma. The intrusion of most of the sheared granitoids was pre-kinematic with respect to D3. After D3 the N—S to NNW—SSE compression which governed D2 was restored, giving way to the next deformation phase D4, which was linked to further deformation at and next to the principal shears of the Bayerischer Pfahl shear-zone system under greenschist facies conditions. The causes for the change of the stress field leading to a NE—SW compression during D3 might be related to (1) global changes in the dynamics of the tectonic plates in late Variscan times, (2) orogenic collapse leading to the sinking of the Teplá-Barrandian and lateral extrusion of the surrounding Moldanubian rocks, (3) distortion of the regional stress field by local intrusion of large stocks, such as the Saldenburg granite of the Fürstenstein Massif, or (4) distortion of the regional stress field due to the existence of ephemeral releasing bends in the Bayerischer Pfahl shear zone during its early evolution.
Die Ergebnisse zur Sedimentologie, Taphonomie und Paläoökologie der Dinotheriensande des Urrheins in Rheinhessen geben weiteren Aufschluß über die tektonosedimentäre und paläoökologische Entwicklung des Urrheins. Die als Dinotheriensande bekannten Ablagerungen des Urrheins, deren Bildung nach biostratigraphischen Kleinsäugerfunden ins Obermiozän (Vallesium, MN 9, ca. 10,5 - 11 Ma.) gestellt werden, zeichnen sich durch fossile Wirbeltierfragmente teils großer Säugetiere sowie grober Gerölle überwiegend an der Basis, in einigen Bereichen auch aus Grobsand sowie größtenteils aus Fein- bis Mittelsand bestehenden fluviatilen Sedimenten aus. Der im heutigen Raum von Eppelsheim unter einer Ca. 3 m mächtigen Lössschicht liegende ehemalige Flusslauf des Urrheins floß von Worms und Westhofen aus dem Süden kommend entlang einer tektonisch bedingten Schwächezone in Eppelsheim nach Norden über Bermersheim Richtung Wißberg und Sprendlingen weiter nach Bingen. Dabei räumte die anfänglich sehr starke Strömung die durch tektonische Bewegung und eventuelle Verkarstung geschwächten Kalke der Inflata-Schichten (Aquitanium, Unter Miozän) und den Oberen Cerithienschichten (Chattium, oberstes Ober Oligozän bis Aquitanium, Unter Miozän) zu einem Flussbett aus. Die dabei durch die starke Strömung mitgeführten gut gerundeten, max. 170 mm großen Gerölle und Wirbeltierfragmente wurden an der Basis der Dinotheriensande über den abdichtenden Tonen der oligozänen Süßwasserschichten, in Verbindung mit glimmerfreien Grobsanden, abgelagert. Neben den Grobsanden (0,63 - 2 mm) an der Basis zwischen den großen Geröllen bestehen die Dinotheriensande überwiegend aus Feinsand (0,06 - 0,2 mm) und Mittelsand (0,2 - 0,63 mm), teils in gradierter Schichtung. In einigen Bereichen kommen immer wieder auch Grobsande und kleine bis mittelgroße Gerölle bis zum Top vor. Dabei erreichen die aus mehreren Schichtkörpern bestehenden Ablagerungen der Dinotheriensande bei Eppelsheim eine Gesamtmächtigkeit von 6,96 m. Die einzelnen Schichtkörper dieser Ablagerungen zeigen überwiegend Schrägschichtung, wobei die einzelnen Schichtungsblätter tangentiale Schrägschichtung erkennen lassen. Die Auswertung der Vorschüttungsrichtung aus Schrägschichtungsmessungen ergeben für die Hauptrichtung der Paläoströmung über der Basis eine Strömung aus SSE kommend, wobei die Strömung im weiteren Verlauf der Ablagerungen im Grabungsbereich von Eppelsheim von SE bis hin zum Top der Dinotheriensande von SSW kommend wechselt. Dabei lassen sich in den Ablagerungen der Dinotheriensande mit einer Gesamtmächtigkeit von 6,96 m schwerpunktmäßig von der Basis bis zum Top drei Fossilhorizonte erkennen. Hierbei variiert die Höhe des 2. Fossilhorizontes, von der Basis des 1. Fossilhorizontes in den Dinotherie~sandenü ber dem Ton der Süßwasserschichten gemessen, bei Ca. 140 - 150 Cm, sowie die Höhe des 3. Fossilhorizontes bei Ca. 400 - 410 cm. Neben der Anreicherung von fossilen Wirbeltierresten und den großen Geröllen an der Basis befinden sich in den Dinotheriensanden auch bis zu 50 mm große Gerölle, die überwiegend in dem 2. und 3. Fossilhorizont abgelagert wurden. Die Analyse von 10000 unterschiedlichen Geröllen ergab eine Zusammensetzung von gut gerundeten Quarzarten, Quarzite, Sandsteine, Kieselschiefer, Hornsteine, unterschiedliche Variationen von Chalzedon sowie Karneol, Rhyolith und Granit von der Basis bis zum Top der Dinotheriensande. Zwischen den Sanden eingeschaltete große Tonlinsen machen den Eindruck ehemaliger abgebrochener Uferbruchstücke, zumal sie teilweise mit großen Geröllen sedimentiert wurden. Die eigentlichen Sande bestehen aus überwiegend gut bis kantengerundetem Quarzsand, mit einem Glimmer-Anteil von Muskovit, etwas Biotit und im geringem Maße Phlogopit. Das Schwermineralspektrum setzt sich aus Granat, Apatit, Amphibol, Staurolith, Turmalin, Zirkon, Alterit, Hypersthen, Spinell, Siderit, Rutil, Topas, Gips und Augit sowie einem hohen Gehalt an opaken Mineralen zusammen. Die fossilen Wirbeltierfragmente, von Proboscidae, Rhinocerotidae, Equidae, Suidae, Cervidae, Bovidae, Tragulidae, Anthracotheriidae, Tapiroidae, Castoridae, unterschiedliche Arten von Carnivora sowie von Primaten und Insectivora stammend, bestehen zum größten Teil aus deren Zahnen und Zahnfragmenten. Weitere craniale und postcraniale Fragmente kommen gegenüber den Zähnen in geringerem Umfang vor. Fast alle Fragmente sind leicht bis stark abgerollt (Abrollungsgrad). Der größte Teil der Knochenfragmente zeigt ein einheitliches Bruchmuster, welches sich durch eine sägezahnförmige Fraktur mit scharfen Bruchkanten kennzeichnet. Einige Spuren in Form von Oberflächenmarken an den fossilen Knochen und Zähnen zeigen neben Bißspuren von Carnivora auch postmortale Spuren von Insekten und Nagern. Trockenrisse deuten auf eine mehr oder weniger längere Liegezeit der Kadaver bzw. der Skelette, Teilskelette oder vereinzelter Knochen an der Erdoberfläche vor der eigentlichen Sedimentation in den Dinotheriensanden hin. Auffallend finden sich die fossilen Wirbeltierreste in den Dinotheriensanden fast immer in unartikulierter und vereinzelter Fundlage, ausgenommen im Strömungsschatten größerer Objekte, wie zum Beispiel der große Kalkklotz im Grabungsbereich von Eppelsheim. Dabei handelt es sich um eine durchmischte Ansammlung von unartikulierten Wirbeltier-Fragmenten (Voorhies-Gruppen). Seit Beginn des 19. Jahrhunderts kamen die durch Zufall ausgegrabenen fossilen Wirbeltierreste aus den sogenannten Sandkauten Rheinhessens durch Ankauf ins Hessische Landesmuseum von Darmstadt (HLMD) und, neben anderen Instituten im In- und Ausland sowie einigen Privatsammlungen, ins Naturhistorische Museum von Mainz (NHMM). Die seit 1996 jährlich laufenden wissenschaftlichen Grabungen des Forschungsinstituts Senkenberg / Frankfurt a. Main (FIS) und im Anschluss des NHMM in Eppelsheim lieferten zu diesen historischen Sammlungen weitere Funde. Derzeit sind im HLMD 3217, im NHMM 5432 und im FIS 2278 fossile Funde aus den Dinotheriensanden von Rheinhessen inventarisiert (Stand: Frühjahr 2006). Die bei der Auswertung gewonnenen Daten der bestimmbaren, teilbestimmbaren und unbestimmbaren Funde aller drei Museen (HLMD, NHMM U. FIS) lieferten neben den schon erwahnten Daten über Abrollungsgrad, Bruchmuster, Oberflächenmarken und Voorhies- Gruppen, auch die über die orientierten Zähne ermittelbaren Werte der Mindestanzahl von Individuen aus den bekannten Fundorten in Rheinhessen. Über den Abkauungsgrad der Zähne, in Verbindung mit ihrer natürlichen Position, ließ sich das Altersspektrum dieser Individuen erstellen. Daneben wurde die Fossilienfarbe erfasst, mit deren Hilfe man die Funde in den historischen Sammlungen zur nachträglich Bestimmung des Fundhorizontes benutzen kann, da durch postsedimentäre Ausfällungen die Dinotheriensande, inklusive der darin befindlichen Fossilien, von der Basis bis zum Top unterschiedlich gefärbt sind. Schließlich wurde über die durchschnittlichen Gewichtsdaten der rezenten Vertreter der hier zu behandelten Tierarten eine Verteilungsübersicht in den drei bekannten Museen (HLMD, NHMM u. FIS) erstellt.
Physical soil properties feature high spatial variabilities which are known to affect geophysical measurements. However, these variations are not considered in most cases. The challenging task is to quantify the influence of soil heterogeneities on geophysical data. This question is analysed for DC resistivity and GPR measurements which are frequently used for near-surface explorations. To determine the pattern of electric soil properties in situ with the required high spatial resolution, geophysical measuring techniques are methodically enhanced. High-resolution dipole-dipole resistivity measurements are used to determine the electric conductivity distribution of the topsoil. Due to the small electrode separations, the actual electrode geometry has to be considered and an analytic expression for geometric factors is derived instead of assuming point electrodes. Two methods are used to determine soil permittivity with GPR:(i) the coefficient of reflection at the interface air-soil is measured with an air-launched horn antenna, (ii) the velocity of the groundwave is measured with a new setup using two receiver antennas enhancing the lateral resolution from in the best case 0.5 m for standard techniques to approximately 0.1 m with the new technique. With the optimised measuring techniques, the electric properties of sandy soils are determined in the field. Conductivity and permittivity show high spatial variability with correlation lengths of a few decimetres. Geostatistical simulation techniques are used to generate synthetic random media featuring the same statistical properties as in the field. FD calculations are carried out with this media to provide realistic synthetic data of resistivity and GPR measurements. Conductivity variations as determined in the field generate significant variations of simulated Schlumberger sounding curves resulting in uncertainties of the inverted models. Even in pedologically homogeneous sandy soil, moisture pattern and resulting permittivity variations cause strong GPR diffractions as demonstated by FD calculations. This influences the detectability of small objects such as e.g. landmines or of large reflectors as e.g. the groundwater table. Conductivity variations as typical for soils showed to have a minor effect on GPR measurements than variations of permittivity. In summary, geostatistical analysis and simulation provide a powerful tool to simulate geophysical measurements under field conditions including soil heterogeneity which can be used to quantify the uncertainty of field measurements by geologic noise.
An evaluation scheme is presented in this paper which can be used to assess groundwater vulnerability according to the requirements of the European Water Framework Directive (WFD). The evaluation scheme results in a groundwater vulnerability map identifying areas of high, medium and low vulnerability, as necessary for the measurement planning of the WFD. The evaluation scheme is based on the definition of the vulnerability of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). It considers exposure, sensitivity and the adaptive capacity of the region. The adaptive capacity is evaluated in an actors' platform, which was constituted for the region in the PartizipA ("Participative modelling, Actor and Ecosystem Analysis in Regions with Intensive Agriculture") project. As a result of the vulnerability assessment, 21% of the catchment area was classified as being highly vulnerable, whereas 73% has medium vulnerability and 6% has low vulnerability. Thus, a groundwater vulnerability assessment approach is presented, which can be used in practice on a catchment scale for the WFD measurement planning.
Global modelling of continental water storage changes : sensitivity to different climate data sets
(2007)
Since 2002, the GRACE satellite mission provides estimates of the Earth's dynamic gravity field with unprecedented accuracy. Differences between monthly gravity fields contain a clear hydrological signal due to continental water storage changes. In order to evaluate GRACE results, the state-of-the-art WaterGAP Global Hydrological Model (WGHM) is applied to calculate terrestrial water storage changes on a global scale. WGHM is driven by different climate data sets to analyse especially the influence of different precipitation data on calculated water storage. The data sets used are the CRU TS 2.1 climate data set, the GPCC Full Data Product for precipitation and data from the ECMWF integrated forecast system. A simple approach for precipitation correction is introduced. WGHM results are then compared with GRACE data. The use of different precipitation data sets leads to considerable differences in computed water storage change for a large number of river basins. Comparing model results with GRACE observations shows a good spatial correlation and also a good agreement in phase. However, seasonal variations of water storage as derived from GRACE tend to be significantly larger than those computed by WGHM, regardless of which climate data set is used.
