550 Geowissenschaften
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In dieser Dissertation wird die Parametrisierung von subgitterskaligen (SGS) Prozessen in Atmosphärenmodellen untersucht. Die Arbeit befasst sich mit den stochastisch angetriebenen Flachwassergleichungen, im ersten Teil in einer räumlichen Dimension und im zweiten Teil in zwei Dimensionen. Die Einteilung in aufgelöste und SGS-Variable erfolgt in beiden Fällen über lokale räumliche Mittel der Ursprungsvariable und deren Abweichungen vom lokalen Mittel.
Im eindimensionalen Fall liegt zwischen den Variablen eine deutliche Separation der charakteristischen Zeitskalen vor, wodurch die Anwendung der stochastischen Moden Reduktion (SMR) ermöglicht wird. Die SMR generiert ein reduziertes Modell der aufgelösten Variable mit einer stochastischen SGS-Parametrisierung, im Folgenden auch Schließung genannt. Die SMR-Schließung basiert auf den Grundgleichungen des Flachwassermodells und ist numerisch effizient einsetzbar, da sie nur eine geringe Anzahl von benachbarten Zellen koppelt. Sie verbessert die Ergebnisse des reduzierten Modells und übertrifft die Ergebnisse zweier zum Vergleich untersuchter empirischer stochastischer Schließungen. Den größten Zugewinn liefert sie im Energiespektrum, insbesondere für kleine Skalen. Das Ergebnis der SMR-Schließung kann verbessert werden, indem die Amplitude der stochastischen Schließungskomponente gedämpft wird. Die SMR-Schließung ist skalenabhängig im Sinne der räumlichen Modellauflösung. Untersucht wird die Schließung bei Halbierung und Viertelung der räumlichen Auflösung, wo sie ihre Überlegenheit gegenüber den empirischen Schließungen wiederholt bestätigt.
Im Unterschied zum eindimensionalen Fall ist in zwei Dimensionen auch die Corioliskraft enthalten und eine räumliche Divergenz der Schwerewellen möglich. Zwischen der aufgelösten und der SGS-Variable kommt es erneut zu einer Separation der charakteristischen Zeitskalen. Die Separation ist allerdings weniger stark ausgeprägt als im eindimensionalen Fall. Grund hierfür ist das Auftreten einer lang korrelierten geostrophisch balancierten Mode, welche auch auf die SGS-Variable projiziert. Das Vorgehen zur Bestimmung der SMR-Schließung für das zweidimensionale Modell verläuft analog zum eindimensionalen Fall. Es werden die Ergebnisse des hoch aufgelösten Referenzmodells und zweier Modelle ohne SGS-Schließung verglichen.
Unter dem Namen #climonomics – EU-Klimakonferenz für Schüler*innen: A Friday for Future veranstaltete das PolECulE-Projekt, ein Kooperationsprojekt der Englisch- und Politikdidaktik, am 25. Oktober eine Veranstaltung für Schüler*innen. Hier wurde die aktuelle EU-Klimapolitik im Rahmen eines Rollenspiels erörtert und debattiert. Nachdem die Hessenschau, FAZ, der Deutschlandfunk und die Frankfurter Rundschau ausgiebig über das Projekt berichteten, schreibt auch Charlotte Wittich (17), angehende Abiturientin am Heinrich-von-Gagern-Gymnasium, von ihren Erfahrungen.
