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This paper compares measurements of gaseous and particulate emissions from a wide range of biomass-burning plumes intercepted by the NASA DC-8 research aircraft during the three phases of the ARCTAS-2008 experiment: ARCTAS-A, based out of Fairbanks, Alaska USA (3 April to 19 April 2008); ARCTAS-B based out of Cold Lake, Alberta, Canada (29 June to 13 July 2008); and ARCTAS-CARB, based out of Palmdale, California, USA (18 June to 24 June 2008). Extensive investigations of boreal fire plume evolution were undertaken during ARCTAS-B, where four distinct fire plumes that were intercepted by the aircraft over a range of down-wind distances (0.1 to 16 hr transport times) were studied in detail. Based on these analyses, there was no evidence for ozone production and a box model simulation of the data confirmed that net ozone production was slow (on average 1 ppbv h−1 in the first 3 h and much lower afterwards) due to limited NOx. Peroxyacetyl nitrate concentrations (PAN) increased with plume age and the box model estimated an average production rate of ~80 pptv h−1 in the first 3 h. Like ozone, there was also no evidence for net secondary inorganic or organic aerosol formation. There was no apparent increase in aerosol mass concentrations in the boreal fire plumes due to secondary organic aerosol (SOA) formation; however, there were indications of chemical processing of the organic aerosols. In addition to the detailed studies of boreal fire plume evolution, about 500 smoke plumes intercepted by the NASA DC-8 aircraft were segregated by fire source region. The normalized excess mixing ratios (i.e. ΔX/ΔCO) of gaseous (carbon dioxide, acetonitrile, hydrogen cyanide, toluene, benzene, methane, oxides of nitrogen (NOx), ozone, PAN) and fine aerosol particulate components (nitrate, sulfate, ammonium, chloride, organic aerosols and water soluble organic carbon) of these plumes were compared.
We present the application of time-of-flight mass spectrometry (TOF MS) for the analysis of halocarbons in the atmosphere after cryogenic sample preconcentration and gas chromatographic separation. For the described field of application, the quadrupole mass spectrometer (QP MS) is a state-of-the-art detector. This work aims at comparing two commercially available instruments, a QP MS and a TOF MS, with respect to mass resolution, mass accuracy, stability of the mass axis and instrument sensitivity, detector sensitivity, measurement precision and detector linearity. Both mass spectrometers are operated on the same gas chromatographic system by splitting the column effluent to both detectors. The QP MS had to be operated in optimised single ion monitoring (SIM) mode to achieve a sensitivity which could compete with the TOF MS. The TOF MS provided full mass range information in any acquired mass spectrum without losing sensitivity. Whilst the QP MS showed the performance already achieved in earlier tests, the sensitivity of the TOF MS was on average higher than that of the QP MS in the "operational" SIM mode by a factor of up to 3, reaching detection limits of less than 0.2 pg. Measurement precision determined for the whole analytical system was up to 0.2% depending on substance and sampled volume. The TOF MS instrument used for this study displayed significant non-linearities of up to 10% for two-thirds of all analysed substances.
This paper compares measurements of gaseous and particulate emissions from a wide range of biomass-burning plumes intercepted by the NASA DC-8 research aircraft during the three phases of the ARCTAS-2008 experiment: ARCTAS-A, based out of Fairbanks, Alaska, USA (3 April to 19 April 2008); ARCTAS-B based out of Cold Lake, Alberta, Canada (29 June to 13 July 2008); and ARCTAS-CARB, based out of Palmdale, California, USA (18 June to 24 June 2008). Approximately 500 smoke plumes from biomass burning emissions that varied in age from minutes to days were segregated by fire source region and urban emission influences. The normalized excess mixing ratios (NEMR) of gaseous (carbon dioxide, acetonitrile, hydrogen cyanide, toluene, benzene, methane, oxides of nitrogen and ozone) and fine aerosol particulate components (nitrate, sulfate, ammonium, chloride, organic aerosols and water soluble organic carbon) of these plumes were compared. A detailed statistical analysis of the different plume categories for different gaseous and aerosol species is presented in this paper.
The comparison of NEMR values showed that CH4 concentrations were higher in air-masses that were influenced by urban emissions. Fresh biomass burning plumes mixed with urban emissions showed a higher degree of oxidative processing in comparison with fresh biomass burning only plumes. This was evident in higher concentrations of inorganic aerosol components such as sulfate, nitrate and ammonium, but not reflected in the organic components. Lower NOx NEMRs combined with high sulfate, nitrate and ammonium NEMRs in aerosols of plumes subject to long-range transport, when comparing all plume categories, provided evidence of advanced processing of these plumes.
Comparing projections of future changes in runoff from hydrological and biome models in ISI-MIP
(2013)
Future changes in runoff can have important implications for water resources and flooding. In this study, runoff projections from ISI-MIP (Inter-sectoral Impact Model Intercomparison Project) simulations forced with HadGEM2-ES bias-corrected climate data under the Representative Concentration Pathway 8.5 have been analysed for differences between impact models. Projections of change from a baseline period (1981–2010) to the future (2070–2099) from 12 impacts models which contributed to the hydrological and biomes sectors of ISI-MIP were studied. The biome models differed from the hydrological models by the inclusion of CO2 impacts and most also included a dynamic vegetation distribution. The biome and hydrological models agreed on the sign of runoff change for most regions of the world. However, in West Africa, the hydrological models projected drying, and the biome models a moistening. The biome models tended to produce larger increases and smaller decreases in regionally averaged runoff than the hydrological models, although there is large inter-model spread. The timing of runoff change was similar, but there were differences in magnitude, particularly at peak runoff. The impact of vegetation distribution change was much smaller than the projected change over time, while elevated CO2 had an effect as large as the magnitude of change over time projected by some models in some regions. The effect of CO2 on runoff was not consistent across the models, with two models showing increases and two decreases. There was also more spread in projections from the runs with elevated CO2 than with constant CO2. The biome models which gave increased runoff from elevated CO2 were also those which differed most from the hydrological models. Spatially, regions with most difference between model types tended to be projected to have most effect from elevated CO2, and seasonal differences were also similar, so elevated CO2 can partly explain the differences between hydrological and biome model runoff change projections. Therefore, this shows that a range of impact models should be considered to give the full range of uncertainty in impacts studies.
Projections of future changes in runoff can have important implications for water resources and flooding. In this study, runoff projections from ISI-MIP (Inter-sectoral Impact Model Intercomparison Project) simulations forced with HadGEM2-ES bias-corrected climate data under the Representative Concentration Pathway 8.5 have been analysed. Projections of change from the baseline period (1981–2010) to the future (2070–2099) from a number of different ecosystems and hydrological models were studied. The differences between projections from the two types of model were looked at globally and regionally. Typically, across different regions the ecosystem models tended to project larger increases and smaller decreases in runoff than the hydrological models. However, the differences varied both regionally and seasonally. Sensitivity experiments were also used to investigate the contributions of varying CO2 and allowing vegetation distribution to evolve on projected changes in runoff. In two out of four models which had data available from CO2 sensitivity experiments, allowing CO2 to vary was found to increase runoff more than keeping CO2 constant, while in two models runoff decreased. This suggests more uncertainty in runoff responses to elevated CO2 than previously considered. As CO2 effects on evapotranspiration via stomatal conductance and leaf-area index are more commonly included in ecosystems models than in hydrological models, this may partially explain some of the difference between model types. Keeping the vegetation distribution static in JULES runs had much less effect on runoff projections than varying CO2, but this may be more pronounced if looked at over a longer timescale as vegetation changes may take longer to reach a new state.
During this study clumped isotope analysis of carbonates was established at the Goethe University of Frankfurt, Germany. Therefore, preparation protocols and analytical parameters were elaborated to obtain precise and accurate Δ47 data. Briefly, analyte CO2 was cleaned cryogenically using glass extraction lines to remove traces of water that enable re-equilibration of C–O bonds in the gases. Furthermore, analyte CO2 was passed through a gas chromatograph (GC) to clean it from contaminants that produce isobaric interferences with m/z 47. Initially, phosphoric acid digestions of carbonates was conducted at 25 °C in McCrea-type reaction vessels. Afterwards samples were reacted at 90 °C using a common acid bath. Mass spectrometric analyses were performed using a MAT 253 equipped with a dual inlet system. Δ47 values were directly projected to the absolute scale using CO2 gases equilibrated at distinct temperatures.
In cooperation with Stefano Bernasconi and his research group at ETH Zurich we studied the non-linearity that occurs for the measurement of m/z 47. This effect results from secondary electrons created by the m/z 44 beam. These electrons cause a negative background on the m/z 47 collector. A correction procedure was proposed that relies on the determination of the negative background on the m/z 47 Faraday cup. This approach might reduce time-consuming analyses of heated gases which were used so far to account for the observed non-linearity. However, the suggested correction of the negative background on the m/z 47 cup is only applicable if the slit width of the m/z 44 beam is significantly wider than that of the m/z 47 beam.
This thesis, furthermore, presents a comparison of the different phosphoric acid digestion techniques which are commonly used for carbonate clumped isotope analysis. For calcitic and aragonitic material digested at 25 °C in McCrea-type vessels we observed that the sample size has an effect on Δ47 data: higher mean Δ47 values and a larger scatter of data were received for samples <7 mg than for larger aliquots. For carbonate samples digested at 90 °C in a common acid bath no sample size effect was determined. We assume that secondary re-equilibration of CO2 with water preferentially occurs at 25 °C producing the observed differences. However, a sample size effect can be avoided if reaction temperature is increased to 90 °C.
In order to make carbonate Δ47 data obtained from acid digestions at 90 °C comparable to Δ47 data received from reactions at 25 °C the difference of the acid fractionation factores (Δ47*25-90) between both temperatures has to be known. For the determination of the Δ47*25-90 value we have considered Δ47 data made at 25 °C from samples >7 mg only. For calicte and aragonite we obtained differences in fractionation factores of 0.075‰ and 0.066‰, respectively. These Δ47*25-90 values are coincident with the theoretical prediction of 0.069‰ proposed for calcite (Guo et al., 2009).
Moreover, this dissertation comprises a calibration study of the clumped isotope thermometer based on various natural calcites that grew between 9 and 38 °C. The samples include a brachiopod shell, a bivalve shell, an eggshell of an ostrich and foraminifera tests which formed from distinct biomineralizing processes. Furthermore we included an authigenic carbonate crystallized from biological-induced precipitation. The following linear relationship between 1/T2 and Δ47 was determined (with Δ47 in ‰ and T in K):
Δ47 = 0.0327 (± 0.0026) x 106 / T2 + 0.3030 (± 0.0308) (R2 = 0.9915)
This equation differs from the pioneering Ghosh et al. (2006a) calibration. However, our regression line is statistically indistinguishable from that of Henkes et al. (2013) which is based on aragonitic mollusks and calcitic brachiopod shells. Both studies have in common that calibration data were, at first, directly referenced to the absolute scale. In addition, both datasets rely on similar digestion techniques. Furthermore, the two calibrations are conform with the theoretical prediction of Guo et al. (2009).