The biomarker record in two different lakes in central Europe, Lake Albano and Lake Constance, is used to reflect environmental changes and lake system response during the Late Glacial and Holocene. Extractable organic compounds in lake sediments, which can be assigned to their biological source (biomarkers) function as fingerprints of past aquatic or land plant organisms. Using gas chromatography coupled with mass spectrometry, 21 different biomarkers (predominantly steroids and triterpenoids) as well as a variety of n-alkanes, nalkanols, and n-alkanoic acids could be identified in the sediment records of Lake Albano and Lake Constance. In the Holocene sediments of Lake Albano, the distribution of biomarkers such as dinosterol (dinoflagellates), isoarborinol, and diplopterol (aquatic organisms) indicate three biomarker zones: The period between 0-3,800 years BP (zone 3) is characterized by high concentrations of these biomarkers and others such as tetrahymanol and diploptene. Conversely, zone 2 (3,800-6,500 years BP) shows very low concentrations of all autochthonous biomarkers. In zone 1 (6,500–11,480 years BP), dinosterol, isoarborinol, and diplopterol range on a relatively high level, whereas diploptene and tetrahymanol display comparatively low concentrations. The results suggest at least two distinct changes in the predominance of primary producers during the Holocene, which are related to changes in the lake system such as lake mixing and water column stratification. This interpretation is consistent with previous investigations of Lake Albano sediments including pigment and hydrogen index data (Ariztegui et al., 1996b; Guilizzoni et al., 2002). Allochthonous biomarkers such as long-chain n-alkanes, amyrenones and friedelin indicate a development from forest to a more open landscape from 6,000 and 5.000 years BP, respectively. After a period of high concentrations during the first half of the Holocene, all biomarkers derived from deciduous trees exhibit relatively low values until around 1,000 years BP. Again, this is consistent with results from previous pollen investigations (Ariztegui et al., 2000). The sediment core from Upper Lake Constance comprises the Late Glacial and Holocene. It was analysed for biomarkers and inorganic tracers in order to compare the biomarker results with other proxy data from the same core. Magnetic susceptibility (MS) was measured to get a high-resolution stratigraphic framework of the core and to obtain further information about changes of the proportions of allochthonous and autochthonous input. Enhanced concentrations and accumulation rates of dinosterol (biomarker for dinoflagellates) and biogenic calcite give evidence of increasing lake productivity at the beginning of the Holocene followed by a decrease in bioproductivity after around 7,000 years BP. Younger Dryas sediments are characterized by low amounts of both dinosterol and biogenic calcite indicating a low productivity. The comparison of the concentrations and accumulation rates of b-sitosterol and stigmastanol with parameters reflecting lake productivity suggests that both steroids in Lake Constance sediments are mainly derived from terrigenous sources. Biomarkers as well as concentrations and accumulation rates of allochthonous inorganic compounds such as titanium, magnesium and strontium indicate a slightly enhanced allochthonous input after 8,500 years BP. Significant increase of erosive matter input from enhanced soil erosion is not observed before 4,000 years BP. This can be attributed to the combined effects of precipitation increase as a result of climatic deterioration and anthropogenic deforestation which is consistent with observations from other lakes in Central Europe. The MS record of Lake Constance confirms these results by tracing the climatically induced shifts of more intense bioproduction (low MS caused by increased calcite deposition) during the ‘climatic optimum’. This is followed by increasing input of terrigenous sediment compounds during colder and wetter periods which lead to higher MS values in the lake sediments. The occurrence of tetrahymanol in Lake Constance sediments questions the unambiguous use of tetrahymanol as an indicator for water column stratification. Anaerobic organic macroaggregates within the oxygenated, photic zone of the water column have to be considered as a possible living space for anaerobic microorganisms containing tetrahymanol. The direct comparison of two very different lakes Albano and Constance with respect to biomarkers indicating climate or environmental change provides a contribution to the recent biomarker research for a better understanding of biomarkers in lacustrine sediments.
Als Voraussetzung für die experimentellen Arbeiten wurde am Mineralogischen Institut in Frankfurt eine Hochdruckpresse mit einer Multi-Anvil-Apparatur vom Walker-Typ aufgebaut und kalibriert. Diese Arbeiten nahmen einen beträchtlichen Teil der Promotionszeit ein. In einer Reihe von Hochdruck-Experimenten wurde dann die maximale Löslichkeit von Aluminium und den Seltenerd-Elementen Lanthan, Gadolinium und Lutetium in den Phasen des CaSiO3-Systems im Druckbereich zwischen 2.0 und 13.0 GPa untersucht. Unsere Experimente ergaben eine Zunahme der maximalen Löslichkeit mit steigendem Druck, von Wollastonit über Ca-Walstromit, Larnit + Si-Titanit bis Ca-Perowskit. Ca-Perowskit zeigt extrem hohe SEE-Konzentrationen mit einem Maximum bei den mittleren SEE. In den anderen Phasen nimmt die Löslichkeit mit zunehmender Kompatibilität der SEE zu. Innerhalb der Stabilitätsfelder zeigte sich keine signifikante Druck- oder Temperatur-Abhängigkeit der maximalen Löslichkeit. Anhand der Mikrosonden-Analysen konnte gezeigt werden, dass der Einbau von Al und SEE in Ca-Walstromit nicht über eine gekoppelte Substitution erfolgt, sondern wahrscheinlich über eine Defektstruktur. Dies deckt sich mit unseren TEM-Untersuchungen an diesen synthetischen Produkten, die eine hohe Dichte an planaren Baufehlern mit leicht erhöhten SEE-Konzentrationen ergaben. In allen Ca-Silikat-Phasen lag die maximale Löslichkeit der Seltenen Erden höher als die Konzentration in natürlichen Proben. Damit steht fest, dass die in Einschlüssen gemessenen SEE-Gehalte „primär“ sind und sich nicht durch etwaige Entmischungen im Zuge einer Anpassung der Kristallstruktur an die veränderten P,T-Bedingungen verändert haben. Entmischungen in Form einer SEE-reichen Phase würden eine an LSEE extrem angereicherte Quelle voraussetzen. Ein Vergleich unserer Subsolidus-Experimente mit CaSiO3-Einschlüssen in Diamanten aus Guinea zeigt, dass einige mit bis zu 0.13 Gew.% Al2O3 an Aluminium gesättigt sind. Diese Tatsache ist besonders interessant bei der Interpretation Alhaltiger Einschlussphasen. Neben absoluten Spurenelement-Konzentrationen sind Verteilungskoeffizienten äußerst wertvolle Hilfsmittel bei der Bewertung natürlicher Proben. Die in der Literatur bestehenden Datensätze wurden mit unseren Kristall/Schmelz-Verteilungskoeffizienten bzw. Verteilungskoeffizienten zwischen Ca-Silikatphasen erweitert. Verteilungskoeffizienten der Seltenerd-Elemente zwischen Ca-Walstromit und Karbonat sind um eine Größenordnung höher als Ca-Walstromit/Schmelz-Verteilungskoeffizienten und zeigen eine größere Steigung zwischen den MSEE und den SSEE (Lu/Gd). Die Seltenen Erden verhalten sich sowohl in Larnit als auch in Si-Titanit inkompatibel, wobei DX/L La für Larnit etwa 0.1 und für CaSi2O5 etwa 0.002 ist, d.h. auch, dass die LSEE im Vergleich zu Si-Titanit bevorzugt in Larnit eingebaut werden. Al verhält sich in Si-Titanit Zusammenfassung 147 kompatibel (DX/LAl=4) und in Larnit leicht inkompatibel. Diese Ergebnisse decken sich mit Analysen an natürlichen Proben. Die SEE-Verteilungskoeffizienten zwischen Ca-Perowskit und Schmelze liegen mit Ausnahme von La über eins und zeigen in Übereinstimmung mit Literaturdaten ein Maximum bei Gd. Für Granat konnte gezeigt werden, dass der Einbau der SEE und Si in MgO-haltigen Kristallen in Abhängigkeit von Druck und Startzusammensetzung über eine Ca SEE2 Mg2 Si3O12- Komponente bzw. über eine Ca3 MgSi Si3O12-Komponente mit 6-fach koordiniertem Silizium erfolgt. In zahlreichen Experimenten kristallisierte eine neue Ca-SEE-Silikat-Phase mit Feldspat-Stöchiometrie. Dabei handelt es sich offenbar um ein Mischkristallsystem mit einem Endglied, in das vorwiegend die leichten SEE eingebaut werden und in einem zweiten mit vorwiegend schweren SEE. Ab einem Druck von etwa 10.0 GPa trennt ein Solvus die beiden Endglieder voneinander. In der Literatur ist bisher nur ein CaLa2Si2O8-Endglied beschrieben worden. In einigen Experimenten mit P und Li wurde zusätzlich untersucht, ob diese Elemente zur Rekonstruktion der Bildungsbedingungen von Diamanten verwendet werden können. Dabei zeigte sich, dass die max. Löslichkeit von Li in CaSiO3 näher an den natürlichen Probenzusammensetzungen liegt und damit möglicherweise Potential für die Rekonstruktion von Bildungsbedingungen hat. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde die Kinetik retrograder Reaktionen im CaSiO3-System untersucht. Die für die In-Situ-Experimente mit Synchrotron-Strahlung notwendigen Versuchsaufbauten wurden von uns entwickelt und die entsprechenden Entwicklungsschritte und technischen Probleme ausführlich beschrieben. Anhand von Entlastungsexperimenten wurden die Disproportionierung von Ca-Perowskit zu Larnit + Si-Titanit und die Rekombination zu Ca-Walstromit bei unterschiedlichen Temperaturen und unter dem Einfluss von Wasser untersucht. Aufgrund der wenigen verwertbaren Daten, die uns vorliegen, konnten zwar keine Aktivierungsenergien berechnet werden, es sind aber aufgrund unser Beobachtungen folgende Feststellungen zu treffen: Die Reaktion von Ca-Perowskit zu Larnit + Si-Titanit erfolgt bei gleicher Temperatur offenbar um Größenordnungen schneller als die sich bei niedrigen Drucken anschließende Rekombination zu Ca-Walstromit. Dies deckt sich mit Beobachtungen an natürlichen Proben, bei denen Larnit und Si-Titanit teilweise unvollständig zu Ca-Walstromit reagierten. Dadurch erscheint es eher unwahrscheinlich, dass amorphes CaSiO3 in Diamanten ein direktes Umwandlungsprodukt von Ca-Perowskit ist. Aber auch für die in der Literatur beschriebene Amorphisierung von Ca-Walstromit-Einschlüssen (Stachel 2000) noch innerhalb des umgebenden Diamanten ließ sich durch unsere In-Situ-Entlastungsexperimente nicht stützen. Eine Amorphisierung von Ca-Walstromit beobachteten wir nur bei einer Untersuchung am TEM, wo die Phase sehr instabil war und selbst in einem Kryohalter rasch unter dem Einfluss der Elektronenstrahls amorphisierte. Die Beugungs-Spektren, die nach einer Druckentlastung im Ca-Walstromit-Stabilitätsfeld aufgenommen wurden, unterschieden sich trotz der CaSiO3-Chemie der neu gebildeten Phase deutlich von unseren Ca-Walstromit-Referenz-Spektren, so dass die Umwandlung möglicherweise über eine metastabile Zwischenstufe erfolgt. Vor dem Hintergrund von unterschiedlichen, in der Literatur beschriebenen Strukturtypen von Ca-Walstromit wäre eine systematische Untersuchung der Struktur innerhalb des gesamten Stabilitätsfeldes wichtig.
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.
Tropische Korallenriffe sind die artenreichsten Ökosysteme im Ozean. Die »tropischen Regenwälder der Meere« beherbergen zirka 800 Korallenarten und mehrere zehntausend Arten aus fast allen bekannten Tierstämmen. Korallenriffe bedecken weltweit eine Fläche von 600.000 Quadratkilometern, das sind 0,17 Prozent der Erdoberfläche. Sie treten als nahe der Küste gelegene Saumriffe, küstenfernere Barriereriffe, ringförmige Atolle und flache Karbonat-Plattformen auf . Der Begriff »Karbonat« weist darauf hin, dass Korallen als Riffbildner ein Skelett aus Kalk haben. Auch Kalkalgen und Weichtiere wie Muscheln und Schnecken sind durch die Bildung von Kalkskeletten und Kalkschalen am Riffaufbau beteiligt. Da tropische Korallenriffe nur in der Nähe der Meeresoberfläche wachsen, können Geowissenschaftler mit Hilfe fossiler Korallenfunde ermitteln, wie sich der Pegel des Meeresspiegels in vergangenen Jahrtausenden entwickelt hat. Auch andere wichtige Klimadaten wie Wassertemperatur, Sonneneinstrahlung und Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre sind in Korallenriffen »gespeichert«. Frankfurter Geowissenschaftler erschließen diese wichtigen Daten, die weit vor menschliche Messungen zurückreichen, durch systematische Bohrungen in Korallenriffen der Karibik, des Persischen Golfs und der Malediven.
Spatial interpolation of precipitation data is uncertain. How important is this uncertainty and how can it be considered in evaluation of high-resolution probabilistic precipitation forecasts? These questions are discussed by experimental evaluation of the COSMO consortium's limited-area ensemble prediction system COSMO-LEPS. The applied performance measure is the often used Brier skill score (BSS). The observational references in the evaluation are (a) analyzed rain gauge data by ordinary Kriging and (b) ensembles of interpolated rain gauge data by stochastic simulation. This permits the consideration of either a deterministic reference (the event is observed or not with 100% certainty) or a probabilistic reference that makes allowance for uncertainties in spatial averaging. The evaluation experiments show that the evaluation uncertainties are substantial even for the large area (41 300 km2) of Switzerland with a mean rain gauge distance as good as 7 km: the one- to three-day precipitation forecasts have skill decreasing with forecast lead time but the one- and two-day forecast performances differ not significantly.
The Land and Water Development Division of the Food and Agriculture Organization of the United Nations and the Johann Wolfgang Goethe University, Frankfurt am Main, Germany, are cooperating in the development of a global irrigation-mapping facility. This report describes an update of the Digital Global Map of Irrigation Areas for the continents of Africa and Europe as well as for the countries Argentina, Brazil, Mexico, Peru and Uruguay in Latin America. For this update, an new inventory of subnational irrigation statistics was compiled. The reference year for the statistics is 2000. Adding up the irrigated areas per country as documented in the report gives a total of 48.8 million ha while the total area equipped for irrigation at the global scale is 278.8 million ha. The total number of subnational units in the inventory used for this update is 16 822 while the number of subnational units in the global inventory increased to 26 909. In order to distribute the irrigation statistics per subnational unit, digital spatial data layers and printed maps were used. Irrigation maps were derived from project reports, irrigation subsector studies, and books related to irrigation and drainage. These maps were digitized and compared with satellite images of many regions. In areas without spatial information on irrigated areas, additional information was used to locate areas where irrigation is likely, such as land-cover and land-use maps that indicate agricultural areas or areas with crops that are usually grown under irrigation.