The Arctic Svalbard Archipelago hosts the world’s northernmost cold-water ‘carbonate factories’ thriving here despite of presumably unfavourable environmental conditions and extreme seasonality. Two contrasting sites of intense biogenic carbonate production, the rhodolith beds in Mosselbukta in the north of the archipelago and the barnacle-mollusc dominated carbonate sediments accumulating in the strong hydrodynamic regime of the Bjørnøy-Banken south of Spitsbergen, were the targets of the RV Maria S. Merian cruise 55 in June 2016. By integrating data from physical oceanography, marine biology, and marine geology, the present contribution characterises the environmental setting and biosedimentary dynamics of these two polar carbonate factories. Repetitive CTD profiling in concert with autonomous temperature/salinity loggers on a long-term settlement platform identified spatiotemporal patterns in the involved Atlantic and Polar water masses, whereas short-term deployments of a lander revealed fluctuations of environmental variables in the rhodolith beds in Mosselbukta and at same depth (46 m) at Bjørnøy-Banken. At both sites, dissolved inorganic nutrients in the water column were found depleted (except for elevated ammonium concentrations) and show an overall increase in concentration and N:P ratios toward deeper waters. This indicates that a recycling system was fuelling primary production after the phytoplankton spring bloom at the time of sampling in June 2016. Accordingly, oxygen levels were found elevated and carbon dioxide concentrations (pCO2) markedly reduced, on average only half the expected equilibrium values. Backed up by seawater stable carbon and oxygen isotope signatures, this is interpreted as an effect of limited air-sea gas exchange during seasonal ice cover in combination with a boost in community photosynthesis during the spring phytoplankton bloom. The observed trends are enhanced by the onset of rhodophyte photosynthesis in the rhodolith beds during the polar day upon retreat of sea-ice. Potential adverse effects of ocean acidification on the local calcifier community are thus predicted to be seasonally buffered by the marked drop in pCO2 during the phase of sea-ice cover and spring phyto-plankton bloom, but this effect will diminish should the seasonal sea-ice formation continue to decline. Among the 25 macrobenthos taxa identified from images captured by the lander’s camera system, all but three species were calcifiers contributing to the carbonate production. Biodiversity was found to be much higher in Mosselbukta (21 taxa) compared to Bjørnøy-Banken (8 taxa), which is considered as a result of enhanced habitat diversity provided in the rhodolith beds by the bioengineering crustose alga Lithothamnion glaciale. Filter-feeding activity of selected key species did reveal group-specific but no common activity patterns. Biotic disturbance of the filtering activity was common, in contrast to abiotic factors, with hermit crabs representing the primary trigger. Motion tracking of rhodoliths revealed a high frequency of dislocation, triggered not by abiotic factors but by the activity of benthic invertebrates, in particular echinoids ploughing below or moving over the rhodoliths. The echinoid Strongylocentrotus sp. is the most abundant component of the associated fauna, thereby considerably contributing both to carbonate production and to grazing bioerosion. Together, these results portray a high degree of seasonal as well as short-term dynamics in environmental conditions that despite many similarities support distinctly different communities and biodiversity patterns in the calcifying macrobenthos at the two studied polar carbonate factories.
Das Wissen über die Wolkenmikrophysik und die Wechselwirkung zwischen Niederschlag und Aerosol ist ein wichtiger Baustein zur Optimierung von Klima- und Wettermodellen. Ein Großteil des Niederschlags in den mittleren Breiten fällt aus Mischphasenwolken, die aus unterkühlten Tröpfchen und Eispartikeln bestehen. Die Eispartikel bilden sich an speziellen Aerosolpartikeln, die als Eiskeime (INP) wirken können. Die Wahrscheinlichkeit eines Aerosols als Eiskeim zu wirken, nimmt mit abnehmender Temperatur und steigender Wassersättigung zu. Mineralstaubpartikel sind die häufigsten Eiskeime, die ab Temperaturen ≤−15°C aktiv sind, biologische Partikel wirken schon bei wärmeren Bedingungen. Große Wissenslücken bestehen noch bei der globalen Konzentration von Eiskeimen, inklusive deren geographischer und jahreszeitlicher Variabilität.
Im Zentrum der Experimente, die für diese Arbeit durchgeführt wurden, steht der Eiskeimzähler FRIDGE (Frankfurt Ice Deposition Freezing Experiment). Je nach Aufbau und Anwendung des Instruments werden zwei verschiedene Ansätze zur Aktivierung von Eiskeimen verfolgt. Die ursprüngliche und namensgebende Methode in Form einer Vakuum-Diffusionskammer wurde zur Untersuchung von Eisnukleation via Depositionsgefrieren (an INP_D) entwickelt (Klein et al., 2010). Danielczok (2015) nutzte einige Bestandteile des Analysegeräts, um auch Immersionsgefrieren (an INP_I) in Form von Tröpfchengefrieren à la Vali (1971) zu studieren. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Anwendungsmöglichkeit von FRIDGE weiterentwickelt. Ein zentraler Schritt war dabei die präzise Charakterisierung des Gefrierverhaltens von Tröpfchen aus Reinstwasser ohne zusätzliches Aerosol. Die Einbeziehung dieses sogenannten Hintergrundgefrierens, das für jedes Instrument und Messverfahren spezifisch ist, ermöglichte es, die Minimaltemperatur, für die zuverlässige Ergebnisse produziert werden können, von −22°C auf −29°C herabzusetzen. Der dadurch hinzugewonnene Temperaturbereich ist für Eisnukleation in Mischphasenwolken äußerst relevant.