The calcite calibration of the clumped isotope paleothermometer received in this study was applied to Δ47 data measured for Silurian brachiopods shells from Gotland/Sweden. Prior to isotopic analysis the fossils were intensively investigated for their preservation state (CL, SEM, trace elements). The lowest T(Δ47) values of ca. 28 to 33 °C were estimated from ultrastructurally well-preserved regions of some shells. For these samples also the lowest δ18Ow values of Silurian seawater were determined. These estimates of ca. −1‰ confirm the assumption that the δ18O value of the Silurian ocean was buffered to (0 ± 1)‰.
Nevertheless, most studied shells were characterized by a patchwork of pristine and altered shell portions resulting in elevated T(Δ47) values which plot mostly between 40 and 60 °C. Our results indicate that the clumped isotopic composition of the shells were altered at low water-rock ratios, not affecting the δ18O values. Δ47 and δ18O data of associated diagenetic phases (sparitic and micritic phases of the inner fillings of the fossils) provide evidence that the sparitic cements grew during several diagenetic events which occurred at different temperatures in fluid-buffered systems. We, furthermore, conclude that the micritic phases lithified at a very early diagenetic stage with the δ18O values being most probably close to a Silurian seawater composition
Climatology of morphology and cloud-radiative properties of marine low-level mixed-phase clouds
(2023)
Marine stratocumuli cover about 40 - 60% of the ocean surface. They self-organize into different morphological regimes. The two organized cellular regimes are called open and closed mesoscale-cellular convective (MCC) clouds. In mid-to-high latitudes, open and closed cells are the two most frequent types of MCC clouds. In particular, many MCC clouds consist of a mixture of vapor, liquid droplets, and ice particles, referred to as mixed-phase clouds (MPCs). Even for the same cloud fraction, the albedo of open cells is, on average, lower than that of closed MCC clouds. Cloud phase and morphology individually influence the cloud radiative effect. Thus, this thesis investigates the relationships between the cloud phase, MCC organization, cell size, and differences regarding the cloud-radiative effect.
This thesis focuses on space-borne retrievals to achieve extensive temporal and spatial coverage. The liDAR-raDAR (DARDAR) version 2 product collocates two active and one passive satellite: CloudSat, Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO), and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). The cloud phase of DARDAR is vertically integrated to establish a single cloud phase at each data point. The MCC classification data set based on the liquid water path (LWP) of MODIS scenes is collocated with the DARDAR product to determine the MCC organization. Cell-size statistics of both MCC clouds are obtained using a marker-based image segmentation method on MODIS reflectance scenes. In addition, based on MODIS reflectance scenes, a convolutional neural network (CNN) is developed to classify open and closed MCC scenes to avoid missing mature MPCs with a low LWP.
The first part of this thesis explores the relationships between cloud phase, morphology, and cloud albedo in the Southern Ocean (SO). At a given cloud-top temperature (CTT), seasonal changes in the mixed-phase fraction, defined as the number of MPCs divided by the sum of MPC and supercooled liquid cloud (SLC) pixels, are stronger than the morphological changes. Therefore, external factors seem to influence these changes instead of morphology. The dependence of cloud phase on cloud-top height (CTH) is more substantial than on CTT in clouds with CTHs below 2.5 km. The previously observed acceleration of closed-to-open transition in MPCs, known as preconditioning, is not the primary driver of climatological cloud morphology statistics in the SO. The morphological differences in cloud albedo are more pronounced in SLCs than in MPCs. This change in albedo alters the cloud radiative effect in the SO by 21Wm−2 to 39Wm−2 depending onseason and cloud phase.
Open and closed MCC clouds exhibit larger equivalent cell diameters in the MPCs than in SLCs in austral summer, whereas, in austral winter, the SLCs are larger. The cell’s aspect ratio accounts for varying CTHs. Closed cells have smaller aspect ratios than open cells, so their cell diameter is smaller, independent of CTH. While the seasonal differences in closed cells are due to changes in CTH, the seasonal aspect ratio differences in open cells are mainly caused by MPCs. With increasing aspect ratios, the cloud albedo decreases in both open and closed MCC clouds, with the most substantial decrease in open MPCs clouds. This leads to cloud-radiative changes of 60 - 75Wm−2 in the SO, depending on cloud phase and aspect ratio.
The established CNN exhibits a good accuracy of 80.6%, with even higher accuracies in the Open (85.5%) and Closed (87.3%) categories. The global MCC climatology based on the CNN generally agrees well with previous MCC distributions. The most notable difference occurs in the Northern Hemisphere (NH) in boreal winter, with a higher occurrence frequency of closed and open MCC clouds. This might indicate missing MPCs in previous studies based on the LWP and some restricted to warm cloud scenes. Thus, the developed CNN seems to better represent the different morphologies in MPCs than in previous classifications.
In conclusion, this thesis shows that understanding the dependencies of cloud phase, cloud morphology, and cell size is important to enhance predictions of the cloud-radiative effect and thus, it is important to evaluate how cloud phase, cloud morphology, and cellsize change in a warming climate.
Aim: Plant life‐forms characterize key morphological strategies that enable large‐scale comparisons of plant communities. This study applies Raunkiær's plant life‐form concept that was developed for temperate climate to a subtropical island flora, in parts, dominated by summer aridity. We quantify how plant life‐form patterns as well as patterns of important plant functional traits (PFTs) relate to important climate and topographic characteristics.
Location: La Palma, Canary Islands.
Taxon: Flora of La Palma.
Methods: We assigned each native plant species a plant life‐form, that is, phanerophyte, chamaephyte, hemicryptophyte, geophyte and therophyte, as well as PFTs (succulence and N‐fixer). We used stacked species distribution models to assess occurrence probability for each species using the Atlantis database (500 m × 500 m grid). We related richness and percentage values for each plant life‐form and PFT to climate and topography.
Results: Plant life‐forms and PFTs showed a clear pattern within geographic but also climate space, while topography had a minor effect. Phanerophytes mainly contributed to the flora in humid areas. Chamaephytes and hemicryptophytes most strongly contributed to the summit scrub flora and, to some degree, also to the arid coastal regions. Geophytes and therophytes were mainly found in dry coastal regions. N‐fixers contributed mainly to warm‐arid and cool‐arid regions, while succulent species were mainly found in arid coastal regions.
Main conclusions: Raunkiær's plant life‐form concept can be comprehensively transferred to a subtropical island flora by adapting to local unfavourable growing conditions, that is, aridity. Using the strong environmental gradients offered by our study island, we identify substantial climate‐driven variation in patterns of plant life‐forms and PFTs that might be used for large‐scale comparisons in macroecological studies. The growth strategies reflected in Raunkiær's plant life‐forms suggest differences in species establishment and coexistence dynamics within different parts of the island's climate space.
Ongoing climate change is a major threat to biodiversity and impacts on species distributions and abundances are already evident. Heterogenous responses of species due to varying abiotic tolerances and dispersal abilities have the potential to further amplify or ameliorate these impacts through changes in species assemblages. Here we investigate the impacts of climate change on terrestrial bird distributions and, subsequently, on species richness as well as on different aspects of phylogenetic diversity of species assemblages across the globe. We go beyond previous work by disentangling the potential impacts on assemblage phylogenetic diversity of species gains vs. losses under climate change and compare the projected impacts to randomized assemblage changes.
We show that climate change might not only affect species numbers and composition of global species assemblages but could also have profound impacts on assemblage phylogenetic diversity, which, across extensive areas, differ significantly from random changes. Both the projected impacts on phylogenetic diversity and on phylogenetic structure vary greatly across the globe. Projected increases in the evolutionary history contained within species assemblages, associated with either increasing phylogenetic diversification or clustering, are most frequent at high northern latitudes. By contrast, projected declines in evolutionary history, associated with increasing phylogenetic over-dispersion or homogenisation, are projected across all continents.
The projected widespread changes in the phylogenetic structure of species assemblages show that changes in species richness do not fully reflect the potential threat from climate change to ecosystems. Our results indicate that the most severe changes to the phylogenetic diversity and structure of species assemblages are likely to be caused by species range shifts rather than range reductions and extinctions. Our findings highlight the importance of considering diverse measures in climate impact assessments and the value of integrating species-specific responses into assessments of entire community changes.
Background: Despite its largely mountainous terrain for which this Himalayan country is a popular tourist destination, Nepal is now endemic for five major vector-borne diseases (VBDs), namely malaria, lymphatic filariasis, Japanese encephalitis, visceral leishmaniasis and dengue fever. There is increasing evidence about the impacts of climate change on VBDs especially in tropical highlands and temperate regions. Our aim is to explore whether the observed spatiotemporal distributions of VBDs in Nepal can be related to climate change.
Methodology: A systematic literature search was performed and summarized information on climate change and the spatiotemporal distribution of VBDs in Nepal from the published literature until December 2014 following providing items for systematic review and meta-analysis (PRISMA) guidelines.
Principal findings: We found 12 studies that analysed the trend of climatic data and are relevant for the study of VBDs, 38 studies that dealt with the spatial and temporal distribution of disease vectors and disease transmission. Among 38 studies, only eight studies assessed the association of VBDs with climatic variables. Our review highlights a pronounced warming in the mountains and an expansion of autochthonous cases of VBDs to non-endemic areas including mountain regions (i.e., at least 2,000 m above sea level). Furthermore, significant relationships between climatic variables and VBDs and their vectors are found in short-term studies.
Conclusion: Taking into account the weak health care systems and difficult geographic terrain of Nepal, increasing trade and movements of people, a lack of vector control interventions, observed relationships between climatic variables and VBDs and their vectors and the establishment of relevant disease vectors already at least 2,000 m above sea level, we conclude that climate change can intensify the risk of VBD epidemics in the mountain regions of Nepal if other non-climatic drivers of VBDs remain constant.
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.
Chemical ozone loss in winter 1991–1992 is recalculated based on observations of the HALOE satellite instrument, 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 profiles are most likely disturbed by the enhanced sulfate aerosols, as a result of the Mt. Pinatubo eruption in June 1991. Very large chemical ozone loss was observed below 400 K from Kiruna balloon observations between December and March 1992. Additionally, for the two winters after the Mt. Pinatubo eruption, HALOE satellite observations show a stronger extent of chemical ozone loss at lower altitudes compared to other Arctic winter between 1991 and 2003. In stipe of already occurring deactivation of chlorine in March 1992, Mipas-B and LPMA balloon observations indicate still chlorine activation at lower altitudes, consistent with observed chemical ozone loss occurring between February and March and April. Enhanced chemical ozone loss in the Arctic winter 1991–1992 as calculated in earlier studies is corroborated here.