Mechanisms by which subvisible cirrus clouds (SVCs) might contribute to dehydration close to the tropical tropopause are not well understood. Recently Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs) with optical depths around 10-4 have been detected in the western Indian ocean. These clouds cover thousands of square kilometers as 200-300 m thick distinct and homogeneous layer just below the tropical tropopause. In their condensed phase UTTCs contain only 1-5% of the total water, and essentially no nitric acid. A new cloud stabilization mechanism is required to explain this small fraction of the condensed water content in the clouds and their small vertical thickness. This work suggests a mechanism, which forces the particles into a thin layer, based on upwelling of the air of some mm/s to balance the ice particles, supersaturation with respect to ice above and subsaturation below the UTTC. In situ measurements suggest that these requirements are fulfilled. The basic physical properties of this mechanism are explored by means of a single particle model. Comprehensive 1-D cloud simulations demonstrate this stabilization mechanism to be robust against rapid temperature fluctuations of +/- 0.5 K. However, rapid warming (Delta T > 2 K) leads to evaporation of the UTTC, while rapid cooling (Delta T < -2 K) leads to destabilization of the particles with the potential for significant dehydration below the cloud
Measurements of OH, total peroxy radicals, non-methane hydrocarbons (NMHCs) and various other trace gases were made at the Meteorological Observatory Hohenpeissenberg in June 2000. The data from an intensive measurement period characterised by high solar insolation (18-21 June) are analysed. The maximum midday OH concentration ranged between 4.5x106 molecules cm-3 and 7.4x106 molecules cm-3. The maximum total ROx (ROx =OH+RO+HO2+RO2) mixing ratio increased from about 55 pptv on 18 June to nearly 70 pptv on 20 and 21 June. A total of 64 NMHCs, including isoprene and monoterpenes, were measured every 1 to 6 hours. The oxidation rate of the NMHCs by OH was calculated and reached a total of over 14x106 molecules cm-3 s-1 on two days. A simple photostationary state balance model was used to simulate the ambient OH and peroxy radical concentrations with the measured data as input. This approach was able to reproduce the main features of the diurnal profiles of both OH and peroxy radicals. The balance equations were used to test the effect of the assumptions made in this model. The results proved to be most sensitive to assumptions about the impact of unmeasured volatile organic compounds (VOC), e.g. formaldehyde (HCHO), and about the partitioning between HO2 and RO2. The measured OH concentration and peroxy radical mixing ratios were reproduced well by assuming the presence of 3 ppbv HCHO as a proxy for oxygenated hydrocarbons, and a HO2/ RO2 ratio between 1:1 and 1:2. The most important source of OH, and conversely the greatest sink for peroxy radicals, was the recycling of HO2 radicals to OH. This reaction was responsible for the recycling of more than 45x106 molecules cm-3 s-1 on two days. The most important sink for OH, and the largest source of peroxy radicals, was the oxidation of NMHCs, in particular, of isoprene and the monoterpenes.
Subvisible cirrus clouds (SVCs) may contribute to dehydration close to the tropical tropopause. The higher and colder SVCs and the larger their ice crystals, the more likely they represent the last efficient point of contact of the gas phase with the ice phase and, hence, the last dehydrating step, before the air enters the stratosphere. The first simultaneous in situ and remote sensing measurements of SVCs were taken during the APE-THESEO campaign in the western Indian ocean in February/March 1999. The observed clouds, termed Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs), belong to the geometrically and optically thinnest large-scale clouds in the Earth´s atmosphere. Individual UTTCs may exist for many hours as an only 200--300 m thick cloud layer just a few hundred meters below the tropical cold point tropopause, covering up to 105 km2. With temperatures as low as 181 K these clouds are prime representatives for defining the water mixing ratio of air entering the lower stratosphere.
We have used the SLIMCAT 3-D off-line chemical transport model (CTM) to quantify the Arctic chemical ozone loss in the year 2002/2003 and compare it with similar calculations for the winters 1999/2000 and 2003/2004. Recent changes to the CTM have improved the model's ability to reproduce polar chemical and dynamical processes. The updated CTM uses σ-θ as a vertical coordinate which allows it to extend down to the surface. The CTM has a detailed stratospheric chemistry scheme and now includes a simple NAT-based denitrification scheme in the stratosphere.
In the model runs presented here the model was forced by ECMWF ERA40 and operational analyses. The model used 24 levels extending from the surface to ~55km and a horizontal resolution of either 7.5° x 7.5° or 2.8° x 2.8°. Two different radiation schemes, MIDRAD and the CCM scheme, were used to diagnose the vertical motion in the stratosphere. Based on tracer observations from balloons and aircraft, the more sophisticated CCM scheme gives a better representation of the vertical transport in this model which includes the troposphere. The higher resolution model generally produces larger chemical O3 depletion, which agrees better with observations.
The CTM results show that very early chemical ozone loss occurred in December 2002 due to extremely low temperatures and early chlorine activation in the lower stratosphere. Thus, chemical loss in this winter started earlier than in the other two winters studied here. In 2002/2003 the local polar ozone loss in the lower stratosphere was ~40% before the stratospheric final warming. Larger ozone loss occurred in the cold year 1999/2000 which had a persistently cold and stable vortex during most of the winter. For this winter the current model, at a resolution of 2.8° x 2.8°, can reproduce the observed loss of over 70% locally. In the warm and more disturbed winter 2003/2004 the chemical O3 loss was generally much smaller, except above 620K where large losses occurred due to a period of very low minimum temperatures at these altitudes.
Number concentrations of total and non-volatile aerosol particles with size diameters >0.01 μm as well as particle size distributions (0.4–23 μm diameter) were measured in situ in the Arctic lower stratosphere (10–20.5 km altitude). The measurements were obtained during the campaigns European Polar Stratospheric Cloud and Lee Wave Experiment (EUPLEX) and Envisat-Arctic-Validation (EAV). The campaigns were based in Kiruna, Sweden, and took place from January to March 2003. Measurements were conducted onboard the Russian high-altitude research aircraft Geophysica using the low-pressure Condensation Nucleus Counter COPAS (COndensation PArticle Counter System) and a modified FSSP 300 (Forward Scattering Spectrometer Probe). Around 18–20 km altitude typical total particle number concentrations nt range at 10–20 cm−3 (ambient conditions). Correlations with the trace gases nitrous oxide (N2O) and trichlorofluoromethane (CFC-11) are discussed. Inside the polar vortex the total number of particles >0.01 μm increases with potential temperature while N2O is decreasing which indicates a source of particles in the above polar stratosphere or mesosphere. A separate channel of the COPAS instrument measures the fraction of aerosol particles non-volatile at 250°C. Inside the polar vortex a much higher fraction of particles contained non-volatile residues than outside the vortex (~67% inside vortex, ~24% outside vortex). This is most likely due to a strongly increased fraction of meteoric material in the particles which is transported downward from the mesosphere inside the polar vortex. The high fraction of non-volatile residual particles gives therefore experimental evidence for downward transport of mesospheric air inside the polar vortex. It is also shown that the fraction of non-volatile residual particles serves directly as a suitable experimental vortex tracer. Nanometer-sized meteoric smoke particles may also serve as nuclei for the condensation of gaseous sulfuric acid and water in the polar vortex and these additional particles may be responsible for the increase in the observed particle concentration at low N2O. The number concentrations of particles >0.4 μm measured with the FSSP decrease markedly inside the polar vortex with increasing potential temperature, also a consequence of subsidence of air from higher altitudes inside the vortex. Another focus of the analysis was put on the particle measurements in the lowermost stratosphere. For the total particle density relatively high number concentrations of several hundred particles per cm3 at altitudes below ~14 km were observed in several flights. To investigate the origin of these high number concentrations we conducted air mass trajectory calculations and compared the particle measurements with other trace gas observations. The high number concentrations of total particles in the lowermost stratosphere are probably caused by transport of originally tropospheric air from lower latitudes and are potentially influenced by recent particle nucleation.
We report measurements of the deuterium content of molecular hydrogen (H2) obtained from a suite of air samples that were collected during a stratospheric balloon flight between 12 and 33 km at 40º N in October 2002. Strong deuterium enrichments of up to 400 permil versus Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) are observed, while the H2 mixing ratio remains virtually constant. Thus, as hydrogen is processed through the H2 reservoir in the stratosphere, deuterium is accumulated in H2 . Using box model calculations we investigated the effects of H2 sources and sinks on the stratospheric enrichments. Results show that considerable isotope enrichments in the production of H2 from CH4 must take place, i.e., deuterium is transferred preferentially to H2 during the CH4 oxidation sequence. This supports recent conclusions from tropospheric H2 isotope measurements which show that H2 produced photochemically from CH4 and non-methane hydrocarbons must be enriched in deuterium to balance the tropospheric hydrogen isotope budget. In the absence of further data on isotope fractionations in the individual reaction steps of the CH4 oxidation sequence, this effect cannot be investigated further at present. Our measurements imply that molecular hydrogen has to be taken into account when the hydrogen isotope budget in the stratosphere is investigated.
Balloon-borne measurements of CFC11 (from the DIRAC in situ gas chromatograph and the DESCARTES grab sampler), ClO and O3 were made during the 1999/2000 Arctic winter as part of the SOLVE-THESEO 2000 campaign, based in Kiruna (Sweden). Here we present the CFC11 data from nine flights and compare them first with data from other instruments which flew during the campaign and then with the vertical distributions calculated by the SLIMCAT 3D CTM. We calculate ozone loss inside the Arctic vortex between late January and early March using the relation between CFC11 and O3 measured on the flights. The peak ozone loss (~1200ppbv) occurs in the 440-470K region in early March in reasonable agreement with other published empirical estimates. There is also a good agreement between ozone losses derived from three balloon tracer data sets used here. The magnitude and vertical distribution of the loss derived from the measurements is in good agreement with the loss calculated from SLIMCAT over Kiruna for the same days.
Turbulent fluxes of carbonyl sulfide (COS) and carbon disulfide (CS2) were measured over a spruce forest in Central Germany using the relaxed eddy accumulation (REA) technique. A REA sampler was developed and validated using simultaneous measurements of CO2 fluxes by REA and by eddy correlation. REA measurements were conducted during six campaigns covering spring, summer, and fall between 1997 and 1999. Both uptake and emission of COS and CS2 by the forest were observed, with deposition occurring mainly during the sunlit period and emission mainly during the dark period. On the average, however, the forest acts as a sink for both gases. The average fluxes for COS and CS2 are -93 ± 11.7 pmol m-2 s-1 and -18 ± 7.6 pmol m-2 s-1, respectively. The fluxes of both gases appear to be correlated to photosynthetically active radiation and to the CO2 and \chem{H_2O} fluxes, supporting the idea that the air-vegetation exchange of both gases is controlled by stomata. An uptake ratio COS/CO2 of 10 ± 1.7 pmol m mol-1 has been derived from the regression line for the correlation between the COS and CO2 fluxes. This uptake ratio, if representative for the global terrestrial net primary production, would correspond to a sink of 2.3 ± 0.5 Tg COS yr-1.
A comprehensive set of stratospheric balloon and aircraft samples was analyzed for the position-dependent isotopic composition of nitrous oxide (N2O). Results for a total of 220 samples from between 1987 and 2003 are presented, nearly tripling the number of mass-spectrometric N2O isotope measurements in the stratosphere published to date. Cryogenic balloon samples were obtained at polar (Kiruna/Sweden, 68° N), mid-latitude (southern France, 44° N) and tropical sites (Hyderabad/India, 18° N). Aircraft samples were collected with a newly-developed whole air sampler on board of the high-altitude aircraft M55 Geophysica during the EUPLEX 2003 campaign. For mixing ratios above 200 nmol mol−1, relative isotope enrichments (δ values) and mixing ratios display a compact relationship, which is nearly independent of latitude and season and which can be explained equally well by Rayleigh fractionation or mixing. However, for mixing ratios below 200 nmol mol−1 this compact relationship gives way to meridional, seasonal and interannual variations. A comparison to a previously published mid-latitude balloon profile even shows large zonal variations, justifying the use of three-dimensional (3-D) models for further data interpretation.
In general, the magnitude of the apparent fractionation constants (i.e., apparent isotope effects) increases continuously with altitude and decreases from the equator to the North Pole. Only the latter observation can be understood qualitatively by the interplay between the time-scales of N2O photochemistry and transport in a Rayleigh fractionation framework. Deviations from Rayleigh fractionation behavior also occur where polar vortex air mixes with nearly N2O-free upper stratospheric/mesospheric air (e.g., during the boreal winters of 2003 and possibly 1992). Aircraft observations in the polar vortex at mixing ratios below 200 nmol mol−1 deviate from isotope variations expected for both Rayleigh fractionation and two-end-member mixing, but could be explained by continuous weak mixing between intravortex and extravortex air (Plumb et al., 2000). However, it appears that none of the simple approaches described here can capture all features of the stratospheric N2O isotope distribution, again justifying the use of 3-D models. Finally, correlations between 18O/16O and average 15N/14N isotope ratios or between the position-dependent 15N/14N isotope ratios show that photo-oxidation makes a large contribution to the total N2O sink in the lower stratosphere (possibly up to 100% for N2O mixing ratios above 300 nmol mol−1). Towards higher altitudes, the temperature dependence of these isotope correlations becomes visible in the stratospheric observations.
Balloon-borne stratospheric BrO measurements: comparison with Envisat/SCIAMACHY BrO limb profiles
(2006)
For the first time, results of all four existing stratospheric BrO profiling instruments, are presented and compared with reference to the SLIMCAT 3-dimensional chemical transport model (3-D CTM). Model calculations are used to infer a BrO profile validation set, measured by 3 different balloon sensors, for the new Envisat/SCIAMACHY (ENVIronment SATellite/SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY) satellite instrument. The balloon observations include (a) balloon-borne in situ resonance fluorescence detection of BrO, (b) balloon-borne solar occultation DOAS measurements (Differential Optical Absorption Spectroscopy) of BrO in the UV, and (c) BrO profiling from the solar occultation SAOZ (Systeme d'Analyse par Observation Zenithale) balloon instrument. Since stratospheric BrO is subject to considerable diurnal variation and none of the measurements are performed close enough in time and space for a direct comparison, all balloon observations are considered with reference to outputs from the 3-D CTM. The referencing is performed by forward and backward air mass trajectory calculations to match the balloon with the satellite observations. The diurnal variation of BrO is considered by 1-D photochemical model calculation along the trajectories. The 1-D photochemical model is initialised with output data of the 3-D model with additional constraints on the vertical transport, the total amount and photochemistry of stratospheric bromine as given by the various balloon observations. Total [Bry]=(20.1±2.8)pptv obtained from DOAS BrO observations at mid-latitudes in 2003, serves as an upper limit of the comparison. Most of the balloon observations agree with the photochemical model predictions within their given error estimates. First retrieval exercises of BrO limb profiling from the SCIAMACHY satellite instrument agree to <±50% with the photochemically-corrected balloon observations, and tend to show less agreement below 20 km.
During SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion, trace gas transport in the tropopause region) we performed measurements of a wide range of trace gases with different lifetimes and sink/source characteristics in the northern hemispheric upper troposphere (UT) and lowermost stratosphere (LMS). A large number of in-situ instruments were deployed on board a Learjet 35A, flying at altitudes up to 13.7 km, at times reaching to nearly 380 K potential temperature. Eight measurement campaigns (consisting of a total of 36 flights), distributed over all seasons and typically covering latitudes between 35° N and 75° N in the European longitude sector (10° W–20° E), were performed. Here we present an overview of the project, describing the instrumentation, the encountered meteorological situations during the campaigns and the data set available from SPURT. Measurements were obtained for N2O, CH4, CO, CO2, CFC12, H2, SF6, NO, NOy, O3 and H2O. We illustrate the strength of this new data set by showing mean distributions of the mixing ratios of selected trace gases, using a potential temperature – equivalent latitude coordinate system. The observations reveal that the LMS is most stratospheric in character during spring, with the highest mixing ratios of O3 and NOy and the lowest mixing ratios of N2O and SF6. The lowest mixing ratios of NOy and O3 are observed during autumn, together with the highest mixing ratios of N2O and SF6 indicating a strong tropospheric influence. For H2O, however, the maximum concentrations in the LMS are found during summer, suggesting unique (temperature- and convection-controlled) conditions for this molecule during transport across the tropopause. The SPURT data set is presently the most accurate and complete data set for many trace species in the LMS, and its main value is the simultaneous measurement of a suite of trace gases having different lifetimes and physical-chemical histories. It is thus very well suited for studies of atmospheric transport, for model validation, and for investigations of seasonal changes in the UT/LMS, as demonstrated in accompanying and elsewhere published studies.
During several balloon flights inside the Arctic polar vortex in early 2003, unusual trace gas distributions were observed, which indicate a strong influence of mesospheric air in the stratosphere. The tuneable diode laser (TDL) instrument SPIRALE (Spectroscopie InFrarouge par Absorption de Lasers Embarqués) measured unusually high CO values (up to 600 ppb) on 27 January at about 30 km altitude. The cryosampler BONBON sampled air masses with very high molecular Hydrogen, extremely low SF6 and enhanced CO values on 6 March at about 25 km altitude. Finally, the MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) Fourier Transform Infra-Red (FTIR) spectrometer showed NOy values which are significantly higher than NOy* (the NOy derived from a correlation between N2O and NOy under undisturbed conditions), on 21 and 22 March in a layer centred at 22 km altitude. Thus, the mesospheric air seems to have been present in a layer descending from about 30 km in late January to 25 km altitude in early March and about 22 km altitude on 20 March. We present corroborating evidence from a model study using the KASIMA (KArlsruhe Simulation model of the Middle Atmosphere) model that also shows a layer of mesospheric air, which descended into the stratosphere in November and early December 2002, before the minor warming which occurred in late December 2002 lead to a descent of upper stratospheric air, cutting of a layer in which mesospheric air is present. This layer then descended inside the vortex over the course of the winter. The same feature is found in trajectory calculations, based on a large number of trajectories started in the vicinity of the observations on 6 March. Based on the difference between the mean age derived from SF6 (which has an irreversible mesospheric loss) and from CO2 (whose mesospheric loss is much smaller and reversible) we estimate that the fraction of mesospheric air in the layer observed on 6 March, must have been somewhere between 35% and 100%.
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.
Flow velocity in rivers has a major impact on residence time of water and thus on high and low water as well as on water quality. For global scale hydrological modeling only very limited information is available for simulating flow velocity. Based on the Manning-Strickler equation, a simple algorithm to model temporally and spatially variable flow velocity was developed with the objective of improving flow routing in the global hydrological model of Water- GAP. An extensive data set of flow velocity measurements in US rivers was used to test and to validate the algorithm before integrating it into WaterGAP. In this test, flow velocity was calculated based on measured discharge and compared to measured velocity. Results show that flow velocity can be modeled satisfactorily at selected river cross sections. It turned out that it is quite sensitive to river roughness, and the results can be optimized by tuning this parameter. After the validation of the approach, the tested flow velocity algorithm has been implemented into the WaterGAP model. A final validation of its effects on the model results is currently performed.
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.
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.
Der Dritte Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimawandel (IPCC, 2001a, b) bestätigt den Einfluss des Menschen auf das globale Klima und warnt vor einem Temperaturanstieg und vor Niederschlagsveränderungen in den nächsten 100 Jahren, die gesellschaftlichen Wohlstand und Umwelt nachhaltig beeinträchtigen können. Dabei werden weitreichende Folgen des Klimawandels angenommen, vom Anstieg des Meeresspiegels und einer möglichen Degradation von Landflächen bis hin zum Verlust von Tier- und Pflanzenarten, der Verknappung von Wasserressourcen, einer Zunahme von natürlichen Katastrophen wie Überschwemmungen und Dürren, der Ausbreitung von Krankheiten sowie negativer Auswirkungen auf die Nahrungsversorgung der Bevölkerung. Klimawandel ist dabei nur ein Aspekt des weiter gefassten ‘Globalen Wandels’, der eine Vielzahl von anthropogen verursachten Veränderungen der Umwelt einschließt. So wird zum Beispiel erwartet, dass auch demographische und sozioökonomische Entwicklungen sowie vom Menschen verursachte Landnutzungsänderungen eine erhebliche Auswirkung auf den zukünftigen Zustand der globalen Umwelt haben werden. Zu den gravierendsten Folgen des Globalen Wandels gehört die Veränderung der räumlichen und zeitlichen Verteilung der lokalen und regionalen Wasserressourcen. Es müssen daher Strategien entwickelt werden, um sowohl die Bevölkerung als auch die Umwelt vor den möglichen negativen Auswirkungen von erhöhten oder erniedrigten Pegelständen in Fließgewässern zu schützen, oder sie auf eine Veränderung der verfügbaren Wassermengen vorzubereiten. Zur Entwicklung dieser Strategien wiederum werden wissenschaftliche Szenarien und Modellberechnungen benötigt, mit deren Hilfe sich zukünftige hydrologische Verhältnisse abschätzen lassen. Zahlreiche derartige Szenarienanalysen wurden bereits durchgeführt, um den Einfluss des Klima- und Globalen Wandels auf das Wasserdargebot und auf das hydrologische Abflussregime zu untersuchen. Da Flusseinzugsgebiete eine natürliche und angemessene Betrachtungseinheit für dieses Problem darstellen, konzentrieren sich die meisten dieser Studien auf mittlere bis große Einzugsgebiete oder auf bestimmte Regionen zusammenhängender Flussgebiete. In Europa gibt es dazu Beispiele aus den frühen neunziger Jahren, als die Resultate der ersten Klimamodelle verfügbar wurden (z.B. Ott et al., 1991: für die Mosel; Kwadijk und van Deursen, 1993: Rhein; Vehviläinen und Huttunen, 1994: Vuoksi; Broadhurst und Naden, 1996: Severn; Bergström, 1996: Einzugsgebiet der Ostsee). Für diese Studien wurden hydrologische Modelle des jeweiligen Einzugsgebiets entwickelt und der Einfluss des Klimawandels auf den Abfluss bestimmt. Krahe und Grabs (1996) haben ein Wasserbilanzmodell mit einer Auflösung von 0.5° x 0.5° für den gesamten mitteleuropäischen Raum entwickelt und es anhandder Abflussdaten des Rheins, der Weser, der Ems, der Elbe und des deutschen Teils der Donau validiert. Arnell (1994, 1999), bzw. Arnell et al. (2000) untersuchten die Auswirkung des Klimawandels auf europäische Wasserressourcen ebenfalls mithilfe rasterbasierter Modellansätze. Schließlich zeigten Stanners und Bourdeau (1995), EEA (1999), Parry (2000), oder auf globaler Ebene WBGU (1999) und IPCC (1992, 2001a, b), in allgemeineren und politisch orientierten Untersuchungen den gegenwärtigen Zustand sowie mögliche zukünftige Entwicklungen der Umwelt in Europa und weltweit auf, einschließlich verschiedener Aspekte der kontinentalen Wasserressourcen und der Hydrologie. Im Vergleich zu den zahlreichen einzugsgebietsorientierten Analysen und ihrem stetig steigenden wissenschaftlichen Anspruch bis hin zu äußerst detaillierten Fragestellungen sind die regionalen oder globalen Ansätze jedoch eher selten und bleiben meist relativ unspezifisch in ihren Schlussfolgerungen. Darüber hinaus wird die Auswirkung der Wassernutzung, die erheblich zur Veränderung der zukünftigen Wasserressourcen und Abflussmengen beitragen kann, in den meisten Fällen aufgrund des Fehlens entsprechender Daten nicht berücksichtigt. In Anbetracht dieser Mängel wurde 1999 am Wissenschaftlichen Zentrum für Umweltsystemforschung an der Universität Kassel das EuroWasser-Projekt initiiert, auf dessen Durchführung die vorliegenden Dissertation beruht. In einem integrierten Modellansatz wurden in EuroWasser die Folgen von Klimawandel und sozioökonomischen Veränderungen auf die natürliche Wasserverfügbarkeit und die Wassernutzung auf gesamteuropäischer Ebene untersucht (siehe Abschlussbericht, Lehner et al., 2001). Das EuroWasser-Projekt versucht dabei drei aus Sicht von Gesellschaft, Ökonomie und Umwelt kritische Fragen zu beantworten: (1) Wie hoch ist der gegenwärtige Wasserstress in verschiedenen Regionen Europas, und welche zukünftigen Veränderungen sind zu erwarten? (2) Wie wird sich der Globale Wandel auf das europäische Wasserkraftpotenzial auswirken? Und (3) In welchen "kritischen Gebieten" Europas muss, basierend auf den Ergebnissen verschiedener Szenarien des Globalen Wandels, damit gerechnet werden, dass die Hochwasser- und Dürregefahr in Zukunft zunimmt, und von welcher Größenordnung sind diese Veränderungen? ...
Die drei Atolle Glovers Reef, Lighthouse Reef und Turneffe Islands vor der belizischen Küste im Karibischen Meer unterscheiden sich in Geomorphologie, Lagunentiefe, Sedimentbeschaffenheit, Mangroven- und Seegrasbewuchs, Wellen- und Strömungseinfluss sowie in ihren Sedimentationsraten und ihrem Entstehungsalter. Um herauszufinden, ob die Bivalven-Vergesellschaftungen verschiedener Lagunenzonen diese Unterschiede widerspiegeln, wurden 32 bis 44 rezente Sedimentproben auf jedem Atoll entnommen (Gesamtprobenzahl: 111). Deren Datensatz von insgesamt 32 122 Bivalvenschalen wurde anschließend Q-Mode-Cluster-Analysen unterzogen. Neben der Verteilung charakteristischer Arten wurde auch die Verteilung von Bivalven unterschiedlicher Lebens- und Ernährungsweise untersucht. Chione cancellata, ein flach grabender Suspensionsfresser, besiedelt bevorzugt (1) flache, wellen- und strömungsbeeinflusste Lagunenzonen. Die Sedimente (2) sehr hoch energetischer Flachwasserbereiche enthalten zudem hohe Anteile tiefer grabender Suspensionsfresser der Gattung Ervilia. Im (3) Rückriffbereich und am Atollrand sind tief grabende, Detritus fressende Telliniden häufig. Gouldia cerina, wie Chione ein flach grabender Suspensionsfresser, ist typisch für (4) geschlossene Flachwasserbereiche, während die Chemosymbionten-tragende, ebenfalls flach grabende Parvilucina sp. A. vorwiegend in (5) geschlossenen, tiefen Lagunenzonen vorkommt. Charakteristisch für (6) Mangrovengebiete ist Crassinella lunulata, ein sehr flach grabender Suspensionsfresser. Die Anteile taphonomischer Signaturen auf den Schalen, wie Bohrspuren, Inkrustationen, Fragmentierung und Abrasion sowie Diversität, Evenness und Richness sind auf Glovers Reef am höchsten und nehmen über Lighthouse Reef nach Turneffe Islands ab. Da in die gleiche Richtung zunehmende Sedimentationsraten auf den drei Atollen zu verzeichnen sind (GISCHLER 2003), ist vermutlich der abnehmende Effekt des Time-averaging für diesen Trend verantwortlich. Neben der rezenten Fauna wurden auch die Bivalven aus Vibrationsbohrkernen (ein Kern von jedem Atoll) untersucht. Die fossilen Bivalven-Vergesellschaftungen der inneren Lagunen von Glovers Reef, Lighthouse Reef und Turneffe Islands zeigen seit deren Entstehung eine für das jeweilige Atoll typische Fauna, die sich seit ~7000 YBP weiter entwickelte. Sie reflektieren damit die bereits im Anfangsstadium charakteristischen Unterschiede der drei Atolle.
Aus der Notwendigkeit heraus, "nachhaltig die Funktionen des Bodens zu sichern" (§1 BBodSchG), und damit auch Bodenschutz vorsorgend in Planungsprozesse zu integrieren, wurde ein neues Bodenschutzkonzept entwickelt. Es basiert auf einer differenzierten, aber gleichzeitig nachvollziehbaren Bodenbewertung. Das Problem bei der Bodenbewertung ist, dass etwas bewertet werden soll, für das - je nach Fragestellung - immer wieder neue Ziele definiert werden müssen. Deshalb liegt der Bodenbewertung ein Zielsystem zu Grunde, das Schutzziele klar festlegt und mit Hilfe dessen die Bodenbewertung nachvollziehbar wird. Für das Bodenschutzkonzept werden aus der Vielzahl möglicher Kriterien wichtige vorgestellt, aus denen die - bezogen auf dieses Zielsystem - wesentlichen ausgewählt werden können. Um aussagekräftige Daten für diese Kriterien zu erhalten stützt sich die Bodenbewertung auf bodenkundliche sowie landschaftsgenetisch-geomorphologische Zusammenhänge. Die eigentliche Bewertung erfolgt dann in drei Schritten: zuerst eine Einzelbewertung, dann zusammengefasst nach den Bodenfunktionen Lebensraumfunktion, Regelungsfunktion, Informationsfunktion, dem Eigenwert des Bodens (Schutzwürdigkeit) sowie der Empfindlichkeit und Gefährdung (Schutzbedürftigkeit). Im dritten Schritt werden diese Bewertungen dann zu einer gewichteten, verbal-argumentativen Gesamtbewertung der Schutzwürdigkeit und Schutzbedürftigkeit zusammengefasst. Mit Hilfe des Bewertungsverfahrens werden auch Zielkonflikte zwischen den unterschiedlichen Schutzgütern offengelegt. Schutzmaßnahmen ergeben sich dann stringent aus den vorher im Zielsystem gesetzten Prämissen, d.h., Ziele und Maßnahmen sind begründbar gewählt, stehen in einem ökologischen Gesamtzusammenhang und lassen sich sehr gut nachvollziehen. Das hier vorgestellte, neue Bodenschutzkonzept ist für verschiedene Planungsebenen geeignet. Es ist in unterschiedlichen Naturräumen anwendbar, kann verschiedene Schutzziele mit Hilfe des Zielsystems bestimmen und so z.B. die Naturraumvielfalt in einem Gebiet ebenso berücksichtigen wie die Meinungsvielfalt, was unter vorsorgendem Bodenschutz zu verstehen sei.