Beide Anwendungsmethoden wurden im Rahmen des Fifth International Workshop on Ice Nucleation – Phase 2 (FIN-02) sowie bei einer weiteren Kampagne zur Messung von Eisnukleation an Cellulosepartikeln mit über zwanzig anderen Eiskeimzählern verglichen. Mit FRIDGE als Diffusionskammer wurde für die Mehrheit der untersuchten Aerosoltypen eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den anderen Instrumenten beobachtet. Die Experimente mit gefrierenden Tröpfchen in FRIDGE erzielten ausnahmslos Ergebnisse, die inmitten der Werte der anderen Instrumente lagen. Die erfolgreiche Validierung – besonders der neuen Anwendungsmethode – war das erste Ziel dieser Arbeit und die notwendige Voraussetzung für die anschließenden Feldmessungen.
Atmosphärische Eiskeimkonzentrationen wurden in mehrwöchigen Feldmesskampagnen an drei sehr unterschiedlichen Orten und atmosphärischen Bedingungen untersucht: an der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch (JFJ), am Storm Peak Laboratory (SPL) in den Rocky Mountains und am Cyprus Atmospheric Observatory (CAO) in Zypern. Am JFJ wurde eine INP-Konzentration beobachtet, die um den Faktor 20 niedriger als an den anderen beiden Stationen war. Der Grund dafür war, dass sich das Jungfraujoch die meiste Zeit der Messungen in der freien Troposphäre befand. Dementsprechend waren die Bedingungen an der Station von aerosolpartikelarmer Luft mit wenigen Eiskeimen geprägt. An zwei Standorten wurde Mineralstaub als ein Parameter, der die lokale INP-Konzentration positiv beeinflusst, identifiziert. Sowohl am JFJ als auch am CAO erhöhte ferntransportierter Saharastaub die INP-Konzentration.
Die Kombination der zwei Analysemethoden, die Aerosolproben aus derselben Luft entweder in trockenem Ausgangszustand oder in Tröpfchen suspendiert untersuchen, offenbarte eine interessante Eigenschaft der INP. Es herrschte eine offensichtliche Parallelität von INP_D- und INP_I- Konzentrationen. Bei fast allen Messungen waren INP_I etwa 10-mal häufiger als INP_D. Die Aussage trifft gleichermaßen auf sehr niedrige Konzentrationen am JFJ wie auch auf hohe Konzentrationen am SPL und CAO zu. Die einzige Ausnahme bilden Cellulosepartikel. Daraus lässt sich schließen, dass INP_D und INP_I dieselben Partikel sind, die je nach Aktivierungskonditionen Eisnukleation unterschiedlich effektiv hervorrufen.
Increasing atmospheric CO2 stimulates photosynthesis which can increase net primary production (NPP), but at longer timescales may not necessarily increase plant biomass. Here we analyse the four decade-long CO2-enrichment experiments in woody ecosystems that measured total NPP and biomass. CO2 enrichment increased biomass increment by 1.05 ± 0.26 kg C m−2 over a full decade, a 29.1 ± 11.7% stimulation of biomass gain in these early-secondary-succession temperate ecosystems. This response is predictable by combining the CO2 response of NPP (0.16 ± 0.03 kg C m−2 y−1) and the CO2-independent, linear slope between biomass increment and cumulative NPP (0.55 ± 0.17). An ensemble of terrestrial ecosystem models fail to predict both terms correctly. Allocation to wood was a driver of across-site, and across-model, response variability and together with CO2-independence of biomass retention highlights the value of understanding drivers of wood allocation under ambient conditions to correctly interpret and predict CO2 responses.
Invasive plant species are increasingly altering species composition and the functioning of ecosystems from a local to a global scale. The grass species Pennisetum setaceum has recently raised concerns as an invader on different archipelagos worldwide. Among these affected archipelagos are the Canary Islands, which are a hotspot of endemism. Consequently, conservation managers and stakeholders are interested in the potential spreading of this species in the archipelago. We identify the current extent of the suitable habitat for P. setaceum on the island of La Palma to assess how it affects island ecosystems, protected areas (PAs), and endemic plant species richness. We recorded in situ occurrences of P. setaceum from 2010 to 2018 and compiled additional ones from databases at a 500 m × 500 m resolution. To assess the current suitable habitat and possible distribution patterns of P. setaceum on the island, we built an ensemble model. We projected habitat suitability for island ecosystems and PAs and identified risks for total as well as endemic plant species richness. The suitable habitat for P. setaceum is calculated to cover 34.7% of the surface of La Palma. In open ecosystems at low to mid elevations, where native ecosystems are already under pressure by land use and human activities, the spread of the invader will likely lead to additional threats to endemic plant species. Forest ecosystems (e.g., broadleaved evergreen and coniferous forests) are not likely to be affected by the spread of P. setaceum because of its heliophilous nature. Our projection of suitable habitat of P. setaceum within ecosystems and PAs on La Palma supports conservationists and policymakers in prioritizing management and control measures and acts as an example for the potential threat of this graminoid invader on other islands.