In dieser Arbeit wurde der chemische Ozonverlust in der arktischen Stratosphäre über elf Jahre hinweg, zwischen 1991 und 2002, mit Hilfe der so genannten "Ozon-Tracer Korrelationstechnik" (TRAC), untersucht. Bei dieser Methode werden Korrelationen zwischen Ozon und langlebigen Spurenstoffen im Verlauf des Winters im Polarwirbels beobachtet und so der jährliche akkumulierte Ozonverlust berechnet. Die Ergebnisse dieser Arbeit basieren im wesentlichen auf Messdaten der Satelliteninstrumente: HALOE (Halogen Occultation Experiment) auf UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) und ILAS (Improved Limb Atmospheric Spectrometer) Instrument auf ADEOS (Advanced Earth Observing Satellite). Das HALOE Instrument misst seit Oktober 1991 kontinuierlich alle zwei bis drei Monate für einige Tage in höheren nördlichen Breiten. ILAS lieferte ausschließlich für den Winter 1996-97 Messungen, die über sieben Monate hinweg in hohen Breiten aufgenommen wurden. Aufgrund der eingeführten Erweiterungen und Verbesserungen der Methode in dieser Arbeit, konnte die Methode anhand einer detaillierten Studie für den Winter 1996-97 validiert werden. Die ILAS Messreihe wurde dazu verwendet, erstmals die Untersuchung der zeitlichen Entwicklung von Ozon-Tracer Korrelationen kontinuierlich für die gesamte Lebensdauer des Polarwirbels durchzuführen. Dabei wurden auch Korrelationen während der Bildung des Wirbels untersucht und im Besonderen mögliche Mischungsvorgänge zwischen Wirbelluft und Luftmassen außerhalb des Wirbels. Ausserdem wurde ein Vergleich der Ergebnisse von ILAS und HALOE Messdaten durchgeführt und Unterschiede in den Ergebnissen tiefgreifend analysiert. Basierend auf HALOE Messungen konnte die erweiterte TRAC Methode über elf Jahren hinweg angewendet werden. Damit war erstmals eine konsistente Analyse von Ozonverlust und Chloraktivierung über diesen Zeitraum möglich. Die Erweiterungen führten zu einer Verringerung und genauen Quantifizierung von Unsicherheiten der Ergebnisse. Ein deutlicher Zusammenhang zwischen meteorologischen Bedingungen, Chloraktivierung und dem chemischen Ozonverlust wurde deutlich. Weiterhin zeigte sich eine Abhängigkeit zwischen den meteorologischen Bedingungen und der Homogenität des Ozonverlustes innerhalb eines Winters, sowie der mögliche Einfluss von horizontaler Mischung auf Luftmassen in einem schwach ausgeprägten Polarwirbel. In dieser Arbeit wurde eine positive Korrelation zwischen den über die gesamte Lebensdauer des Wirbels auftretenden möglichen PSC-Flächen und den akkumulierten Ozonverlusten für die elf untersuchten Jahre deutlich. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass der Ozonverlust von deutlich mehr Einflüssen als nur von der Fläche möglichen PSC Auftretens bestimmt wird, sondern zum Beispiel von der Stärke der Sonneneinstrahlung abhängt. Außerdem lassen sich Auswirkungen von Vulkanausbrüchen, wie zum Beispiel im Jahr 1991 der des Mount Pinatubo, identifizieren.
Two different single particle mass spectrometers were operated in parallel at the Swiss High Alpine Research Station Jungfraujoch (JFJ, 3580 m a.s.l.) during the Cloud and Aerosol Characterization Experiment (CLACE 6) in February and March 2007. During mixed phase cloud events ice crystals from 5–20 micro m were separated from larger ice aggregates, non-activated, interstitial aerosol particles and supercooled droplets using an Ice-Counterflow Virtual Impactor (Ice-CVI). During one cloud period supercooled droplets were additionally sampled and analyzed by changing the Ice-CVI setup. The small ice particles and droplets were evaporated by injection into dry air inside the Ice-CVI. The resulting ice and droplet residues (IR and DR) were analyzed for size and composition by the two single particle mass spectrometers: a custom-built Single Particle Laser-Ablation Time-of-Flight Mass Spectrometer (SPLAT) and a commercial Aerosol Time-of-Flight Mass Spectrometer (ATOFMS, TSI Model 3800). During CLACE 6 the SPLAT instrument characterized 355 individual IR that produced a mass spectrum for at least one polarity and the ATOFMS measured 152 IR. The mass spectra were binned in classes, based on the combination of dominating substances, such as mineral dust, sulfate, potassium and elemental carbon or organic material. The derived chemical information from the ice residues is compared to the JFJ ambient aerosol that was sampled while the measurement station was out of clouds (several thousand particles analyzed by SPLAT and ATOFMS) and to the composition of the residues of supercooled cloud droplets (SPLAT: 162 cloud droplet residues analyzed, ATOFMS: 1094). The measurements showed that mineral dust was strongly enhanced in the ice particle residues. Close to all of the SPLAT spectra from ice residues did contain signatures from mineral compounds, albeit connected with varying amounts of soluble compounds. Similarly, close to all of the ATOFMS IR spectra show a mineral or metallic component. Pure sulfate and nitrate containing particles were depleted in the ice residues. Sulfate and nitrate was found to dominate the droplet residues (~90% of the particles). The results from the two different single particle mass spectrometers were generally in agreement. Differences in the results originate from several causes, such as the different wavelength of the desorption and ionisation lasers and different size-dependent particle detection efficiencies.
wo different single particle mass spectrometers were operated in parallel at the Swiss High Alpine Research Station Jungfraujoch (JFJ, 3580 m a.s.l.) during the Cloud and Aerosol Characterization Experiment (CLACE 6) in February and March 2007. During mixed phase cloud events ice crystals from 5 μm up to 20 μm were separated from large ice aggregates, non-activated, interstitial aerosol particles and supercooled droplets using an Ice-Counterflow Virtual Impactor (Ice-CVI). During one cloud period supercooled droplets were additionally sampled and analyzed by changing the Ice-CVI setup. The small ice particles and droplets were evaporated by injection into dry air inside the Ice-CVI. The resulting ice and droplet residues (IR and DR) were analyzed for size and composition by two single particle mass spectrometers: a custom-built Single Particle Laser-Ablation Time-of-Flight Mass Spectrometer (SPLAT) and a commercial Aerosol Time of Flight Mass Spectrometer (ATOFMS, TSI Model 3800). During CLACE 6 the SPLAT instrument characterized 355 individual ice residues that produced a mass spectrum for at least one polarity and the ATOFMS measured 152 particles. The mass spectra were binned in classes, based on the combination of dominating substances, such as mineral dust, sulfate, potassium and elemental carbon or organic material. The derived chemical information from the ice residues is compared to the JFJ ambient aerosol that was sampled while the measurement station was out of clouds (several thousand particles analyzed by SPLAT and ATOFMS) and to the composition of the residues of supercooled cloud droplets (SPLAT: 162 cloud droplet residues analyzed, ATOFMS: 1094). The measurements showed that mineral dust particles were strongly enhanced in the ice particle residues. 57% of the SPLAT spectra from ice residues were dominated by signatures from mineral compounds, and 78% of the ATOFMS spectra. Sulfate and nitrate containing particles were strongly depleted in the ice residues. Sulfate was found to dominate the droplet residues (~90% of the particles). The results from the two different single particle mass spectrometers were generally in agreement. Differences in the results originate from several causes, such as the different wavelength of the desorption and ionisation lasers and different size-dependent particle detection efficiencies.
Eisnukleierende Partikel (INP) sind ein wichtiger Bestandteil des atmosphärischen Aerosols. Trotz ihrer geringen Konzentrationen in der Atmosphäre haben sie Einfluss auf die Bildung von Eiskristallen und auf den Niederschlag. Durch Änderungen in Anzahlkonzentration oder anderer Eigenschaften der INP können sich Wolkenparameter wie Lebensdauer und Tröpfchendichte ändern, was weiter eine Ursache für Änderungen im globalen Strahlungshaushalt sein kann.
Der Anteil zum globalen Strahlungshaushalt durch „Wolken-Anpassungen aufgrund von Aerosolen“, stellt weiterhin die größte Unsicherheit des Strahlungsantriebes dar. Aus diesem Grund sind Messungen und Studien über atmosphärische Aerosole und INP notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Eiskeimzähler FINCH („fast ice nucleus chamber“) grundlegend überholt und für Messungen von INP optimiert. FINCH ist ein in-situ Eiskeimzähler der durch Mischung unterschiedlicher Luftströme eine Übersättigung der Probeluft mit Wasserdampf erzeugt, um auf diese Weise die zu untersuchenden Aerosolpartikel zu Eiskristallen wachsen zu lassen. Am Ende einer Wachstumskammer werden die Partikel durch eine Optik, dem FINCH-OPS, anhand von Streueigenschaften klassifiziert und ausgewertet. Um FINCH im erwarteten Umfang benutzen zu können, wurden am F-OPS der Laser und die zur Detektion des Streulichts benutzen Photomultiplier ersetzt. Weiter wurde die Software zur Detektion der Partikel neu entwickelt. Durch diese Änderungen ist es möglich Partikelanzahl, Partikelgröße sowie eine Information über die Form der Partikel abzuleiten. Über einen weiteren Photomultiplier im F-OPS ist es zudem möglich eine Information über Fluoreszenz des Partikels zu gewinnen, um so auf einen biologischen Ursprung des Partikels zu schließen. Vorangegangene Probleme durch elektromagnetische Einstrahlung und dadurch entstandene Inkonsistenzen während Messungen konnten im Rahmen dieser Arbeit identifiziert und ausgeschlossen werden. Ebenfalls konnten die zur Flusskühlung benutzen Wärmetaucher als Ursache für Verunreinigungen und Kontamination ausgemacht werden. Auch dieser, für Messungen ungeeignete Zustand, wurde im Rahmen dieser Arbeit behoben.
Ausführliche Charakterisierungsmessungen konnte die Funktionsfähigkeit des F-OPS, als einzelnes Messgerät ohne FINCH-Kammer, belegen. Durch Messungen mit einer steuerbaren Lichtquelle in der Optik konnte zudem die elektrische Verarbeitung sowie die Zählqualität der Optik verifiziert werden. Weiter kann durch diese Experimente gezeigt werden, dass mit dem F-OPS größenaufgelöst gemessen werden kann.