Ca-Silikate als natürliche Einschlüsse in Diamanten sind so extrem selten und bislang wenig untersucht, daß der Weg, sie synthetisch herzustellen, um entsprechende Analysen durchführen zu können, gerechtfertigt wird. Um die Veränderungen über einen großen Druckbereich bis zu Bedingungen, die dem Unteren Erdmantel entsprechen, durchführen zu können, wurde ein neues Hochdrucklabor mit einer Multi-Anvil-Presse aufgebaut. In dieses Labor sind viele Erfahrungen aus eigenen Experimenten und aus anderen Arbeitsgruppen eingeflossen, sodaß eine leistungsfähige Hochdruckanlage zur Verfügung steht. Kernstück dieses Hochdrucksystems ist der innere Hochdruckaufbau, wobei nicht ein bereits etablierter Hochdruckaufbau kopiert, sondern - durch das Integrieren der Vorzüge von unterschiedlichen Systemen - ein eigenständiger Hochdruckaufbau entwickelt wurde. Das System ist für weitere Ausbaumöglichkeiten vorbereitet, sodaß z. B. großvolumige Kapseln zusammen mit den Ceramcast-Oktaedern bis 80 kbar eingesetzt werden können, bzw. der maximale Druckbereich mit einem 10/4 mm Aufbau bis über 200 kbar ausgeweitet werden kann. Die Untersuchung der Reaktionskinetik an den Ca-Silikatphasen stellt eine besondere Herausforderung dar. Aus vorangegangenen Experimenten und Untersuchungen ist die "nicht Quenchbarkeit" von Ca-Perovskit und die Amorphisierung von Ca-Walstromit bekannt, sodaß sich die Untersuchungen mittels der herkömmlichen Hochdruckmethoden für diese Fragestellung als nachteilig erweisen. Dank der Zusammenarbeit mit dem "Material Science Laboratory" am Synchrotron in Daresbury bot sich die Möglichkeit, in situ Hochdruckexperimente an den Ca-Silikatphasen durchzuführen. Es stand nur eine begrenzte Entwicklungszeit zur Verfügung, um die neuartige "fine-to-fine" Geometrie zu entwickeln und zu erproben. Mit diesem Hochdruckaufbau ist es gelungen, in situ Hochdruckexperimente bei bis zu 150 kbar und 1400°C durchzuführen und dabei Ca-Perovskit zu kristallisieren. Mit den kleineren 10mm MgO-Oktaedern und 5 bzw. 4 mm Truncation an den Wolframcarbid-Würfeln sind sogar bei gleicher Geometrie noch höhere Drücke realisierbar. Die Beobachtungen an den durchgeführten Experimente ermöglicht eine Aussage zur Reaktionskinetik der Phasenumwandlung bei Ca-Silikaten. Die Disproportionsreaktion von Ca-Perovskit zu den zwei Phasen Larnit und Si-Titanit läuft sehr rasch ab, wo hingegen die Rekombinationsreaktion dieser beiden Phasen zu Ca-Walstromit kinetisch gehemmt und innerhalb von Stunden keine Umwandlung beobachtet werden konnte. Darüber hinaus bestätigen die eigenen Experimente ein Einsetzen der Amorphisierung von Ca-Perovskit bei Drücken unterhalb von 10 kbar. Eine Amorphisierung von Ca-Walstromit wurde auch nach vollständiger Druckentlastung nicht beobachtet. Werden die Beobachtungen der kinetischen Experimente der Phasenumwandlung an Ca-Silikaten auf die natürlichen Bedingungen bei der Diamantentstehung und deren Aufstiegspfad übertragen, spricht dies für ein Modell des raschen Aufstiegs aus dem Unteren Mantel bzw. der Übergangszone und einem Steckenbleiben im Oberen Mantel bei moderaten Drücken. Der Weg an die Erdoberfläche findet dann zu einem späteren Zeitpunkt ebenfalls mit schnellen Aufstiegsgeschwindigkeiten statt. Die Ergebnisse der Löslichkeits-Hochdruckexperimente von Kalium und Phosphor bestätigen die Beobachtungen, die an den natürlichen Ca-Silikateinschlüssen gemacht wurden. In dem Zweiphasenfeld, in dem Larnit zusammen mit Si-Titanit koexsistiert, hebt sich vor allem die sehr hohe Löslichkeit von Kalium und Phosphor hervor. Zwar wurde bereits in den natürlichen Einschlüssen ein auffallend hoher Gehalt dieser Elemente beobacht, die Experimente zur maximalen Löslichkeit zeigen jedoch, daß sich weitaus höhere Gehalte im Larnit lösen können. Für diese Phase trifft die gekoppelte Substitution von Kalium und Phosphor gegen Calcium und Silicium im Verhältnis 1 : 1 zu. Interessant ist zudem die offenbare Druckhabhängigkeit der Löslichkeit in Larnit. Für eine geobarometrische Anwendung dieses Druckeffekts ist das Stabilitätsfeld mit nur 20 kbar relativ schmal, so daß der Druckgradient gering ist. Die Titanit-Struktur erweist sich im Gegensatz dazu als nicht kompatibel für diese Elemente. In Si-Titanit werden nur extrem geringe Gehalte an Kalium und Phosphor eingebaut. In den natürlichen Einschlüssen wurden gleichermaßen geringe Gehalte nachgewiesen. Damit kann vom Erreichen der maximalen Löslichkeit in den natürlichen Proben ausgegangen werden. Als potentieller Träger von Kalium und Phosphor in der Übergangszone ist die Phase Larnit. Sie kann sehr hohe Gehalte dieser Elemente aufnehmen, mit steigendem Druck nimmt die Löslichkeit jedoch ab. Direkte Messungen der Löslichkeit an Ca-Perovskit liegen bislang nicht vor. Die Experimente an der unteren Stabilitätsgrenze zeigen sehr geringe Gehalte an Kalium und Phosphor. Eine Substitution in dieser sehr dichten Struktur findet nicht statt. Die geringe Löslichkeit in Ca-Perovskit entspricht nicht dem erwarteten Ergebnis. Diese Phase galt bislang als möglicher Träger von Kalium und Phosphor im Unteren Mantel. Wenn davon ausgegangen wird, daß Einschlüsse, in denen Larnit und Si-Titanit nachgewiesen werden, möglicherweise ehemals Ca-Perovskit gewesen sind und damit eine Herkunft aus dem Unteren Mantel haben, so sprechen die hohen Gehalte an Kalium und Phosphor in Larnit gegen diese Annahme. Ein Einschluß, der als Ca-Perovskit im Unteren Mantel kristallisiert ist, kann nicht die großen Mengen an Kalium und Phosphor einbauen, wie sie dann im Larnit als direkte Umwandlungsphase nachgewiesen werden. Möglicherweise sind Einschlüsse, die hohe Gehalte an Kalium und Phosphor zeigen, in dem Zweiphasenstabilitätsfeld Larnit/Si-Titanit kristallisiert, und ein Hinweis darauf, daß sie kein Disproportionsprodukt aus vormaligem Ca-Perovskit sind. Bislang ungeklärt bleibt die Frage, ob mit höherem Druck die Löslichkeit von Kalium und Phosphor in Ca-Perovskit zunimmt. Wenn eine Druckabhängigkeit der Löslichkeit vorliegt, würde dies dafür sprechen, daß die Diamanten mit Ca-Perovskit-Einschlüssen aus dem Unteren Mantel stammen und nicht aus der Übergangszone. Die Annahme der Herkunft dieser speziellen Diamantparagenese aus dem Unteren Mantel wird auch durch das Auftreten von Ferro-Periklas und Stichovit zusammen mit Ca-Perovskit im gleichen Diamantkristall bekräftigt. Zukünftige Experimente bei höheren Drücken könnten die Frage klären, ob bei einer Druckerhöhung eine Zunahme der Löslichkeit in Ca-Perovskit beobachtet wird. Eine beachtliche Zunahme der Löslichkeit mit dem Druck würde das Modell der Herkunft der Ca-Silikateinschlüsse aus dem Unteren Mantel stützen. Die Löslichkeit von Kalium und Phosphor in Ca-Walstromit zeigt sowohl in den natürlichen Einschlüssen als auch in den Experimenten mittlere Gehalte dieser Elemente an. Abweichend von den Beobachtungen in den Einschlüssen ist jedoch der erhöhte Kaliumgehalt, der nicht den erwarteten stöchiometrischen Austausch von 1 : 1 wiedergibt. Untersuchungen an natürlichen Ca-Walstromit als Einschlüsse in Diamanten werden zukünftig von besonderem Interesse sein, da diese Einschlüsse entsprechend häufiger auftreten und als Probenmaterial vorliegen. Weitere Experimente im Ca-Walstromit-Stabilitätsfeld mit unterschiedlichen Gehalten an Spurenelementen und entsprechenden Strukturuntersuchungen können die Frage der Stabilität bzw. der Amorphisierung klären. Ein unmittelbares Amorphisieren von Ca-Walstromit nach der Druckentlastung wird nicht beobachtet und auch die energiereiche Strahlung der Mikrosonde bzw. des Synchrotrons hat keine Amorphisierung zur Folge. Beim Bestrahlen mit der sehr energiereichen Strahlung bei den TEM-Untersuchungen zeigt sich jedoch, daß Ca-Walstromit nicht sehr stabil ist und innerhalb weniger Minuten amorphisiert. Die TEM-Untersuchungen weisen auf mögliche Polymorphe von Ca-Walstromit hin. Wenn sich unterschiedliche Polymorphe nachweisen lassen, ist von abweichenden Löslichkeiten und unter Umständen anderen Einbaumechanismen in den Phasen auszugehen.