Ecophysiological studies on Antarctic cryptophytes to assess whether climatic changes such as ocean acidification and enhanced stratification affect their growth in Antarctic coastal waters in the future are lacking so far. This is the first study that investigated the combined effects of increasing availability of pCO2 (400 and 1000 µatm) and irradiance (20, 200 and 500 μmol photons m−2 s −1) on growth, elemental composition and photophysiology of the Antarctic cryptophyte Geminigera cryophila. Under ambient pCO2, this species was characterized by a pronounced sensitivity to increasing irradiance with complete growth inhibition at the highest light intensity. Interestingly, when grown under high pCO2 this negative light effect vanished and it reached highest rates of growth and particulate organic carbon production at the highest irradiance compared to the other tested experimental conditions. Our results for G. cryophila reveal beneficial effects of ocean acidification in conjunction with enhanced irradiance on growth and photosynthesis. Hence, cryptophytes such as G. cryophila may be potential winners of climate change, potentially thriving better in more stratified and acidic coastal waters and contributing in higher abundance to future phytoplankton assemblages of coastal Antarctic waters.
The sources and critical enrichment processes for granite related tin ores are still not well understood. The Erzgebirge represents one of the classical regions for tin mineralization. We investigated the four largest plutons from the Western Erzgebirge (Germany) for the geochemistry of bulk rocks and autocrystic zircons and relate this information to their intrusion ages. The source rocks of the Variscan granites were identified as high-grade metamorphic rocks based on the comparison of Hf-O isotope data on zircons, the abundance of xenocrystic zircon ages as well as Nd and Hf model ages. Among these rocks, restite is the most likely candidate for later Variscan melts. Based on the evolution with time, we could reconstruct enrichment factors for tin and tungsten starting from the protoliths (575 Ma) that were later converted to high-grade metamorphic rocks (340 Ma) and served as sources for the older biotite granites (323–318 Ma) and the tin granites (315–314 Ma). This evolution involved a continuous enrichment of both tin and tungsten with an enrichment factor of ~15 for tin and ~7 for tungsten compared to the upper continental crust (UCC). Ore level concentrations (>10–100 times enrichment) were achieved only in the greisen bodies and dykes by subsequent hydrothermal processes.
Recently, carbonates have attracted a lot of attention, due to the recognition of their importance in the global carbon cycle. This was enabled by improvement of the experimental techniques that allow for investigating the stability, structure, and physical properties of materials and high-pressures and high-temperatures, that is, they allow for investigating minerals and geochemical processes at the conditions occurring deep inside Earth. Although a lot of research has been focused on carbonates, there are still some open questions regarding their structure and physical properties at such extreme conditions. The aim of this thesis is to establish a deeper understanding of the nature of the phase transitions in carbonates by studying how do the atoms building up the crystal structure vibrate, that is lattice dynamics. The methodology adapted in this study is a combination of experimental and computational methods which allows for a very thorough examination of the problem. The computational approach allows to determine parameters that are elusive or tedious to measure, and the experimental results provide a solid benchmark for the calculations. This tandem of methods has been widely used for investigating lattice dynamics of various materials. In this study it was used to elucidate the structure and properties of carbonates in the deep Earth conditions
Within the world’s oceans, regionally distinct ecological niches develop due to differences in water temperature, nutrients, food availability, predation and light intensity. This results in differences in the vertical dispersion of planktonic foraminifera on the global scale. Understanding the controls on these modern-day distributions is important when using these organisms for paleoceanographic reconstructions. As such, this study constrains modern depth habitats for the northern equatorial Indian Ocean, for 14 planktonic foraminiferal species (G. ruber, G. elongatus, G. pyramidalis, G. rubescens, T. sacculifer, G. siphonifera, G. glutinata, N. dutertrei, G. bulloides, G. ungulata, P. obliquiloculata, G. menardii, G. hexagonus, G. scitula) using stable isotopic signatures (δ18O and δ13C) and Mg/Ca ratios. We evaluate two aspects of inferred depth habitats: (1) the significance of the apparent calcification depth (ACD) calculation method/equations and (2) regional species-specific ACD controls. Through a comparison with five global, (sub)tropical studies we found the choice of applied equation and δ18Osw significant and an important consideration when comparing with the published literature. The ACDs of the surface mixed layer and thermocline species show a tight clustering between 73–109 m water depth coinciding with the deep chlorophyll maximum (DCM). Furthermore, the ACDs for the sub-thermocline species are positioned relative to secondary peaks in the local primary production. We surmise that food source plays a key role in the relative living depths for the majority of the investigated planktonic foraminifera within this oligotrophic environment of the Maldives and elsewhere in the tropical oceans.