Auch in den ersten Streulichtexperimenten mit Testaerosol kann die Funktionsfähigkeit der Optik gezeigt werden. Für Partikelgröße von Dp > 400 nm wird eine Zähleffizienz von 25% eines TSI 3025 CPCs erreicht. Die über den F-OPS abgeleitete Partikelgröße kann durch Messungen mit monodispersen Aerosolpartikeln und einer parallelen Messung mit einem TSI 3330 OPS parametrisiert werden. Weiter kann die Fluoreszenz von ausgewählten Referenzstoffen gezeigt werden.
Im Betrieb von F-OPS hinter der FINCH-Kammer, also FINCH als Komplettsystem, wurden weitere Charakterisierungsmessungen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die Anzahlkonzentration der Partikel nach Schließen eines Ventils exponentiell abfällt. Die Partikel folgen demnach nicht nur einem laminaren Fluss durch die Kammer. 50% der Partikel haben nach ca. 13 s die Kammer verlassen. Auch wurde ermittelt, dass ca. 40% der Partikel in der Kammer verloren gehen.
Erste Aktivierungsexperimente zeigen, dass Eispartikel in der Kammer auf eine Größe von Dp > 6 µm anwachsen. Durch Nullfiltermessungen in Aktivierungsphasen, sowie Ändern des zur Aktivierung notwendigen feuchten Flusses, wird zudem gezeigt, dass die Aktivierung der INP durch Mischung erfolgt und außerdem keine Fremdpartikel aktiviert werden. Die neue Steuerung der Kammer lässt es zu Temperaturen in etwa einer Stunde gezielt anzusteuern. Es wird gezeigt, dass Schwankungen in der Sättigung hauptsächlich durch Temperaturphänomene beeinflusst werden.
Abschließend wurden beispielhaft Laborexperimente mit Snomax© durchgeführt, welche sehr gut mit Werten aus der Literatur verglichen werden konnten. Auch eine erste Außenluftmessung am Jungfraujoch (Schweiz) wird in dieser Arbeit präsentiert. Die gemessenen INP-Konzentrationen im gezeigten Zeitraum liegen zwischen 1,4 ± 4,1 L-1 und 53 ± 30 L-1 und entsprechen somit wiederum bekannten Literaturwerten.
Knowledge about mass discrimination effects in a chemical ionization mass spectrometer (CIMS) is crucial for quantifying, e.g., the recently discovered extremely low volatile organic compounds (ELVOCs) and other compounds for which no calibration standard exists so far. Here, we present a simple way of estimating mass discrimination effects of a nitrate-based chemical ionization atmospheric pressure interface time-of-flight (CI-APi-TOF) mass spectrometer. Characterization of the mass discrimination is achieved by adding different perfluorinated acids to the mass spectrometer in amounts sufficient to deplete the primary ions significantly. The relative transmission efficiency can then be determined by comparing the decrease of signals from the primary ions and the increase of signals from the perfluorinated acids at higher masses. This method is in use already for PTR-MS; however, its application to a CI-APi-TOF brings additional difficulties, namely clustering and fragmentation of the measured compounds, which can be treated with statistical analysis of the measured data, leading to selfconsistent results. We also compare this method to a transmission estimation obtained with a setup using an electrospray ion source, a high-resolution differential mobility analyzer and an electrometer, which estimates the transmission of the instrument without the CI source. Both methods give different transmission curves, indicating non-negligible mass discrimination effects of the CI source. The absolute transmission of the instrument without the CI source was estimated with the HR-DMA method to plateau between the m=z range of 127 and 568 Th at around 1.5 %; however, for the CI source included, the depletion method showed a steady increase in relative transmission efficiency from the m=z range of the primary ion (mainly at 62 Th) to around 550 Th by a factor of around 5. The main advantages of the depletion method are that the instrument is used in the same operation mode as during standard measurements and no knowledge of the absolute amount of the measured substance is necessary, which results in a simple setup.
Knowledge about mass discrimination effects in a chemical ionization mass spectrometer (CIMS) is crucial for quantifying, e.g., the recently discovered extremely low volatile organic compounds (ELVOCs) and other compounds for which no calibration standard exists so far. Here, we present a simple way of estimating mass discrimination effects of a nitrate-based chemical ionization atmospheric pressure interface time-of-flight (CI-APi-TOF) mass spectrometer. Characterization of the mass discrimination is achieved by adding different perfluorinated acids to the mass spectrometer in amounts sufficient to deplete the primary ions significantly. The relative transmission efficiency can then be determined by comparing the decrease of signals from the primary ions and the increase of signals from the perfluorinated acids at higher masses. This method is in use already for PTR-MS; however, its application to a CI-APi-TOF brings additional difficulties, namely clustering and fragmentation of the measured compounds, which can be treated with statistical analysis of the measured data, leading to self-consistent results. We also compare this method to a transmission estimation obtained with a setup using an electrospray ion source, a high-resolution differential mobility analyzer and an electrometer, which estimates the transmission of the instrument without the CI source. Both methods give different transmission curves, indicating non-negligible mass discrimination effects of the CI source. The absolute transmission of the instrument without the CI source was estimated with the HR-DMA method to plateau between the m∕z range of 127 and 568 Th at around 1.5 %; however, for the CI source included, the depletion method showed a steady increase in relative transmission efficiency from the m∕z range of the primary ion (mainly at 62 Th) to around 550 Th by a factor of around 5. The main advantages of the depletion method are that the instrument is used in the same operation mode as during standard measurements and no knowledge of the absolute amount of the measured substance is necessary, which results in a simple setup.
We apply seismic full waveform inversion to SH‐ and Love‐wave data for investigating the near‐surface lithology at an archaeological site. We evaluate the resolution of the applied full waveform inversion algorithm through ground truthing in the form of an excavation and sediment core studies. Thereby, we investigate the benefits of full waveform inversion in comparison with other established methods of near‐surface prospecting in terms of resolution capabilities and interpretation security. The study is performed in a presumed harbour area of the ancient Thracian city of Ainos. The exemplary target is the source of a linear magnetic anomaly oriented perpendicular to the coast, which was found in a previous magnetic gradiometry survey, suggesting a mole. The SH‐wave full waveform inversion recovered a subsurface SH‐wave velocity model with submeter resolution showing lateral and vertical velocity variation between 40 and 150 m/s. To tame the non‐linearity of the full waveform inversion, a sequential inversion of frequency bands has to be combined with time‐windowing in order to separate the Love wave from the reflected SH wavefield. We compare the full waveform inversion results with multichannel analysis of surface waves, standard seismic reflection imaging, electrical resistivity tomography and electromagnetic induction. It turns out that the respective depth sections are correlated to a certain degree with the full waveform inversion results. However, the structural resolution of the other geophysical methods is significantly lower than for the full waveform inversion. An exception is the reflection seismic imaging, which shows the same resolution as full waveform inversion but can only be interpreted together with the full waveform inversion–based velocity model. An archaeological excavation as well as coring data allows ground truthing and a direct understanding of the geophysical structures. The results show that the target was a sort of near‐surface trench of about 3–4 m width and 0.8 m to 1.0 m depth, filled with silty sediment, which differs from the layered surrounding in colour and composition. The ground truthing revealed that only SH‐wave full waveform inversion and seismic reflection imaging could image the trench and sediment structure with satisfying lateral and depth resolution. We emphasize that the velocity distribution from SH‐wave full waveform inversion agrees closely with the excavated subsurface structures, and that the discovered changes in seismic velocity correlate with changes in the sand content in the respective sediment facies sequences. The study demonstrated that SH‐wave full waveform inversion is capable to image structural and lithological changes in the near subsurface at scales as low as 0.5 m, thus providing the high resolution needed for archaeological and geoarchaeological prospection.
We present a study characterizing aerosol particles resulting from a skyscraper blasting. High mass concentrations with a maximum of 844.9 μg m-3 were present for a short time period of approximately 15 minutes. They result in a day mean of 32.6 μg m-3 compared to a 27.6 μg m-3 background not exceeding the 50 μg m-3 EU maximum permissive value. The increase in particle number concentration was less pronounced with a maximum concentration of 6.9 ⋅ 104 cm-3 compared to the local background value of 1.8 ⋅ 104 cm-3. The size-resolved number concentration shows a single mode of ultrafine particles at approximately 93 nm. The spatial distribution of deposited dust was investigated with Bergerhoff glass collection vessels, showing a decrease with distance. In the deposited dust samples the concentrations of twelve metals was determined, non of them exceeded the regional background concentrations significantly. The chemical composition of individual particles emitted by the demolition was studied by Scanning Electron Microscopy. They were mainly concrete and steel particles, with 60% calcium carbonates, 19% calcium sulfates, 19% silicates and 2% steel. In energy-dispersive X-Ray Spectroscopy, no fibers like asbestos were observed. Using a broad spectrum of instruments and methods, we obtain comprehensive characterization of the particles emitted by the demolition.
In this thesis, laboratory investigations have been conducted to investigate several processes occurring during the melt segregation (crystal settling and compaction processes), as well as during emplacement of plutons. With the help of three different sets of centrifuge experiments rates of these three magmatic processes have been evaluated. In the first series of the centrifuge experiments, the diapiric ascent of buoyant material from two source layers at different depths was studied. Through five models, the hypothesis of ascending diapirs was tested and it was demonstrated whether a rising diapir ascends straight upward or if its ascent might be deviated by another buoyant, softer – and consequently easier to travel through – layer which is located within the overburden strata. We were interested under which conditions they can be formed. For this purpose we placed perturbations on top of both the buoyant layers; either with a set-off of both the protrusions (for three of these experiments), or with both protrusion sitting directly on top of each other (for one of the experiments). In the first experiment, we omitted the perturbations, to test which pathways diapirs take which grow from natural Rayleigh-Taylor instabilities. Three others experiments differed in the viscosity contrast between the overburden and the buoyant material. Through the experimental runs, the effects of different overburden viscosities and perturbation positions on the number of the diapirs were observed. The modeling results show that two diapirs rising from the offset perturbations do not take the same pathway through the overburden layer. Rather, each diapir takes a different pathway, with the deeper diapir piercing through its overburden while rising, regardless if it was a buoyant layer or denser overburden layers. However, when the two perturbations were situated directly above each other in the different PDMS layers, this resulted in the formation of one big diapir rather than several smaller ones, and the overburden layer was less deformed than with offset perturbations. Diapiric structures as those derived from the models without perturbation and where the perturbation are offset occur within Great Kavir Basin (Iran), where numerous salt diapirs grew from several salt horizons, which show a similar spatial distribution. The resulting structure observed in the model where the two perturbations situated directly above each other, is close to what is observed in composite batholiths such as the Flasergranitoid Zone within the Bergsträßer Odenwald Crystalline Complex (Germany). The second series of models were aimed to study crystal settling within a magma. For this purpose experiments with an artificial magma of 30 vol% olivine in 70 vol% basaltic melt were conducted to elucidate the formation mechanisms and time scales of gravitational cumulates. Through the experiments, two physical processes have been observed: (i) purely mechanical compaction, and (ii) chemical compaction induced by dissolution and re-precipitation of settled crystals. The results reveals that the mechanical settling of the dense olivine suspension occurs at about 1/6 the speed of simple Stokes settling, and a sedimentation exponent n of 4.1 is found. Evidences of chemical compaction induced by dissolution and re-precipitation of settled crystals have been highlighted by a detailed analysis of the fine structure of olivine grain boundaries. This last has revealed (1) the presence of Ca, which is characteristic only for MORB-melt, at the interface of two adjacent Ol-grains even when no melt is present; (2) a not fully crystallized boundary layer between two adjacent olivine grains. The crystal size distribution curves and the grain size growth exponent n ~3.6 indicate that diffusion controlled Ostwald ripening is the dominant crystal growth mechanism in concentrated magmatic suspensions. Finally, the formation times in natural olivine adcumulates have been calculated. The last series of centrifuge experiments deals with the crystal-melt settling-floating mechanism in a system composed of natural two pyroxene gabbro. The results have revealed a vertical evolution of the major and trace elements in the melt phase. Then, a numerical modelling of the sedimentation process of the crystals has been made in order to describe the compaction evolution with time. In comparing the numerical simulation with the centrifuge modelling, the stratification of the compacted layer in the runs is reproduced in numerical models. Moreover, on the base of the numerical and centrifuge modelling, a sedimentation exponent describing a deviation of settling in concentrated suspensions from Stokes sedimentation has been evaluated. Finally, the numerical simulation is applied to the Muskox intrusion to estimate the formation time and the melt fraction evolution in using the hindered sedimentation model calculations.