One possible approach to study systematically the influence of the deformation regime on the geometry of geological structures like folds and boudins is analogue modelling. For a complete understanding of the resulting structures, consideration of the third dimension is required. This PhD study deals with scaled analogue modelling under constriction and plane-strain conditions to improve our knowledge of folding and boudinage of lower crustal rocks in space and time. Plasticine is an appropriate analogue material for rocks in the lower crust. Therefore, this material was used for the experiments. The macroscopic behaviour of most types of plasticine is quite similar to rocks undergoing strain-rate softening and strain hardening regardless of the different microscopic aspects of deformation. Therefore, if one is aware that the stress exponent and viscosity increase with increasing strain, the original plasticine types used with stress exponents ranging from 5.8 to 8.0 are adequate for modelling geologic structures. The same holds for plasticine/oil mixtures. Thus, plasticine and plasticine/oil mixtures can be used to model the viscous flow of different rock types in the lower crust. If climb-accommodated dislocation creep and associated steady-state flow is assumed for the natural rocks, the plasticine/oil mixtures should be used, which flow under steady-state conditions. Three different experimental studies of plane-strain coaxial deformation of stiff layers, with viscosity η2 and stress exponent n2, embedded in a weak matrix, with viscosity η1 and stress exponent n1, have been carried out. The undeformed samples (matrix plus layer) were cubes with an edge length of 12 cm. All experimental runs have been carried out at T = 25 ± 1°C and varying strain rates ė, ranging from 7.9 x 10 high -6 s high -1 to 1.7 x 10 high -2 s high -1, until a finite longitudinal strain of 30% – 40% was achieved. The first experimental study improved the understanding about the evolution of folds and boudins when the layer is oriented perpendicular to the Y-axis of the finite strain ellipsoid. The rock analogues used were Beck’s green plasticine (matrix) and Beck’s black plasticine (competent layer), both of which are strain-rate softening modelling materials with stress exponent n = ca. 8. The effective viscosity η of the matrix plasticine was changed by adding different amounts of oil to the original plasticine. At a strain rate ė of 10 high -3 s high -1 and a finite strain e of 10%, the effective viscosity of the matrix ranges from 1.2 x 10 high 6 to 7.2 x 10 high 6 Pa s. The effective viscosity of the competent layer has been determined as 4.2 x 10 high 7 Pa s. If the viscosity ratio is large (> ca. 20) and the initial thickness of the competent layer is small, both folds and boudins develop simultaneously. Although the growth rate of the folds seems to be higher than the growth rate of the boudins, the wavelength of both structures is approximately the same as is suggested by analytical solutions. A further unexpected, but characteristic, aspect of the deformed competent layer is a significant increase in thickness, which can be used to distinguish plane-strain folds and boudins from constrictional folds and boudins. In the second experimental study, the impact of varying strain rates on growing folds and boudins under plane strain have been investigated. The strain rates used range from 7.9 x 10 high -6 s high -1 to 1.7 x 10 high -2 s high -1. The stiff layer and matrix consist of non-linear viscous Kolb grey and Beck’s green plasticine, respectively, both of which are strain-rate softening modelling materials with power law exponents (n) and apparent viscosities (η) ranging from 6.5 to 7.9 and 8.5 x 10 high 6 to 7.2 x 10 high 6 Pa s, respectively. The effective viscosity (η) of the matrix plasticine was partly modified by adding oil to the original plasticine. At the strain rates used in the experiments the viscosity ratio between layer and matrix ranges between 3 and 10. Different runs have been carried out where the layer was oriented perpendicular to the principal strain axes (X>Y>Z). The results suggest a considerable influence of the strain rate on the geometry of the deformed stiff layer including its thickness. This holds for every type of layer orientation (S ┴ X, S ┴ Y, S ┴ Z). If the stiff layer is oriented perpendicular to the short axis Z of the finite strain ellipsoid, the number of the resulting boudins and the thickness of the stiff layer increase, whereas the length of boudins decreases with increasing strain rate. If the stiff layer is oriented perpendicular to the long axis, X, of the finite strain ellipsoid, enlargement of the strain rate results in increasing wavelength of folds, whereas the number of folds and the degree of thickening of the stiff layer decreased. If the stiff layer is oriented perpendicular to the intermediate Y-axis of the finite strain ellipsoid enlargement of the strain rate results in a decreasing number of boudins and folds associated with increasing wavelengths of both structures. The wavelength of folds is approximately half of the boudins wavelength. This is true for the case where folds and boudins develop simultaneously (S ┴ Y) and for cases where both structures develop independently (folds at S ┴ X and boudins at S ┴ Z). In the third experimental study, scaled analogue experiments have been carried out to demonstrate the growth of plane-strain folds and boudins through space and time. Previous 3D-studies are based only on finite deformation structures. Their results can therefore not be used to prove if both structures grew simultaneously or in sequence. Plane strain acted on a single stiff layer that was embedded in a weak matrix, with the layer oriented perpendicular to the intermediate Y-axis of the finite strain ellipsoid. Two different experimental runs have been carried out using computer tomography (CT) to analyse the results. The first run was carried out without interruption. During the second run, the deformation was stopped in each case at longitudinal strain increments of 10%. Every experiment was carried out at a temperature T of 25°C and a strain rate, ė, of ca. 4 x 10 high -3 s high -1 until a finite longitudinal strain of 40% was achieved with a viscosity contrast m of 18.6 between the non-linear viscous layer (Kolb brown plasticine) and the matrix (Beck’s green plasticine with 150 ml oil kg high -1). The apparent viscosity, η, and the stress exponent, n, for the layer at a strain rate ė = ca. 10 high -3 s high -1 and a finite strain e = 10% are 2.23 x 10 high 7 Pa s and n = 5.8 and for the matrix 1.2 x 10 high 6 Pa s and 10.5. These new data that result from incremental analogue modelling corroborate previous suggestions that folds and boudins are coeval structures in cases of plane-strain coaxial deformation with the stiff layer oriented perpendicular to the intermediate Y-axis of the finite strain ellipsoid. They will be of interest for all workers who are dealing with plane-strain boudins and folds, where the fold axes are parallel to the major axis (X) of the finite strain ellipsoid. As has been demonstrated by the first experimental study, coeval folding and boudinage under plane strain, with S ┴ Y, are associated with a significant increase in the thickness of the competent layer. The latter phenomenon does not occur in other cases of simultaneous folding and boudinage, such as bulk pure constriction. To study the impact of layer thickness on the geometry of folds and boudins under pure constriction, we carried out additional experiments using different types of plasticine for a stiff layer and a weaker matrix to model folding and boudinaging under pure constriction, with the initially planar layer oriented parallel to the Xaxis of the finite strain ellipsoid. The stiff layer and matrix consist of non-linear viscous Kolb brown and Beck’s green plasticine, respectively, both of which are strain-rate softening modelling materials. Six runs have been carried out using thicknesses of the stiff layer of 1, 2, 4, 6, 8 and 10 ± 0.2 mm. All experimental runs were carried out at a temperature T of 30 ± 2°C and a strain rate, ė, of ca. 1.1 x 10 high -4 s high -1 until a finite longitudinal strain of 40% was achieved with a viscosity contrast m of 3.1 between the stiff layer (Kolb brown plasticine) and the matrix (Beck’s green plasticine). The apparent viscosity, η, and the stress exponent, n, for the layer at a strain rate ė = ca. 10 high -3 s high -1 and a finite strain e = 10% are 2.23 x 10 high 7 Pa s and n = 5.8 and for the matrix 7.2 x 10 high 6 Pa s and 7.9. Our results suggest a considerable influence of the initial thickness of the stiff layer on the geometry of the deformed stiff layer. There is no evidence for folding in XY=XZ-sections if the initial thickness of the competent layer is larger than ca. 8 mm. If the initial thickness of the competent layer is set at ca. 10 ± 0.2 mm, both folds and boudins develop simultaneously. However, the growth rate of the boudins seems to be higher than the growth rate of the folds. A further expected, but characteristic, aspect of the deformed competent layer is no change in thickness of the competent layer, which can be used to distinguish plane-strain folds and boudins from constrictional folds and boudins. The model results are important for the analysis and interpretation of deformation structures in rheologically stratified rocks undergoing dislocation creep under bulk constriction. Tectonic settings where constrictional folds and boudins may develop simultaneously are stems of salt diapirs, subduction zones or thermal plumes. To make (paleo) viscosimetric statements possible, the rheological data of the different plasticine types were related to the geometrical data. When comparing the normalized dominant wavelength Wd obtained from the deformed layer of the models with the theoretical dominant wavelength (Ld) calculated using the Smith equation (1977, 1979), the latter probably also holds when folding and boudinage develop simultaneously (S ┴ Y) and when boudins develop independently (S ┴ Z), but can obviously not be applied at very low viscosity ratios as is indicated by the low-strain-rate experiments.
The present work was devised to address the systematic analysis of samples from a range of Roman non-ferrous metal artefacts from different archaeological contexts and sites in the Roman provinces of Germania Superior. One of the focal points of this study is the provenancing of different lead objects from five important Roman settlements between 15 BC and the beginning of fourth century AD. For this purpose, measurements were made on lead and copper ore samples from the Siegerland, Eifel, Hunsrück and Lahn-Dill area in Germany and supplemented with data from the literature to create a data bank of lead isotope ratios of European deposits. Compositional analysis of lead objects by Electron Microprobe analysis showed that Romans were able to purify lead from ore up to 99%. Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass-Spectrometry was used to determine the source of lead, which played an important role in nearly all aspects of Roman life. Lead isotope ratios were measured for ore samples from German deposits from the eastern side of the Rhine (Siegerland, Lahn-Dill, Ems) and the western side of the Rhine (Eifel, Hunsrück), which contained enough ore reserves to answer the increasing local demand and are believed to have been mined during the Roman period. This data together with those from Mediterranean ore deposits from the literature was used to establish a data bank. The Mediterranean ore deposits range from Cambrian (high 207Pb/206Pb) to tertiary (lower 207Pb/206Pb) values. In particular, the Cypriot deposits are younger, while the Spanish deposits fall either with the younger Sardic ores or close to the older Cypriot ores. The lead isotope ratios of most German ore deposits fall in between the 208Pb/206Pb vs. 207Pb/206Pb ratios of Sardinia and Cyprus, where the lead isotope signature of ore deposits from France and Britain are also found. Over 240 lead objects were measured from Wallendorf (second century BC to first century AD) Dangstetten (15-8 BC), Waldgirmes (AD 1-10), Mainz (AD 1-300), Martberg (first to fourth centuries AD) & Trier (third to fourth centuries AD). Comparing the lead isotope ratios of lead objects and those from German ores shows that the source of over 85 percent of objects are Eifel ore deposits, but the Roman’s had also imported lead from the Southern Massif Central and from Great Britain. A further topic of this work was the systematic study of the variation of copper isotope ratios in different copper minerals and the mechanisms, which controls copper isotope fractionation in ores deposits. For this purpose, copper isotope analyses were made by Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass-Spectrometry from a series of hydrothermal copper sulphides and their alteration products. Copper and lead isotope ratios were measured in coexisting phases of chalcopyrite and malachite and also coexisting malachite and azurite. No significant fractionation was observed in malachite-azurite phases, but in chalcopyrite-malachite coexisting phases, malachite always shows a positive fractionation to heavier isotope values. Zhu et al. and Larson et al. showed that isotopic variations in copper principally reflect mass fractionation in response to low temperature processes rather than source heterogeneity. The low temperature ore formation processes are mostly represented by weathering of primary sulphide ores to produce secondary carbonate phases and therefore are usually observed on the surface of ore deposits, which were probably removed during the early Bronze Age. Using this concept, copper isotope ratios were measured in some Early Bronze Age copper alloys and Roman copper alloys. However, no large copper isotope fractionation has been observed. Lead and copper isotope ratios were measured on samples from the Kupferschiefer. Two profiles were investigated; 1) Sangerhausen, which was not directly influenced by the oxidizing brines of Rote Fäule and 2) Oberkatz, where both Rote Fäule-controlled and structure-controlled mineralization were observed. Results from maturation studies of organic matter suggest the maximum temperature affecting the Kupferschiefer did not exceed 130°C. delta-65-Cu ranges between -0.78-+0.58‰, shows a positive correlation with copper concentration. Maximum temperature in the Kupferschiefer profile from Oberkatz is supposed to be around 150°C. delta-65Cu in this profile ranges between -0.71-+0.68‰. The pattern of copper isotope fractionation and copper concentration is same as the for profile of Sangerhausen. Origina lead isotope ratios are strongly overprinted by high concentrations of uranium in bottom of both profiles causing more radiogenic lead.
In Ostkreta tritt innerhalb der Phyllit-Quarzit-Serie ein in vier Einheiten untergliederbares präalpidisches Altkristallin auf. Das basale Kalavros-Kristallin (KCC) wurde während der permischen (Monazitalter) Barrow-Metamorphose (Staurolith-Zone) überprägt. Unter amphibolitfaziellen Metamorphosebedingungen bildeten sich liegende Isoklinalfalten sowie eine mylonitische Foliation. Die Verteilung der -c-Achsen von Quarzen belegt non-koaxiale Deformation durch Rhomben<a>- und Prismen<a>Gleitung, die sich in einer hochtemperierten Grenzflächenwanderung (GBM) äußerte. Zudem wuchsen vierphasige Granate, in denen die äußerste Zone auf einen nochmaligen Druckanstieg hindeutet. Die Granate wurden wiederum von Muskoviten, die aus einer Deformation mit Top-E- bis Top-NE-Scherung resultierten, überwachsen. Das überlagernde Myrsini-Kristallin (MCC) besteht aus Glimmerschiefern, Gneisen, Quarziten und Marmoren. Die Liefergebiete der Paragesteine (Zirkonaltersspektrum eines Paragneises) weisen Einflüsse der amazonischen- (2,8 Ga), eburnischen- (1,9 Ga), kibaran/sunsasischen- (0,9 - 1,1 Ga) und panafrikanischen- (0,9 - 0,5 Ga) Orogenese auf. Im Mittelkambrium intrudierten Granite in die sedimentären/kristallinen Gesteine (514 ±14 Ma zrn & 507 ±189 Ma mnz). Während des Unterkarbons (Monazitalter) fand eine Barrow-Metamorphose (Staurolith-Zone) mit non-koaxialer Top-N-Scherung statt. Hierbei bildeten sich geschlossene, liegende Falten sowie eine mylonitische Foliation. Die Quarz-c-Achsen belegen non-koaxiale Rhomben<a>- bis Prismen<a>Gleitung, die sich in Subkornrotations-Rekristallisation (SGR) und hochtemperierter Korngrenzwanderungs-Rekristallisation (GBM) äußerte. Im Gegensatz zu den Granaten des KCC bildeten sich nur dreiphasige Granate. Während des retrograden variszischen Deformationspfades entstanden Top-NE-Scherzonen. Der bis in die Unterkreide anhaltende Aufstieg der Gesteine wird von Zirkon-Spaltspurenaltern (150 ±14 Ma) dokumentiert. Das hangende Chamezí-Kristallin (CCC) besteht aus Gneisen und Glimmerschiefern. Auch hier intrudierten im Mittelkambrium (S-Typ-)Granite (511 ±16 Ma zrn & 521 ±28 Ma mnz). Relikte einer prävariszischen Orogenese stellen die Granatkerne und Margarite in den Glimmerschiefern dar. Das Alter der Barrow-Metamorphose (Granat-Zone) mit Top-N-Scherung konnte mangels geeigneter Minerale nicht bestimmt werden. Die Verteilung der Quarz-c-Achsen resultiert aus einer non-koaxialen Deformation bei der überwiegend Basis<a>- und Rhomben<a>Gleitung mit Subkornrotations-Rekristallisation (SGR) auftrat. Es bildete sich eine protomylonitische Foliation sowie liegende offene N-S Falten, die anschließend mehrphasig überprägt wurden. Für einen langsamen Aufstieg der Gesteine sprechen die semiduktilen Top-NE-Scherzonen und jurassischen Zirkon-Spaltspurenalter (158 ±16 Ma). Eine unbekannte Position innerhalb des Altkristallins nimmt das Vaí-Kristallin (VCC) ein. Während der Trias intrudierten hier granitoide Gesteine (223 ±11Ma zrn). Eine spätere amphibolitfazielle Überprägung zeigt Top-NW-Scherung. Der schnelle Aufstieg der Gesteine wird durch jurassische Zirkon-Spaltspurenalter dokumentiert (184 ±11 Ma). Die Kristallingerölle der hangenden skythischen Metakalkkonglomerate können auf Grund der permischen bis triassischen Metamorphose der kretischen Altkristalline, der triassischen Intrusion der Granite des Vaí-Kristallins sowie den jurassischen Zirkon-Spaltspurenaltern nicht aus der unterlagernden Altkristallin-Einheit stammen. Der Kontakt zwischen dem Altkristallin und dem Metakalkkonglomerat ist somit das Ergebnis der alpidischen Orogenese. Auch die Zirkone, Monazite und Rutile wurden von der Niedertemperatur/Hochdruck-Metamorphose der alpidischen Orogenese beeinflusst. Vor allem die Zirkone des Chamezí-Orthogneises zeigen einen Pb- und vermutlich auch einen U-Verlust sowie einen Austausch von radiogenem Pb durch rezentes Pb. Dieser niedergradige Fluidtransport äußerte sich zudem in einem Lösen der Zirkone sowie einer zerstörten Zirkonstruktur. Gleichzeitig fand ein Einbau von Ca2+, Mn2+ und Mg2+ statt, der von den Ca-reichen Fluiden, die auf Grund der Karbonat-reichen Deckenstapel auftraten, forciert wurde. Keinen Einfluss auf den Blei-Verlust der Zirkone zeigt dagegen die amphibolit- bis grünschieferfazielle präalpidische Überprägung. Auf Grund der Altersspektren der Zirkone sowie der tektonischen Transportrichtungen werden die Kristallinkomplexe als Fragmente von Gondwana interpretiert. Im Rahmen der spät-panafrikanischen Metamorphose und Deformation erfolgte der Aufstieg der Plutonite, an die sich eine Riftingphase anschließt, während der sich die Fragmente abspalteten. Im Karbon bis Perm kollidierten unter Top-N-Kinematik das MCC, CCC und KCC mit Gondwana. In der Trias erfolgte letztlich der Aufstieg der Plutonite des VCC und dessen anschließende Überprägung. Die Heraushebung der Gesteine erfolgte im Jura.