The theoretical basis for the link between the leaf exchange of carbonyl sulfide (COS), carbon dioxide (CO2) and water vapour (H2O) and the assumptions that need to be made in order to use COS as a tracer for canopy net photosynthesis, transpiration and stomatal conductance, are reviewed. The ratios of COS to CO2 and H2O deposition velocities used to this end are shown to vary with the ratio of the internal to ambient CO2 and H2O mole fractions and the relative limitations by boundary layer, stomatal and internal conductance for COS. It is suggested that these deposition velocity ratios exhibit considerable variability, a finding that challenges current parameterizations, which treat these as vegetation-specific constants. COS is shown to represent a better tracer for CO2 than H2O. Using COS as a tracer for stomatal conductance is hampered by our present poor understanding of the leaf internal conductance to COS. Estimating canopy level CO2 and H2O fluxes requires disentangling leaf COS exchange from other ecosystem sources/sinks of COS. We conclude that future priorities for COS research should be to improve the quantitative understanding of the variability in the ratios of COS to CO2 and H2O deposition velocities and the controlling factors, and to develop operational methods for disentangling ecosystem COS exchange into contributions by leaves and other sources/sinks. To this end, integrated studies, which concurrently quantify the ecosystem-scale CO2, H2O and COS exchange and the corresponding component fluxes, are urgently needed.
We investigate the potential of carbonyl sulfide (COS) for being used as a tracer for canopy net photosynthesis, transpiration and stomatal conductance by examining the theoretical basis of the link between leaf COS, carbon dioxide (CO2) and water vapour (H2O) exchange. Our analysis identifies several limitations that need to be overcome to this end, however at present we lack appropriate ecosystem-scale field measurements for assessing their practical significance. It however appears that COS represents a better tracer for CO2 than H2O. Concurrent measurements of ecosystem scale COS, CO2 and H2O exchange are advocated.
Calibration of TCCON column-averaged CO₂: the first aircraft campaign over European TCCON sites
(2011)
The Total Carbon Column Observing Network (TCCON) is a ground-based network of Fourier Transform Spectrometer (FTS) sites around the globe, where the column abundances of CO2, CH4, N2O, CO and O2 are measured. CO2 is constrained with a precision better than 0.25% (1-σ). To achieve a similarly high accuracy, calibration to World Meteorological Organization (WMO) standards is required. This paper introduces the first aircraft calibration campaign of five European TCCON sites and a mobile FTS instrument. A series of WMO standards in-situ profiles were obtained over European TCCON sites via aircraft and compared with retrievals of CO2 column amounts from the TCCON instruments. The results of the campaign show that the FTS measurements are consistently biased 1.1% ± 0.2% low with respect to WMO standards, in agreement with previous TCCON calibration campaigns. The standard a priori profile for the TCCON FTS retrievals is shown to not add a bias. The same calibration factor is generated using aircraft profiles as a priori and with the TCCON standard a priori. With a calibration to WMO standards, the highly precise TCCON CO2 measurements of total column concentrations provide a suitable database for the calibration and validation of nadir-viewing satellites
Calibration of TCCON column-averaged CO₂: the first aircraft campaign over European TCCON sites
(2011)
The Total Carbon Column Observing Network (TCCON) is a ground-based network of Fourier Transform Spectrometer (FTS) sites around the globe, where the column abundances of CO2, CH4, N2O, CO and O2 are measured. CO2 is constrained with a precision better than 0.25 %. To achieve a similarly high accuracy, calibration to World Meteorological Organization (WMO) standards is required. This paper introduces the first aircraft calibration campaign of five European TCCON sites and a mobile FTS instrument. A series of WMO standards in-situ profiles were obtained over European TCCON sites via aircraft and compared with retrievals of CO2 column amounts from the TCCON instruments. The results of the campaign show that the FTS measurements are consistently biased 1.0 % ± 0.2 % low with respect to WMO standards, in agreement with previous TCCON calibration campaigns. The standard a priori profile for the TCCON FTS retrievals is shown to not add a bias. The same calibration factor is generated using aircraft profiles as a priori and with the TCCON standard a priori. With a calibration to WMO standards, the highly precise TCCON CO2 measurements of total column concentrations provide a suitable database for the calibration and validation of nadir-viewing satellites.
Planktonic Foraminifera are important marine calcifiers, and the ongoing change in the oceanic carbon system makes it essential to understand the influence of environmental factors on the biomineralisation of their shells. The amount of calcite deposited by planktonic Foraminifera during calcification has been hypothesized to reflect a range of environmental factors. However, it has never been assessed whether their calcification only passively responds to the conditions of the ambient seawater or whether it reflects changes in resource allocation due to physiological stress. To disentangle these two end-member scenarios, an experiment is required where the two processes are separated. A natural analogue to such an experiment occurred during the deposition of the Mediterranean sapropels, where large changes in surface water composition and stratification at the onset of the sapropel deposition were decoupled from local extinctions of planktonic Foraminifera species. We take advantage of this natural experiment and investigate the reaction of calcification intensity, expressed as size-normalized weight (SNW), of four species of planktonic Foraminifera to changing conditions during the onset of Sapropel S5 (126–121 ka) in a sediment core from the Levantine Basin. We observe a significant relationship between SNW and surface water properties, as reflected by stable isotopes in the calcite of Foraminifera shells, but we failed to observe any reaction of calcification intensity on ecological stress during times of decreasing abundance culminating in local extinction. The reaction of calcification intensity to surface water perturbation at the onset of the sapropel was observed only in surface dwelling species, but all species calcified more strongly prior to the sapropel deposition and less strongly within the sapropel than at comparable conditions during the present day. These results indicate that the high-salinity environment of the glacial Mediterranean Sea prior to sapropel deposition induced a more intense calcification, whereas the freshwater injection to the surface waters associated with sapropel deposition inhibited calcification. The results are robust to changes in carbonate preservation and collectively imply that changes in normalized shell weight in planktonic Foraminifera should reflect mainly abiotic forcing.
Planktonic Foraminifera are important marine calcifiers, and the ongoing change in the oceanic carbon system makes it essential to understand the influence of environmental factors on the biomineralization of their shells. The amount of calcite deposited by planktonic Foraminifera during calcification has been hypothesized to reflect a range of environmental factors. However, it has never been assessed whether their calcification only passively responds to the conditions of the ambient seawater or whether it reflects changes in resource allocation due to physiological stress. To disentangle these two end-member scenarios, an experiment is required where the two processes are separated. A natural analogue to such an experiment occurred during the deposition of the Mediterranean sapropels, where large changes in surface water composition and stratification at the onset of the sapropel deposition were decoupled from local extinctions of planktonic Foraminifera species. We took advantage of this natural experiment and investigated the reaction of calcification intensity, expressed as mean area density (MAD), of four species of planktonic Foraminifera to changing conditions during the onset of Sapropel S5 (126–121 ka) in a sediment core from the Levantine Basin. We observed a significant relationship between MAD and surface water properties, as reflected by stable isotopes in the calcite of Foraminifera shells, but we failed to observe any reaction of calcification intensity on ecological stress during times of decreasing abundance culminating in local extinction. The reaction of calcification intensity to surface water perturbation at the onset of the sapropel was observed only in surface-dwelling species, but all species calcified more strongly prior to the sapropel deposition and less strongly within the sapropel than at similar conditions during the present-day. These results indicate that the high-salinity environment of the glacial Mediterranean Sea prior to sapropel deposition induced a~more intense calcification, whereas the freshwater injection to the surface waters associated with sapropel deposition inhibited calcification. The results are robust to changes in carbonate preservation and collectively imply that changes in normalized shell weight in planktonic Foraminifera should reflect mainly abiotic forcing.
Holocene climate was characterised by variability on multi-centennial to multi-decadal time scales. In central Europe, these fluctuations were most pronounced during winter. Here we present a record of past winter climate variability for the last 10.8 ka based on four speleothems from Bunker Cave, western Germany. Due to its central European location, the cave site is particularly well suited to record changes in precipitation and temperature in response to changes in the North Atlantic realm. We present high-resolution records of δ18O, δ13C values and Mg/Ca ratios. Changes in the Mg/Ca ratio are attributed to past meteoric precipitation variability. The stable C isotope composition of the speleothems most likely reflects changes in vegetation and precipitation, and variations in the δ18O signal are interpreted as variations in meteoric precipitation and temperature. We found cold and dry periods between 8 and 7 ka, 6.5 and 5.5 ka, 4 and 3 ka as well as between 0.7 and 0.2 ka. The proxy signals in the Bunker Cave stalagmites compare well with other isotope records and, thus, seem representative for central European Holocene climate variability. The prominent 8.2 ka event and the Little Ice Age cold events are both recorded in the Bunker Cave record. However, these events show a contrasting relationship between climate and δ18O, which is explained by different causes underlying the two climate anomalies. Whereas the Little Ice Age is attributed to a pronounced negative phase of the North Atlantic Oscillation, the 8.2 ka event was triggered by cooler conditions in the North Atlantic due to a slowdown of the thermohaline circulation.