Im Zusammenhang mit der Diskussion des globalen Klimawandels stellt sich die Frage, ob extreme Wettersituationen wahrscheinlicher werden. Diese Frage ist wegen der Gefahren, die von extremen Wettersituationen ausgehen, weit über die Grenzen der Meteorologie hinaus von Bedeutung. Dennoch findet man in der Fachliteratur sehr wenige Beiträge zu diesem Thema. Dies liegt im wesentlichen daran, dass bei der Analyse von Extremwerten im allgemeinen von konstanten Überschreitungswahrscheinlichkeiten für Schwellwerte ausgegangen wird. Wenn diese Arbeitshypothese wahr ist, können Wiederkehrzeiten einfach als Kehrwert der Eintrittswahrscheinlichkeit angesehen werden. Dann – nur dann - macht der Ausdruck Jahrhundertereignis einen Sinn, der über den Moment hinaus reicht. In diesem Beitrag soll zunächst das Vokabular zur Beschreibung von Extremwerten (hier als Werte oberhalb von Schwellen) vorgestellt bzw. in Erinnerung gerufen werden. Diese werden auf den einfachen Fall stationärer Zeitreihen angewendet, woraus die üblichen vereinfachten Zusammenhänge folgen. Im Anschluss wird ein künstliches Beispiel einer Variable mit veränderlichem Mittelwert untersucht. Dieses zeigt deutlich, wie stark die Kenngrößen des Extremverhaltens von Schwankungen im Mittelwert abhängen können. Bei der Analyse klimatologischer Beobachtungsdaten, steht man vor dem Problem, dass kein einfaches Modell für die Generierung der Zeitreihe zur Verfügung steht, woraus man die Eigenschaften des Extremverhaltens ableiten könnte. Gelingt es jedoch, die Beobachtungen mit Hilfe einfacher empirischer Modellgleichungen hinreichend gut zu beschreiben, so ist der Weg zur Analyse der Extremwerte in instationären Zeitreihen geebnet. Dabei braucht man nicht, wie oft üblich, nur die (relativ wenigen) (Extremwerte für die Analyse des Extremverhaltens heranzuziehen, sondern kann die gesamte von der Zeitreihe zur Verfügung gestellte Information nutzen. Diese Strategie wird exemplarisch an zwei Zeitreihen vorgestellt. Aus Gründen der Einfachheit sind dies Monatsmittel bzw. Jahresmittel der Temperatur. In diesen sind eindeutige Änderungen sowohl im mittleren als auch im extremen Verhalten sichtbar. Daraus kann zwar geschlossen werden, dass sich die Wettersituationen im Laufe der Zeit verändert haben, nicht aber wie. Ein häufigeres Auftreten extremer Mittelwerte kann bedeuten, dass warme Wettersituationen häufiger oder wärmer geworden sind, oder das kalte Wettersituationen wärmer oder weniger geworden sind, oder aber, dass eine Überlagerung verschiedener Veränderungen zu diesem Ergebnis führt. So kann die Frage, ob extreme Wettersituationen wahrscheinlicher werden, in diesem Beitrag nicht abschließend geklärt werden, jedoch wird ein Werkzeug vorgestellt, das geeignet erscheint, diese Frage zu beantworten.
This is a short movie about the research project No. 297 41 132 of the German Federal Environmental Agency. It is comissioned by the German Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety and the German Federal Environmental Agency, Division II 6.2.
The assumption that mankind is able to have an in uence on global or regional climate, respectively, due to the emission of greenhouse gases, is often discussed. This assumption is both very important and very obscure. In consequence, it is necessary to clarify definitively which meteorological elements (climate parameters) are in uencend by the anthropogenic climate impact, and to which extent in which regions of the world. In addition, to be able to interprete such an information properly, it is also necessary to know the magnitude of the different climate signals due to natural variability (for example due to volcanic or solar activity) and the magnitide of stochastic climate noise. The usual tool of climatologists, general circulation models (GCM) suffer from the problem that they are at least quantitatively uncertain with regard to the regional patterns of the behaviour of climate elements and from the lack of accurate information about long-term (decadal and centennial) forcing. In contrast to that, statistical methods as used in this study have the advantage to test hypotheses directly based on observational data. So, we focus to the very reality of climate variability as it has occurred in the past. We apply two strategies of time series analyis with regard to the observed climate variables under consideration. First, each time series is splitted into its variation components. This procedure is called 'structure-oriented time series separation'. The second strategy called 'cause-oriented time series separation' matches various time series representing various forcing mechanisms with those representing the climate behaviour (climate elements). In this way it can be assessed which part of observed climate variability can be explained by this (combined) forcing and which part remains unexplained.
The assumption that mankind is able to have an in uence on global or regional climate, respectively, due to the emission of greenhouse gases, is often discussed. This assumption is both very important and very obscure. In consequence, it is necessary to clarify definitively which meteorological elements (climate parameters) are in uencend by the anthropogenic climate impact, and to which extent in which regions of the world. In addition, to be able to interprete such an information properly, it is also necessary to know the magnitude of the different climate signals due to natural variability (for example due to volcanic or solar activity) and the magnitide of stochastic climate noise. The usual tool of climatologists, general circulation models (GCM) suffer from the problem that they are at least quantitatively uncertain with regard to the regional patterns of the behaviour of climate elements and from the lack of accurate information about long-term (decadal and centennial) forcing. In contrast to that, statistical methods as used in this study have the advantage to test hypotheses directly based on observational data. So, we focus to the very reality of climate variability as it has occurred in the past. We apply two strategies of time series analyis with regard to the observed climate variables under consideration. First, each time series is splitted into its variation components. This procedure is called 'structure-oriented time series separation'. The second strategy called 'cause-oriented time series separation' matches various time series representing various forcing mechanisms with those representing the climate behaviour (climate elements). In this way it can be assessed which part of observed climate variability can be explained by this (combined) forcing and which part remains unexplained.
Basierend auf der Feststellung, daß selbst die aufwendigsten zur Zeit verfügbaren Klimamodelle (das sind gekoppelte atmosphärisch-ozeanische Zirkulationsmodelle, AOGCM) nicht in der Lage sind, alle bekannten externen Antriebe und internen Wechselwirkungen des Klimas simultan zu erfassen, werden zunächst die Stärken und Schwächen von rein statistischen Ansätzen zur Analyse von Zusammenhängen zwischen beobachteten Zeitreihen diskutiert. Speziell geht es dabei um die Frage, welche natürlichen und anthropogenen Antriebe in welchem Ausmaß zu den beobachteten Variationen der globalen Mitteltemperatur beigetragen haben (Signaltrennung). Es wird gezeigt, daß ein einfacher physikalisch motivierter Ansatz, der einige Schwächen der rein statistischen Ansätze vermeidet, nicht zum Ziel der Signaltrennung führt. Damit ergibt sich die Notwendigkeit, sich eingehender mit den Eigenschaften des globalen Klimasystems zu beschäftigen. So stellt sich die Frage, unter welchen Bedingungen das Klima überhaupt vorhersagbar ist. Aufgrund dieser Überlegungen erscheint es möglich, das globale Klima, repräsentiert durch die globale Mitteltemperatur, mit Hilfe von Energie-Bilanz-Modellen (EBM) zu beschreiben. Es folgt, daß ein 3-Boxen-EBM (Atmosphäre, ozeanische Mischungsschicht und tieferer Ozean) ausreicht, um den Verlauf der globalen bodennahen Mitteltemperatur zu untersuchen. Um das Problem einer Überanpassung zu vermeiden, wird das Modell am hemisphärisch gemittelten Jahresgang von Temperatur und Ausstrahlung, am Verlauf der bodennahen Mitteltemperatur eines Zirkulationsmodells im Einschaltexperiment, sowie im Vergleich zu paläoklimatologischen Daten kalibriert. Es wird eine Lösung dieses Modells abgeleitet, die als rekursiver Filter zur Zeitreihenanalyse verwendet werden kann. Um auch den hemisphärischen Temperaturverlauf untersuchen zu können, wird das 3-Boxen-Modell auf fünf Boxen erweitert (hemisphärische Atmosphären- und ozeanische Mischungsschicht-Boxen sowie ein globaler tieferer Ozean). Auch dieses Modell wird im wesentlichen an den Jahresgängen der Temperatur kalibriert und eine Lösung in Form eines rekursiven Filters abgeleitet. Von besonderer Bedeutung ist dabei, daß die so abgeleiteten Filter weder in ihrer Struktur, noch in ihren Parameterwerten aus einer Anpassung an die zu untersuchenden Zeitreihen stammen. Bevor die beobachteten Temperaturzeitreihen für den Zeitraum von 1866 bis 1994 mit den zwei Modellversionen rekonstruiert werden können, müssen die berücksichtigten externen Antriebe in Form von Heizratenanomalien vorliegen. Es werden zwei natürliche (solare Schwankungen und explosive Vulkanaktivität) und zwei anthropogene externe Antriebe (Treibhausgas- und Schwefeldioxidemissionen, die zur Bildung von anthropogenem troposphärischen Sulfat führen) untersucht. Die Heizratenanomalien der solaren Schwankungen folgen aus Satellitenmessungen und einer Extrapolation mit Hilfe von Sonnenflecken-Relativzahlen. Für den Einfluß des Vulkanismus wurde eine Parametrisierung erstellt, die sowohl die Ausbreitung von stratosphärischem Vulkanaerosol als auch dessen Einfluß auf den Strahlungshaushalt berücksichtigt. Zur Beschreibung des anthropogenen Zusatztreibhauseffekts wurde auf Ergebnisse von Strahlungs-Konvektions-Modellen (RCM) zurückgegriffen. Der Einfluß des anthropogenen troposphärischen Sulfats wurde entsprechend dem ungenauen Kenntnisstand nur grob parametrisiert. Mit den Modellen lassen sich zu jedem Antrieb Zeitreihen der globalen und hemisphärischen Temperaturanomalien berechnen. Die beobachteten ENSO-korrigierten Temperaturanomalien lassen sich (außer im Fall der Nordhemisphäre) sehr gut als Summe dieser Antriebe und Zufallsrauschen ausdrücken. Dabei hat das Zufallsrauschen mit dem Modell verträgliche Eigenschaften und kann somit als internes Klimarauschen interpretiert werden. Es ist demnach möglich, zusätzlich zur Signaltrennung zu testen, ob sich die Temperaturzeitreihen ohne die anthropogenen Antriebe signifikant anders verhalten hätten. Der Unterschied ist auf der Südhemisphäre und global mit 99 % signifikant, auf der Nordhemisphäre mit 95 %. Das bedeutet, daß der Mensch das Klima mit hoher Wahrscheinlichkeit beeinflußt. Auf der Basis von Szenarien wird außerdem der anthropogene Einfluß auf das Klima der nächsten Dekaden prognostiziert. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie groß die Zeitverzögerung zwischen anthropogenen Antrieben und deren Wirkung auf das Klima ist. Auch dieser Frage wird nachgegangen und es ergibt sich, daß diese Verzögerung zur Zeit bei etwa zehn Jahren liegt. Da die Verzögerungszeit aber keine Eigenschaft des Klimasystems ist (wie etwa eine Trägheitsoder Mischungszeit), sondern von der zeitlichen Struktur des Antriebs abhängt, ist sie keine Konstante und kann somit nur eingeschränkt für Prognosen verwendet werden. Andererseits erlaubt die Kenntnis der Verzögerungszeit eine statistische Verifikation mit Hilfe eines multiplen Regressionsmodells. Diese unterstützt die Prognosen des EBM.
Die Induzierte Polarisation (IP) ist ein geoelektrisches Verfahren und wurde ursprünglich zur Exploration von Erzvorkommen entwickelt. Neben metallischen Leitern, tragen auch Tonminerale, der Porenraum und die chemische Zusammensetzung der Porenlösung zur Polarisierbarkeit eines Unter-grundes bei. Die spektrale Induzierte Polarisation (SIP) untersucht die Polarisierbarkeit in einem Frequenzbereich von 1 mHz bis 1 kHz und nutzt diese aufgezeichneten Spektren zur Unterscheidung von Materialien. Früher mit einem enormen messtechnischen Aufwand verbunden, führte der gerätetechnische Fort-schritt in den letzten beiden Jahrzehnten dazu, dass die SIP vermehrt in der Umweltgeophysik zum Einsatz kommt. Zu den Fragestellungen gehören die Detektion von Altlasten und der Grundwasser-schutz. In der Archäologie ist die Induzierte Polarisation bislang ein kaum verwendetes Verfahren. Im Rahmen des Graduiertenkollegs „Archäologische Analytik“ der J. W. Goethe- Universität wurde die Entwicklung einer Multielektroden-Apparatur SIP-256 begonnen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Fortführung dieser Entwicklung. Da sich die wissenschaftliche Fragestellung während dieser Promotion auf die Erkundung archäologischer Objekte beschränkt, galt es zunächst automatisierte Messabläufe zu realisieren, die es erlauben, die komplexe elektrische Leitfähigkeit kleinräumiger 2D- bzw. 3D-Strukturen zu erfassen. Die Verwendung der SIP-256 führte zu einer erheblichen Ver-kürzung der Messzeit und war entscheidend für die Realisierung dieser Arbeit. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildet die Suche nach Anwendungsgebieten für die SIP innerhalb der archäologischen Prospektion. Basierend auf den Ursachen von Polarisationseffekten werden im Rahmen dieser Arbeit drei Anwendungsgebiete vorgestellt. Das erste Anwendungsgebiet nutzt die Vorteile der SIP bei der Prospektion von Erzen. Auf einem mittelalterlicher Verhüttungsplatz bei Seesen am Harz konnten im Vergleich zu einer konventionellen Widerstandsmessung mehr Schlackegruben lokalisiert werden. Während einer deutsch-bulgarischen Grabungskampagne in Pliska (Bulgarien) 1999 gelang es, durch eine flächenhafte Anwendung der IP einen Siedlungshorizont über Lehmablagerungen nachzuweisen. Die Überreste eines Gebäudes erzeugten einen messbaren Polarisationseffekt. Die frühmittelalterlichen Siedlungsreste befinden sich mit 2 bis 3 m in relativ großer Tiefe und konnten bei einer anschließenden Ausgrabung freigelegt werden. Eine Kernfrage war, ob Holzobjekte mit Hilfe der SIP zu detektieren sind. Mit Hilfe von Labormessungen an der TU Clausthal konnte geklärt werden, dass Holz ein polarisierbares Material ist. Zu den untersuchten Proben gehören Hölzer aus einem bronzezeitlichen Bohlenweg, die von Ausgrabungen im Federseemoor (Kreis Biberach) stammen. Durch die Untersuchungen im Labor motiviert, folgte eine Feldmessung über dem Bohlenweg. Es gelang, erstmals ein Holzobjekt mit spektraler Induzierter Polarisation zu detektieren. Holz spielt durch die dendrochronologische Datierung von Fundstellen eine wichtige Rolle, konnte aber bislang noch mit keiner geophysikalischen Methode zufriedenstellend prospektiert werden. Abschließend kann gesagt werden, dass sich die spektrale Induzierte Polarisation als wertvolle Methode in der archäologischen Prospektion etablierte. Strukturen, welche mit einer konventionellen Widerstandsmessung nicht zu erkennen waren, konnten durch die SIP eindeutig identifiziert werden. Natürlich müssen die vorliegenden Ergebnisse noch durch weitere Messungen bestätigt werden, jedoch zeichnet sich ab, dass sich mit der fortschreitenden gerätetechnischen Entwicklung, welche zu schnelleren Messabläufen führt, wichtige Zusatzinformationen durch die spektrale Induzierte Polarisation gewinnen lassen.
Artificial drainage of agricultural land, for example with ditches or drainage tubes, is used to avoid water logging and to manage high groundwater tables. Among other impacts it influences the nutrient balances by increasing leaching losses and by decreasing denitrification. To simulate terrestrial transport of nitrogen on the global scale, a digital global map of artificially drained agricultural areas was developed. The map depicts the percentage of each 5’ by 5’ grid cell that is equipped for artificial drainage. Information on artificial drainage in countries or sub-national units was mainly derived from international inventories. Distribution to grid cells was based, for most countries, on the "Global Croplands Dataset" of Ramankutty et al. (1998) and the "Digital Global Map of Irrigation Areas" of Siebert et al. (2005). For some European countries the CORINE land cover dataset was used instead of the both datasets mentioned above. Maps with outlines of artificially drained areas were available for 6 countries. The global drainage area on the map is 167 Mio hectares. For only 11 out of the 116 countries with information on artificial drainage areas, sub-national information could be taken into account. Due to this coarse spatial resolution of the data sources, we recommended to use the map of artificially drained areas only for continental to global scale assessments. This documentation describes the dataset, the data sources and the map generation, and it discusses the data uncertainty.
In der hier vorliegenden Arbeit wurden Spurenstoff-Flüsse zwischen Atmosphäre und Pedosphäre, sowie zwischen Atmosphäre und Vegetation untersucht. Der Austausch zwischen Atmosphäre und Boden wurde mit Hilfe von dynamischen Bodenkammern gemessen. Zur Bestimmung des Austauschs zwischen Atmosphäre und Biosphäre wurden Gradienten der Spurengase oberhalb der Baumkronen gemessen und daraus die Flüsse bestimmt. Weiterhin wurden methodische Vergleiche der Gradientmethode mit anderen Methoden (Relaxed-Eddy-Accumulation, Eddy- Correlation) durchgeführt. Die Untersuchungen mit Hilfe der Gaswechselkammern zeigen, dass während aller Messungen der Boden eine Senke von atmosphärischem Carbonylsulfid dargestellt hat. Hiermit wird die Rolle des Bodens als eine Senke für COS bestätigt. Die Depositonsraten betragen im Mittel - 0,81 pmolm exp -2 s exp -1 und besitzen eine Variabilität zwischen - 0,23 und - 1,38 pmolm exp -2 s exp -1. Im Vergleich zu den Literaturwerten (siehe Tabelle 1.1) sind die Aufnahmeraten des Bodens auf der Versuchsfläche "F1" schwach ausgeprägt. Im Vergleich zu anderen Arbeiten (siehe Lehmann & Conrad, 1996; Kesselmeier et al., 1999) sind keine eindeutigen Korrelationen zwischen dem COS-Fluss und der Lufttemperatur bzw. der Bodenfeuchte oder den Bodentemperaturen in 2, 5 und 10 cm zu erkennen. Diese hier aufgeführten Arbeiten beruhen jedoch auf Labormessungen mit nur sehr geringen homogenen und präparierten Bodenmengen. Die Feldmessungen im Rahmen dieser Arbeit wurden nicht unter vergleichbar definierten Bedingungen durchgeführt. Aufgrund zahlreicher beeinflussender Parameter und der vertikalen Inhomogenität des Bodens konnte jedoch auch nicht mit vergleichbar guten Korrelationen gerechnet werden. Eine saisonale Abhängigkeit der COS-Aufnahme ist über einen Zeitraum von 21 2 Monaten nicht ausgeprägt. Da die Messungen einer Kampagne im Mai 1999 aufgrund von Kontaminationen der Luftproben vollständig verworfen wurden, erstreckten sich die Messungen nur vom Hochsommer bis zum Frühherbst. Die räumliche Variabilität erreicht dagegen innerhalb einer Entfernung von 10 m eine Spanne zwischen - 0,43 und - 0,73 pmolm exp -2 s exp -1. Zurückzuführen ist dies auf die starke räumliche ....
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.
In der hier vorliegenden Diplomarbeit wurde der globale Einfluß des ENSO-Phänomens (El Niño/Southern Oscillation) und des Vulkanismus auf den Luftdruck in Meeresspiegelhöhe sowie auf die Lufttemperatur in Bodennähe untersucht. Weiterhin sollte der Frage nachgegangen werden, ob starke Vulkanausbrüche das ENSO-Phänomen beeinflussen. Hierfür wurden 100-jährige Zeitreihen von Jahres- und saisonalen Mitteln des Southern-Oscillation-Index (SOI), Anomalien der Meeresoberflächentemperatur im tropischen Ostpazifik (SST) sowie der Vulkanismusparameter nach Grieser [17] verwendet. Weiterhin wurde ein globaler, aus 80 flächengleichen Boxen bestehender Datensatz des Luftdrucks in Meeresspiegelhöhe für den Zeitraum 1883 bis 1992 erstellt und ein gleichartiger Boxdatensatz der Luftemperatur in Bodennähe verwendet. Die angewandte Methodik ist eine von Denhard 1996 [11] entwickelte Filtertechnik (Prozeßfilter), mit deren Hilfe sich externe Störungen auf ein dynamisches System analysieren lassen. Es wurde ein methodischer Vergleich zwischen dem Prozeßfilter und der Kreuzspektralanalyse durchgeführt, der aufzeigte, daß bei der hier vorliegenden Fragestellung der Prozeßfilter bessere Ergebnisse liefert. Die Analysen der ENSO-Parameter (SOI, SST) mit den Boxdatensätzen der internen Klimavariablen (Luftdruck und Temperatur) bestätigen die bekannten Wirkungen des ENSO-Phänomens auf das Temperatur- sowie das Luftdruckfeld in Bodennähe bzw. Meeresspiegelhöhe. Für einen entdeckten, im jahreszeitlichen Verlauf unterschiedlichen Einfluß von ENSO auf die Lufttemperatur im tropischen Westpazifik ist dem Autor keine vergleichbare Diskussion aus der Literatur bekannt. In dieser Region wurde im Winter und Frühjahr (jeweils bezogen auf die Nordhemisphäre) eine Erhöhung der Lufttemperatur während El Niño, im Sommer und Herbst dagegen eine Erniedrigung festgestellt. Die Wirkung des Vulkanismus auf den Luftdruck in Meeresspiegelhöhe ist stark von ENSO überlagert. Dieser Effekt wurde in abgeschwächter Form auch bei den, ansonsten klimatologisch interpretierbaren, Korrelationsmustern zwischen den Gebietsmittelreihen der bodennahen Lufttemperatur und dem Vulkanismusparameter festgestellt. Ein ursächliches Einwirken des Vulkanismus auf ENSO konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht gefunden werden.
We present simulations with the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS) for the Arctic winter 2002/2003. We integrated a Lagrangian denitrification scheme into the three-dimensional version of CLaMS that calculates the growth and sedimentation of nitric acid trihydrate (NAT) particles along individual particle trajectories. From those, we derive the HNO3 downward flux resulting from different particle nucleation assumptions. The simulation results show a clear vertical redistribution of total inorganic nitrogen (NOy), with a maximum vortex average permanent NOy removal of over 5 ppb in late December between 500 and 550 K and a corresponding increase of NOy of over 2 ppb below about 450 K. The simulated vertical redistribution of NOy is compared with balloon observations by MkIV and in-situ observations from the high altitude aircraft Geophysica. Assuming a globally uniform NAT particle nucleation rate of 3.4·10−6 cm−3 h−1 in the model, the observed denitrification is well reproduced. In the investigated winter 2002/2003, the denitrification has only moderate impact (<=10%) on the simulated vortex average ozone loss of about 1.1 ppm near the 460 K level. At higher altitudes, above 600 K potential temperature, the simulations show significant ozone depletion through NOx-catalytic cycles due to the unusual early exposure of vortex air to sunlight.
Chlorine monoxide (ClO) plays a key role in stratospheric ozone loss processes at midlatitudes. We present two balloonborne in situ measurements of ClO conducted in northern hemisphere midlatitudes during the period of the maximum of total inorganic chlorine loading in the atmosphere. Both ClO measurements were conducted on board the TRIPLE balloon payload, launched in November 1996 in Le´on, Spain, and in May 1999 in Aire sur l’Adour, France. For both flights a ClO daylight and night time vertical profile could be derived over an altitude range of approximately 15–31 km. ClO mixing ratios are compared to model simulations performed with the photochemical box model version of the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS). Simulations along 24-h backward trajectories were performed to study the diurnal variation of ClO in the midlatitude lower stratosphere. Model simulations for the flight launched in Aire sur l’Adour 1999 show a good agreement with the ClO measurements. For the flight launched in Le´on 1996, a similar good agreement is found, except at around ~ 650 K potential temperature (~26km altitude). However, a tendency is found that for solar zenith angles greater than 86°–87° the simulated ClO mixing ratios substantially overestimate measured ClO by approximately a factor of 2.5 or more for both flights. Therefore we conclude that no indication can be deduced from the presented ClO measurements that substantial uncertainties exist in midlatitude chlorine chemistry of the stratosphere. An exception is the situation at solar zenith angles greater than 86°–87° where model simulations substantial overestimate ClO observations.
Attribution and detection of anthropogenic climate change using a backpropagation neural network
(2002)
The climate system can be regarded as a dynamic nonlinear system. Thus traditional linear statistical methods are not suited to describe the nonlinearities of this system which renders it necessary to find alternative statistical techniques to model those nonlinear properties. In addition to an earlier paper on this subject (WALTER et al., 1998), the problem of attribution and detection of the observed climate change is addressed here using a nonlinear Backpropagation Neural Network (BPN). In addition to potential anthropogenic influences on climate (CO2-equivalent concentrations, called greenhouse gases, GHG and SO2 emissions) natural influences on surface air temperature (variations of solar activity, volcanism and the El Niño/Southern Oscillation phenomenon) are integrated into the simulations as well. It is shown that the adaptive BPN algorithm captures the dynamics of the climate system, i.e. global and area weighted mean temperature anomalies, to a great extent. However, free parameters of this network architecture have to be optimized in a time consuming trial-and-error process. The simulation quality obtained by the BPN exceeds the results of those from a linear model by far; the simulation quality on the global scale amounts to 84% explained variance. Additionally the results of the nonlinear algorithm are plausible in a physical sense, i.e. amplitude and time structure. Nevertheless they cover a broad range, e.g. the GHG-signal on the global scale ranges from 0.37 K to 1.65 K warming for the time period 1856-1998. However the simulated amplitudes are situated within the discussed range (HOUGHTON et al., 2001). Additionally the combined anthropogenic effect corresponds to the observed increase in temperature for the examined time period. In addition to that, the BPN succeeds with the detection of anthropogenic induced climate change on a high significance level. Therefore the concept of neural networks can be regarded as a suitable nonlinear statistical tool for modeling and diagnosing the climate system.
Im Rahmen der Diskussion des globalen bzw. regionalen Klimawandels sind, neben Extremereignissen, Langfristtrends von besonderem Interesse. Doch erfordert die ausgeprägte Klimavariabilität in Zeit und Raum spezielle regionale Detailuntersuchungen. Daher wird hier eine solche Analyse für Deutschland und die Klimaelemente bodennahe Lufttemperatur sowie Niederschlag vorgestellt, mit besonderem Blick auf die jahreszeitlichen/monatlichen Besonderheiten der Trends in ausgewählten Zeitintervallen zwischen 1891 und 2000. Am auffälligsten ist dabei die sich verstärkende winterliche Temperatur- und Niederschlagszunahme, während im Sommer, unter ebenfalls Erwärmung, eine Trendwende von abnehmendem zu in den letzten Dekaden zunehmendem Niederschlag eingetreten ist.
Vielleicht hätte sich außerhalb der Fachwissenschaft niemand für das Weltklimaproblem interessiert, wären da nicht zwei brisante, miteinander gekoppelte Fakten: Die Menschheit ist hochgradig von der Gunst des Klimas abhängig. Es kann uns daher nicht gleichgültig sein, was mit unserem Klima geschieht. Und: Die Menschheit ist mehr und mehr dazu übergegangen, das Klima auch selbst zu beeinflussen. Daraus erwächst uns allen eine besondere Verantwortung. ...
Wenn sich beim Klimagipfel in Den Haag [genauer bei der nun schon 6. Vertragstaatenkonferenz zur Klimaschutzkonvention der Vereinten Nationen] nun wieder die Delegationen aus fast allen Staaten der Welt treffen, um über Klimaschutzmaßnahmen zu beraten, dann schwingt auch immer die Frage mit: Sind solche Maßnahmen wirklich notwendig? Sollen wir nicht einfach warten, bis wir mehr, ja vielleicht alles wissen? ...