Holocene climate was characterised by variability on multi-centennial to multi-decadal time scales. In central Europe, these fluctuations were most pronounced during winter. Here we present a new record of past winter climate variability for the last 10.8 ka based on four speleothems from Bunker Cave, Western Germany. Due to its central European location, the cave site is particularly well suited to record changes in precipitation and temperature in response to changes in the North Atlantic realm. We present high resolution records of δ18O, δ13C values and Mg/Ca ratios. We attribute changes in the Mg/Ca ratio to variations in the meteoric precipitation. The stable C isotope composition of the speleothems most likely reflects changes in vegetation and precipitation and variations in the δ18O signal are interpreted as variations in meteoric precipitation and temperature. We found cold and dry periods between 9 and 7 ka, 6.5 and 5.5 ka, 4 and 3 ka as well as between 0.7 to 0.2 ka. The proxy signals in our stalagmites compare well with other isotope records and, thus, seem representative for central European Holocene climate variability. The prominent 8.2 ka event and the Little Ice Age cold events are both recorded in the Bunker cave record. However, these events show a contrasting relationship between climate and δ18O, which is explained by different causes underlying the two climate anomalies. Whereas the Little Ice Age is attributed to a pronounced negative phase of the North Atlantic Oscillation, the 8.2 ka event was triggered by cooler conditions in the North Atlantic due to a slowdown of the Thermohaline Circulation.
Background: Point of care devices for performing targeted coagulation substitution in bleeding patients have become increasingly important in recent years. New on the market is the Quantra® from HemoSonics (LC, Charlottesville, VA, US). It uses sonorheometry, a sonic estimation of elasticity via resonance (SEER), a novel ultrasound-based technology that measures viscoelastic properties of whole blood. Several studies have already shown the comparability with devices already established on the market such as the ROTEM® (TEM International GmbH, Munich, Germany).
Objective: In contrast to existing studies, the planned study will be the first prospective interventional study using the new Quantra® system in a cardiac surgical patient cohort. The aim is to investigate the non-inferiority between an already existing coagulation algorithm, based on ROTEM®/Multiplate®, and a new algorithm based on the Quantra®, for the treatment of coagulopathic cardiac surgical patients.
Methods: The study is divided into two phases. In an initial observation phase, whole blood samples of 20 patients will be analyzed using both ROTEM®/Multiplate® and Quantra® obtained at three defined points of time (prior to surgery, after completion of cardiopulmonary bypass, on arrival in the intensive care unit). The obtained threshold values will be used to create an algorithm for hemotherapy. In a second intervention phase, the new algorithm will be tested against an algorithm used routineously for years at our department for non-inferiority.
Results: The main objective of the examination is the cumulative loss of blood within 24 hours after surgery. Statistical calculations based on literature and in-house data suggest that the new algorithm is not inferior if the difference in cumulative blood loss is < 150ml/24 h.
Conclusions: Because of the comparability of the Quantra® sonorheometry system with ROTEM® rotational thromboelastometric measurement methods, the existing hemotherapy treatment algorithm can be adapted to the Quantra device with a proof of non-inferiority. Clinical Trial: International Registered Report Identifier (IRRID): clinicaltrials.gov: NCT03902275
Inclusions of breyite (previously known as walstromite-structured CaSiO3) in diamond are usually interpreted as retrogressed CaSiO3 perovskite trapped in the transition zone or the lower mantle. However, the thermodynamic stability field of breyite does not preclude its crystallization together with diamond under upper-mantle conditions (6–10 GPa). The possibility of breyite forming in subducted sedimentary material through the reaction CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + C + O2 was experimentally evaluated in the CaO–SiO2–C–O2 ± H2O system at 6–10 GPa, 900–1500 ∘C and oxygen fugacity 0.5–1.0 log units below the Fe–FeO (IW) buffer. One experimental series was conducted in the anhydrous subsystem and aimed at determining the melting temperature of the aragonite–coesite (or stishovite) assemblage. It was found that melting occurs at a lower temperature (∼1500 ∘C) than the decarbonation reaction, which indicates that breyite cannot be formed from aragonite and silica under anhydrous conditions and an oxygen fugacity above IW – 1. In the second experimental series, we investigated partial melting of an aragonite–coesite mixture under hydrous conditions at the same pressures and redox conditions. The melting temperature in the presence of water decreased strongly (to 900–1200 ∘C), and the melt had a hydrous silicate composition. The reduction of melt resulted in graphite crystallization in equilibrium with titanite-structured CaSi2O5 and breyite at ∼1000 ∘C. The maximum pressure of possible breyite formation is limited by the reaction CaSiO3 + SiO2 = CaSi2O5 at ∼8 GPa. Based on the experimental results, it is concluded that breyite inclusions found in natural diamond may be formed from an aragonite–coesite assemblage or carbonate melt at 6–8 GPa via reduction at high water activity.
Highlights
• Constrictional structures range from dome-and-basin folds to coeval folds and boudins.
• Under bulk constriction, the competent layer rotates slower than a passive plane.
• Extension-parallel and –perpendicular folds grow simultaneously.
• Extension-perpendicular folds affect previous boudins.
Abstract
We conducted scaled analogue modelling to show the influence of varying single layer initial orientation on the geometry of folds and boudins in a bulk constrictional strain field. The initial angle between the plane of shortening and the competent layer (θZ(i)) was incrementally increased from 0° to 90° by multiples of 11.25°. While the amount of layer thickening decreased with increasing θZ(i), the deformation structures produced range from pure dome-and-basin folds to coeval folds and boudins. Based on the attitude of fold axes, there are extension-parallel (FEPR) and extension-perpendicular (FEPP) folds, with axes subparallel and subperpendicular to the principal stretching axis (X), respectively. Coeval growth of FEPR folds and boudins occurred when θZ(i) > ca. 25°. The FEPP folds can be subdivided into a first type which affect the entire layer (if θZ(i) ranges between 11.25 and 78.75°) and a second type, referred to as FBEPP folds, which are affecting pre-existing boudins if θZ(i) > 45°. The interlimb angle of all types of folds increases with increasing θZ(i). Folds and boudins similar to the ones produced in this study can be found in salt domes and in tectonites of subduction zones.
This chapter reviews the boron isotopic composition of the ocean floor, including pristine igneous oceanic crust such as mid-ocean ridge basalts and ocean island basalts and their implications for the B isotopic composition of the mantle. The chapter further discusses the B isotopic effects of assimilation of altered crustal materials in mantle-derived magmas. The systematics of seawater alteration on oceanic rocks are discussed, including sediments, igneous crust and serpentinization of ultramafic rocks and the respective marine hydrothermal vent fluids. The chapter concludes with a discussion of the secular evolution of the B isotopic composition of seawater.
During the Holocene, North American ice sheet collapse and rapid sea-level rise reconnected the Black Sea with the global ocean. Rapid meltwater releases into the North Atlantic and associated climate change arguably slowed the pace of Neolithisation across southeastern Europe, originally hypothesized as a catastrophic flooding that fueled culturally-widespread deluge myths. However, we currently lack an independent record linking the timing of meltwater events, sea-level rise and environmental change with the timing of Neolithisation in southeastern Europe. Here, we present a sea surface salinity record from the Northern Aegean Sea indicative of two meltwater events at ~8.4 and ~7.6 kiloyears that can be directly linked to rapid declines in the establishment of Neolithic sites in southeast Europe. The meltwater events point to an increased outflow of low salinity water from the Black Sea driven by rapid sea level rise >1.4 m following freshwater outbursts from Lake Agassiz and the final decay of the Laurentide ice sheet. Our results shed new light on the link between catastrophic sea-level rise and the Neolithisation of southeastern Europe, and present a historical example of how coastal populations could have been impacted by future rapid sea-level rise.
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.
Groundwater is the largest source of accessible freshwater with its dynamics having significantly changed due to human withdrawals, and being projected to continue to as a result of climate change. The pumping of groundwater has led to lowered water tables, decreased base flow, and depletion.
Global hydrological models (GHMs) are used to simulate the global freshwater cycle, assessing impacts of changes in climate and human freshwater use. Currently, groundwater is commonly represented by a bucket-like linear storage component in these models. Bucket models, however, cannot provide information on the location of the groundwater table. Due to this limitation, they can only simulate groundwater discharge to surface water bodies but not recharge from surface water to groundwater and calculate no lateral and vertical groundwater flow whatsoever among grid cells. For instance this may lead to an underestimation of groundwater resources in semiarid areas, where groundwater is often replenished by surface water. In order to overcome these limitations it is necessary to replace the linear groundwater model in GHMs with a hydraulic head gradient-based groundwater flow model
This thesis presents the newly developed global groundwater model G3M and its coupling to the GHM WaterGAP spanning over 70,000 lines of newly developed code. Development and validation of the modeling software are discussed along with numerical challenges. Based on the newly developed software, a global natural equilibrium groundwater model is presented showing better agreements with observations than previous models. Groundwater discharge to rivers is found to be the most dominant flow component globally, compared to flows to other surface water bodies and lateral flows. Furthermore, first global maps of the distribution of gaining and losing surface water bodies are displayed.
For the purpose of determining the uncertainty in model outcomes a sensitivity study is conducted with an innovative approach through applying a global sensitivity analysis for a computationally complex model. First global maps of spatially distributed parameter sensitivities are presented. The results at hand indicate that globally simulated hydraulic heads are equally sensitive to hydraulic conductivity, groundwater recharge and surface water body elevation, even though parameter sensitivities do vary regionally.
A high resolution model of New Zealand is developed to further understand the involved uncertainties connected to the spatial resolution of the global model. This thesis finds that a new understanding is necessary how these models can be evaluated and that a simple increase in spatial resolution is not improving the model performance when compared to observations.
Alongside the assessment of the natural equilibrium, the concept of a fully coupled transient model as integrated storage component replacing the former model in the hydrological model WaterGAP is discussed. First results reveal that the model shows reasonable response to seasonal variability although it contains persistent head trends leading to global overestimates of water table depth due to an incomplete coupling. Nonetheless, WaterGAP-G3M is already able to show plausible long term storage trends for areas that are known to be affected by groundwater depletion. In comparison with two established regional models in the Central Valley the coupled model shows a highly promising simulation of storage declines.
Im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie und der Goethe-Universität Frankfurt fand in Kooperation mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD) eine umfassende Studie zum konvektiven Unwetterpotential über Thüringen statt. Unwetterereignisse, die durch konvektive Prozesse in der Atmosphäre verursacht werden, besitzen ein nicht unerhebliches Schadenspotential, obwohl sie oftmals eine räumlich eng begrenzte Ausdehnung aufweisen. Aufgrund ihrer Charakteristik ist sowohl die Vorhersage solcher Ereignisse, als auch eine vollständige, systematische Erfassung für eine detaillierte Auswertung längerer Zeitreihen noch immer eine Herausforderung. Zusätzliches Interesse besteht in der Abschätzung der durch den Klimawandel abhängigen Entwicklung des zukünftigen Gefährdungspotentials konvektiver Unwetter. Für eine gezielte Untersuchung des Themenkomplexes ist eine Vielzahl unterschiedlicher Daten und Methoden verwendet worden. Mit Hilfe von Fernerkundungsdatensätzen wird ein räumlich differenziertes Gefährdungspotential über Thüringen nachgewiesen. Bedingt durch das Relief ist das Auftreten von Konvektion am häufigsten und intensivsten über dem südlichen Thüringer Wald und dessen Ostrand zu beobachten, während Nordthüringen eine deutlich geringere Aktivität solcher Unwetterereignisse aufweist. Eine Abschätzung mittels globaler Klimamodelle und daraus abgeleiteten Wetterlagen zeigt unter Berücksichtigung des RCP8.5 Klimaszenarios für die nahe Zukunft (2016-2045) eine Zunahme des Gefährdungspotentials durch konvektive Unwetter. Aufgrund des Anstiegs feuchter Wetterlagen (49 % auf 82 %) erhöht sich die Zunahme der Gefährdung für den Zeitraum 2071-2100 noch deutlicher. Im Vergleich zu diesem statistischen Ansatz nimmt die projizierte Gefährdung durch extreme Ereignisse erheblich zu (Faktor 6), wenn die Ergebnisse expliziter Simulationen konvektiver Ereignisse mit einem regionalen Klimamodell (mit horizontaler Gitterdistanz von 1 km) und eine Zunahme der Tage mit konvektiven Extremereignissen berücksichtigt werden. Ein Anstieg der Gefährdung durch konvektive Unwetter in der Zukunft ist wahrscheinlich. Eine Quantifizierung bleibt jedoch unsicher.
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.
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.
Balloon-borne stratospheric BrO measurements : comparison with Envisat/SCIAMACHY BrO limb profiles
(2005)
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.
In dieser Arbeit wird die Richtungsabhängigkeit seismischer Geschwindigkeiten im Erdmantel unterhalb Deutschlands und angrenzender Gebiete durch die Analyse der teleseismischen Kernphase SKS auf Doppelbrechung untersucht (Scherwellen-Splitting). Die Anisotropie wird durch die Splittingparameter Φ und δt beschrieben und erlaubt Rückschlüsse auf geodynamische Prozesse.
Untersucht werden Aufzeichnungen des Deutschen Seismologischen Regionalnetzes (GRSN) und assoziierter Stationen aus dem Zeitraum von 1993 bis 2009. Für drei Stationen des Gräfenberg-Arrays (GRF-Array) sind Wellenformen ab 1976 verfügbar, welche damit einen weltweit einmaligen Datensatz liefern.
Auf Grund des stetigen Ausbaus der seismologischen Netze und des langen Beobachtungszeitraumes können über 3.000 Seismogramme ausgewertet werden. Der Hauptteil dieser Arbeit besteht daher in der Entwicklung einer automatischen Methodik zur Analyse von SKS-Splitting: ADORE ("Automatische Bestimmung von DOppelbrechnungsparametern in REgionalseismischen Netzwerken"). Für regionale Netze wie das GRSN gewährleistet ADORE eine objektive Bestimmung der Splittingparameter. Zunächst wird das seismologische Netzwerk als seismisches Array aufgefasst, um durch eine Frequenz-Wellenzahl-Analyse den Einsatz der SKS-Phase ohne manuellen Eingriff zu bestimmen. Die Berechnung der Splittingparameter erfolgt durch eine Inversion nach der Methode der Minimierung des transversalen Energieanteils. Automatisch wird das optimale Fenster um den SKS-Einsatz positioniert, für jede Beben-Stations-Kombination werden dazu 3.600 Einzelinversionen durchgeführt.
Um diese Vielzahl von Auswertungen in akzeptabler Zeit zu berechnen, nutzt ADORE moderne Rechnerarchitekturen aus, verteilt die Berechnungen auf mehrere Computer im lokalen Netzwerk und erzielt damit eine Beschleunigung um einen Faktor 60.
Die Analyse des gesamten Datensatzes ergibt folgende Ergebnisse: An allen analysierten Stationen wurde ein Scherwellen-Splitting festgestellt, der Stationsuntergrund weist somit überall Anisotropie auf. Für 240 Erdbeben können insgesamt 494 Wertepaare mit höchster Qualität bestimmt werden.
Unter der Annahme einer homogenen ungeneigten anisotropen Schicht unterhalb der jeweiligen Station können die Einzelmessungen pro Station gemittelt werden. Damit sind Regionen mit ähnlichen Merkmalen gut zu identifizieren: Im Norden Deutschlands herrschen NW-SO-, in der Mitte W-O-Richtungen und im Süden SW-NO-Richtungen vor.
Die Verzögerungszeiten liegen im Bereich zwischen 1.0 (Station Taunus) und 2.2 Sekunden (Tannenbergsthal, TANN). Auf Grund des hohen Wertes sind die Ursachen für die hier beobachteten Zeiten dem Erdmantel und nicht der Kruste zuzuordnen. Die bevorzugte Ausrichtung von anisotropen Kristallen auf Grund von Fließprozessen von Mantelmaterial ist Quelle der beobachteten Anisotropie. Rezente Fließprozesse von Mantelmaterial sind vor allem an der Unterkante der Lithosphäre wahrscheinlich. Durch Gebirgsbildungsprozesse, vorhandene Gebirgswurzeln oder regionale Veränderungen in der Mächtigkeit der Lithosphäre entstehen Barrieren für viskoses Mantelmaterial.
Als tektonische Ursachen für die hier gemessenen Orientierungen ist im Norden die Tornquist-Teisseyre-Linie (TTZ), in der Mitte die Variszische Gebirgsbildung und im Süden Einflüsse des Alpenbogens anzusehen. Ausnahmen bilden die Stationen Clausthal-Zellerfeld (CLZ), Rügen und Black-Forest-Observatory (BFO). Während bei letzterer ein Einfluss der Spreizungszone des Oberrheingrabens zu vermuten ist, scheint die Intrusion des Brockengranits die Beobachtungen an CLZ zu prägen. Rügen liegt in einer Übergangszone zwischen Sorgenfrei-Tornquist-Zone und TTZ.
Durch die Vielzahl von vorhandenen Einzelmessungen lassen sich an manchen Stationen komplexe Modelle untersuchen. Dazu zählen neben Gradientmodellen auch die geneigte Schicht und Zwei-Schicht-Modelle. Für sechs Stationen kann ein Zwei-Schicht-Modell erstellt werden: BFO, Gräfenberg A1, Fürstenfeldbruck (FUR), Rüdersdorf (RUE), TANN und Unterbreitzbach (UBBA). Die Interpretation der Richtungen von oberer und unterer Schicht gelingt für einen Teil der genannten Stationen: An BFO liegt die Orientierung der unteren Schicht parallel zur Vorzugsrichtung der variszischen Gebirgsbildung, jene der obere Schicht antiparallel zur Spreizungsrichtung des Rheingrabens. Für die Station FUR ist eine Überlagerung mit der Streichrichtung des Alpenmassivs zu beobachten. An GRA1 wird die untere Schicht offenbar durch rezente oder eingefrorene Anisotropie des Böhmischen Massivs bzw. des Eger-Riftsystems beeinflusst. Eine vergleichbare Wirkung ist durch die TTZ an der Station RUE zu erkennen.
ADORE wurde weiterhin auf einen Datensatz des temporären RIFTLINK-Projektes angewandt.
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? ...
Flusssysteme im mediterranen Raum reagieren besonders sensitiv auf Veränderungen von Umweltbedingungen, z.B. durch Neotektonik, Klimaänderungen und Landnutzung. Geowissenschaftler der Goethe-Universität Frankfurt untersuchen in diesem Zusammenhang das Einzugsgebiet des Rio Palancia (Spanien), um über die Erstellung einer Sediment-Massenbilanzierung die Entwicklungsgeschichte des Systems zu erforschen. Zur Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Sediment-Ablagerungstypen wurde das Georadarverfahren (GPR) eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es, am Beispiel fluvialer Lockersedimente das Zustandekommen von Radargrammen noch besser zu verstehen und möglichst viel Information über den Untergrund aus einem Radargramm zu extrahieren. An 30 Standorten wurden GPR-Messungen durchgeführt und mit Geoelektrik und Rammkernsondierungen kombiniert. Die Einführung einer Bearbeitungs- und Auswertesystematik gewährleistet die Vergleichbarkeit von Radardaten unterschiedlicher Standorte. Als Besonderheit werden die Radargramme jeweils auf zwei verschiedene Arten bearbeitet und dargestellt, um sowohl Strukturen herauszuarbeiten als auch die – zumindest relative – Amplitudencharakteristik zu erhalten. Erst dadurch wird eine Auswertung mithilfe der erweiterten Radarstratigraphie-Methode möglich. Diese setzt sich aus der klassischen Radarstratigraphie und der neu entwickelten Reflexionsanalyse zusammen. Dabei werden systematisch Radar-Schichtflächen, Radareinheiten und Radarfazies ermittelt und anschließend die Amplitudengröße, die Polarität und die Breite der Reflexionen betrachtet. Die Radarstratigraphie liefert objektive Erkenntnisse über Form und Verlauf von Untergrundstrukturen, während mithilfe der Reflexionsanalyse Aussagen zu relativen Änderungen von Wassergehalt, Korngrößenverteilung und elektrischer Leitfähigkeit möglich sind. Mithilfe der Radarstratigraphie wurde die Radarantwort verschiedener Sediment-Ablagerungstypen im Untersuchungsgebiet verglichen. Die Radargramme zeigen unterschiedliche Zusammensetzungen von Radarfazies. Eine Unterscheidung und räumliche Abgrenzung verschiedener Ablagerungstypen mit GPR ist somit durchführbar. Die Dielektrizität des Mediums bestimmt, zusammen mit der elektrischen Leitfähigkeit, die Geschwindigkeit und Dämpfung der elektromagnetischen Welle sowie die Reflexionskoeffizienten. Um das Zustandekommen von Radargrammen im Detail nachvollziehen zu können, ist es notwendig, die Dielektrizitätskoeffizienten (DK) der untersuchten Sedimente zum Zeitpunkt der Messung zu kennen und die Abhängigkeit des DK von petrophysikalischen Parametern zu verstehen. Deshalb wurden Proben aus den Rammkernsondierungen entnommen. Im Labor wurden der Real- und Imaginärteil des DK im Radarfrequenzbereich (mit Schwerpunkt auf 200 MHz) in Abhängigkeit von Wassergehalt, Trockendichte, Korngrößenverteilung und Kalkgehalt mithilfe der Plattenkondensatormethode bestimmt. Der DK ist in erster Linie vom Wassergehalt abhängig. Es konnte eine für die Sedimente im Untersuchungsgebiet charakteristische Wassergehalts-DK-Beziehung ermittelt werden. Die resultierende Kurve ist gegenüber entsprechenden in der Fachliteratur zu findenden Beziehungen verschoben, was vermutlich auf die hohen Kalkgehalte der Proben zurückzuführen ist. Für trockene Sedimente wurde eine Korrelation des DK mit der Trockendichte festgestellt. Bei der Bestimmung der Absorptionskoeffizienten fiel auf, dass Proben mit hohem Tonanteil selbst bei geringen Wassergehalten außerordentlich hohe Dämpfungskoeffizienten aufweisen können. Die charakteristische Wassergehalts-DK-Beziehung wurde für Modellierungen von Radardaten genutzt, die dann mit Messdaten verglichen wurden. Über die Modellierung einer einzelnen Radarspur konnte die spezielle Charakteristik der entsprechenden gemessenen Spur erklärt werden, die durch den Einfluss einer dünnen Schicht zustande kommt, deren Mächtigkeit an der Grenze der theoretischen Auflösung für die verwendete Radarfrequenz liegt. Auf Basis der Erkenntnisse aus der erweiterten Radarstratigraphie an einem Radargramm auf fluvialen Lockersedimenten war es zudem möglich, ein komplettes Radargramm zu simulieren. Es gibt das gemessene Radargramm vereinfacht, aber in guter Übereinstimmung wieder. Die Georadarmethode erwies sich als sehr gut geeignet für die Untersuchung, Identifizierung und Quantifizierung fluvialer Sedimente im Palancia-Einzugsgebiet. Die im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelte erweiterte Radarstratigraphie-Methode stellt ein systematisches und weitgehend objektives Verfahren zur Auswertung von Radargrammen dar, das sich auch auf andere Untersuchungsgebiete übertragen lassen sollte. Durch Laboruntersuchungen wurde der Einfluss petrophysikalischer Parameter auf den DK bestimmt. Über die Modellierungen konnten die Ergebnisse großskaliger Geländemessungen mit denen kleinskaliger Labormessungen verknüpft werden. Die insgesamt gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis von Radargrammen bei.
Zur Erkundung der Depotfunktion von quellfähigen Tonmineralen für organische Umweltchemikalien und der möglichen Verdrängung dieser Chemikalien durch biogene Tenside wurden kinetische Untersuchungen mit Hilfe von Batch-Experimenten durchgeführt. Dabei wurde zunächst das Adsorptions- und Desorptionsverhalten von ausgesuchten Umweltchemikalien an mineralische Festphasen und danach die Verdrängung dieser Chemikalien durch biogene Tenside untersucht. Als Umweltchemikalien dienten in den Experimenten Di-(n-butyl)phthalat (DBP) und Di-(2-ethylhexyl)phthalat (DEHP), die in industriellem Maßstab hauptsächlich als Weichmacher in Kunststoffen verwendet werden und fünf ausgewählte polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die bei pyrolytischen Prozessen sowie der unvollständigen Verbrennung organischen Materials entstehen. In den durchgeführten Versuchsreihen dienten ein smektitreicher Bentonit, Quarzsand und Gemische aus diesen beiden Stoffen mit verschiedenen Gewichtsanteilen der Bentonit- und Sandphase sowie Seesand als Adsorbermedium für die Umweltchemikalien. Diese Variationen sollten das unterschiedliche Verhalten der verschiedenen Festphasen bezüglich der drei untersuchten Prozesse (Adsorption, Desorption und Austausch) mit den Chemikalien verdeutlichen. Untersuchungen am verwendeten Bentonit ergaben, daß sein Hauptbestandteil ein Calcium- Montmorillonit war. Der Montmorillonit ist ein quellfähiges, dioktaedrisches Tonmineral aus der Gruppe der Smektite. Die Quellfähigkeit dieses Smektits wurde in Quellversuchen mit Ethylenglykol und Glycerin mittels Röntgendiffraktometrie festgestellt. Die chemische Zusammensetzung des Minerals wurde mit Röntgenfluoreszenzmessungen analysiert. Mit dem Greene-Kelly-Test wurde der Montmorillonit als smektitischer Anteil im Bentonit identifiziert. Im Laufe einer jeden Versuchsreihe sind nacheinander drei Prozesse mit jeder Probe im Labor untersucht worden: 1. Adsorption von Umweltchemikalien (Phthalate und PAK) an Sandproben mit unterschiedlichen Tongehalten und an reinen Tonproben. 2. Desorption der adsorbierten Umweltchemikalien aus den Sand/Ton-Gemischen und Tonproben in vier Schritten. 3. Austausch dieser Chemikalien aus den Sand/Ton-Gemischen und Tonproben gegen biogene Tenside. Im ersten Schritt der Batch-Experimente wurden die beiden Phthalate bzw. die PAK (Naphthalin, Acenaphthen, Fluoren, Phenanthren und Fluoranthen) aus einer wässrigen Lösung an die mineralischen Festphasen adsorbiert. Die Phthalate wurden in einem 1:1 Verhältnis in den Experimenten eingesetzt, die fünf PAK als ein Gemisch oder auch einzeln. Für die PAKAdsorption wurde auch eine Wasser-Aceton-Mischung beim Adsorptionsversuch verwendet, da sich dadurch ihre Löslichkeit erheblich verbessern ließ und die kinetischen Reihenversuche bezüglich der Gleichgewichtseinstellung wesentlich gleichmäßiger verliefen. Die Proben wurden 20 Stunden lang bis zur Einstellung des Gleichgewichts im Überkopfmischer geschüttelt. Die festen Phasen wurden danach von den wässrigen Phasen getrennt und zur Ermittlung der Einstellung des Desorptionsgleichgewichts weiterverwendet. Die wässrigen Phasen wurden mit organischen Lösemitteln extrahiert und der Gehalt an Umweltchemikalien gaschromatographisch quantifiziert. Die verbliebenen Festphasen wurden jeweils viermal mit frischem, destilliertem Wasser 20 Stunden lang zur Ermittlung des Gleichgewichts der Desorption geschüttelt, wobei nach Abtrennung der wässrigen Phasen diese auf ihren Organikgehalt hin wie oben beschrieben untersucht wurden. An diese vier Desorptionsschritte schloß sich das Verdrängungsexperiment einer Versuchsreihe an. Hierbei wurden verseifte, langkettige biogene Tenside (Alkoholate und Carbonsäuresalze mit geradzahliger Anzahl der Kohlenstoffatome) zu jeder Probe hinzugegeben und jede Festphase nochmals mit frischem Wasser im Überkopfmischer geschüttelt. In diesem Schritt sollte überprüft werden, ob die in den Festphasen verbliebenen Phthalate und PAK durch Zugabe von biogenen Tensiden in höherem Maße in der wässrigen Phase wiedergefunden werden als dies aus dem jeweiligen Desorptionsgleichgewicht zu erwarten war. Mit den Ergebnissen konnten Adsorptionsisothermen (nur für Phthalate) aufgenommen und Angaben zur Einstellung des Desorptionsgleichgewichts oder dessen Störung nach Austauschexperimenten gemacht werden. Die Auswertung der Adsorptionsexperimente ergab, daß Festphasen mit Bentonitanteil befähigt sind, einen höheren Anteil an Phthalaten und PAK zu adsorbieren als reine Sandproben. Bei kleinen Phthalatkonzentrationen wurde DEHP aufgrund einer stärkeren Affinität zur Festphase besser adsorbiert als DBP. Stiegen die Phthalatzugaben, so wurde DBP in höherem Maße als DEHP adsorbiert. Dies wurde durch eine bessere Einlagerung der DBP-Moleküle in die innerkristallinen Zwischenschichten des Montmorillonit-Minerals ermöglicht (Interkalation). Röntgenographisch wurde ein deutlich vergrößerter Wert für den Schichtabstand im Montmorillonit nachgewiesen als im ursprünglichem Zustand (bis zu 18 Å gegenüber 15,3 Å). Die Desorptionsisothermen zeigten für Festphasen mit Quarzsandanteilen häufig ein ungleichmäßiges Verhalten. So wurde häufig im zweiten und dritten Desorptionsschritt eine unerwartet hohe Menge an Phthalaten in der wässrigen Lösung gefunden. Reine Bentonitproben zeigten dagegen eine gleichmäßige Konzentrationsabnahme der Phthalate nach jedem Desorptionsschritt. Der eingesetzte Bentonit war in der Lage, Phthalate stärker von der Desorption zurückzuhalten als Quarzsand. Die Einstellung des Desorptionsgleichgewichts erfolgte mit reinem Bentonit schneller als bei Sandproben oder Sand-Bentonit Gemischen. Bei Austauschexperimenten, in denen die ursprünglich eingesetzte Menge an Phthalaten unter 1 mg lag, wurden keine Verdrängungsprozesse festgestellt. Stiegen die Konzentrationen der Phthalate (bis zu ca. 200 mg), so kam es aufgrund der größeren Oberflächenbelegung im Montmorillonit zu Verdrängungsprozessen der Phthalate durch biogene Tenside. Die Extraktion der wässrigen Lösung ergab nach dem Austauschexperiment eine höhere Menge an Phthalaten als es aus dem Desorptionsexperimenten erwartet worden war. Insgesamt wurde mehr DBP als DEHP nach den Austauschexperimenten in der wässrigen Lösung gefunden. Da DBP besser als DEHP in die Zwischenschichten des Montmorillonits eingebaut wurde, konnte auch diese Feststellung damit erklärt werden, daß biogene Tenside die Phthalate aus den innerkristallinen Zwischenschichten verdrängen. Bei PAK wurden Verdrängungsprozesse nur im Falle von Phenanthren festgestellt. Bei anderen in den Experimenten eingesetzten PAK (vorwiegend Naphthalin, Acenaphthen und Fluoren) war offenbar der Dampfdruck so groß, daß vor dem Austauschexperiment nicht mehr genügend organisches Material in der Bodenprobe adsorbiert war. Bei parallel durchgeführten Versuchen mit reinem Quarzsand und mit Seesand als Festphase wurde dagegen weder bei Phthalaten noch PAK eine wesentliche Störung des Desorptionsgleichgewichts in der Größenordnung der bentonithaltigen Proben nach dem Verdrängungsexperiment festgestellt. Dies ist ein Hinweis darauf, daß Verdrängungsprozesse bevorzugt auf Oberflächen von Tonmineralen stattfinden. Insgesamt konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, daß Gleichgewichtseinstellungen von Umweltchemikalien an Tonmineralen durch biogene Tenside gestört werden können. Durch die Einwirkung der biogenen Tenside kommt es zu einer verstärkten Desorption der Umweltchemikalien aus den Tonmineralen.
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).