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Turbulent fluxes of carbonyl sulfide (COS) and carbon disulfide (CS2) were measured over a spruce forest in Central Germany using the relaxed eddy accumulation (REA) technique. A REA sampler was developed and validated using simultaneous measurements of CO2 fluxes by REA and by eddy correlation. REA measurements were conducted during six campaigns covering spring, summer, and fall between 1997 and 1999. Both uptake and emission of COS and CS2 by the forest were observed, with deposition occurring mainly during the sunlit period and emission mainly during the dark period. On the average, however, the forest acts as a sink for both gases. The average fluxes for COS and CS2 are -93 ± 11.7 pmol m -2 s -1 and -18 ± 7.6 pmol m -2 s -1, respectively. The fluxes of both gases appear to be correlated to photosynthetically active radiation and to the CO2 and H2O fluxes, supporting the idea that the air-vegetation exchange of both gases is controlled by stomata. An uptake ratio COS / CO2 of 10 ± 1.7 pmol mmol -1 has been derived from the regression line for the correlation between the COS and CO2 fluxes. This uptake ratio, if representative for the global terrestrial net primary production, would correspond to a sink of 2.3 ± 0.5 Tg COS yr-1.
Turbulent fluxes of carbonyl sulfide (COS) and carbon disulfide (CS2) were measured over a spruce forest in Central Germany using the relaxed eddy accumulation (REA) technique. A REA sampler was developed and validated using simultaneous measurements of CO2 fluxes by REA and by eddy correlation. REA measurements were conducted during six campaigns covering spring, summer, and fall between 1997 and 1999. Both uptake and emission of COS and CS2 by the forest were observed, with deposition occurring mainly during the sunlit period and emission mainly during the dark period. On the average, however, the forest acts as a sink for both gases. The average fluxes for COS and CS2 are -93 ± 11.7 pmol m-2 s-1 and -18 ± 7.6 pmol m-2 s-1, respectively. The fluxes of both gases appear to be correlated to photosynthetically active radiation and to the CO2 and \chem{H_2O} fluxes, supporting the idea that the air-vegetation exchange of both gases is controlled by stomata. An uptake ratio COS/CO2 of 10 ± 1.7 pmol m mol-1 has been derived from the regression line for the correlation between the COS and CO2 fluxes. This uptake ratio, if representative for the global terrestrial net primary production, would correspond to a sink of 2.3 ± 0.5 Tg COS yr-1.
In der hier vorliegenden Arbeit wurde der troposphärische Kreislauf von Carbonylsulfid (COS) untersucht. COS ist ein Quellgas des stratosphärischen SulfatAerosols, das die Strahlungsbilanz beeinflussen und den chemischen Abbau des stratosphärischen Ozons beschleunigen kann. Trotz zahlreicher Studien sind die Quellen und Senken des atmosphärischen COS bisher nur unzulänglich quantifiziert. Insbesondere bestehen große Unsicherheiten in den Abschätzungen der Beiträge des Ozeans und der anthropogenen Quellen, sowie der Senkenstärke der Landvegetation. Schiffs und flugzeuggetragene Messungen des atmosphärischen COS ergaben kein einheitliches interhemisphärisches Verhältnis (IHR=MNH /M SH ). Während die Messungen von Bingemer et al. (1990), StaubesDiederich (1992) und Johnson et al. (1993) ein IHR zwischen 1.10 und 1.25 zeigten, fanden die Messungen von Torres et al. (1980), StaubesDiederich (1992), Weiss et al. (1995) und Thornton et al. (1996) keinen oder nur einen geringfügigen N/SGradienten. Die Untersuchung von Chin und Davis (1993) zeigt ein N/SVerhältnis der COS Quellstärke von 2.3, das hauptsächlich auf die stärkeren anthropogenen Quellen auf der Nordhalbkugel zurückzuführen ist. Es ist unklar, ob der zeitweilige Konzentrationsüberschuß der Nordhemisphäre Zeichen anthropogener Quellen dort oder Teil eines durch die Senkenfunktion der Landpflanzen verursachten saisonalen Signals ist. Die Konsistenz der Breitenverteilung des COSMischungsverhältnisses mit den geographischen bzw. saisonalen Variationen der COSQuellen und Senken muß überprüft werden. Dazu werden genaue Kenntnissen der Quell und Senkenstärken des atmosphärischen COS und ihrer raumzeitlichen Variabilität benötigt. Vor dem obigen Hintergrund ergeben sich als Schwerpunkte dieser Arbeit: (1) der Austausch von COS zwischen Atmosphäre und Ozean sowie (2) zwischen Atmosphäre und terrestrischer Vegetation und (3) die raumzeitliche Variabilität des atmosphärischen COS. Zur Untersuchung des Austausches von COS zwischen Atmosphäre und Ozean wurde das KonzentrationsUngleichgewicht von COS zwischen Ozean und Atmosphäre durch Messungen des COS im Seewasser und in der Meeresluft ermittelt und die resultierenden Austauschflüsse mit einem Modell berechnet. Die Messungen fanden an Bord des Forschungsschiffs Polarstern während der Fahrten ANT/XV1 (15.10.6.11.1997, BremerhavenKapstadt) und ANT /XV5 (26.5.6.20.1998, KapstadtBremerhaven) statt. Die Konzentration des gelösten COS und das Sättigungsverhältnis von COS zwischen Ozean und Atmosphäre zeigen ausgeprägte Tagesgänge und saisonale und geographische Variationen. Die mittlere Konzentration von COS im Seewasser beträgt 14.7 pmol L -1 für die HerbstFahrt bzw. 18.1 pmol L -1 für die SommerFahrt. Höchste COSKonzentrationen werden in der jeweiligen SommerHemisphäre und in Gebieten mit hoher biologischer Produktivität beobachtet, d.h. im BenguelaStrom im November, im NordostAtlantik im Juni und in den Auftriebgebieten vor Westafrika im Oktober bzw. Juni. In den übrigen Gebieten sind die Konzentrationen um eine Größenordnung niedriger. Die Konzentration von COS im Seewasser steigt frühmorgens von ihrem tiefsten Stand an. Um ca. 15 Uhr Ortszeit erreicht sie ihr Maximum, danach nimmt sie ab. Der Tagesgang unterstützt die Theorie, daß COS im Seewasser photochemisch produziert wird. Während der Tagesstunden wird eine Übersättigung des offenen Ozean für COS gefunden. Dagegen ist eine Untersättigung des Ozeans in den späten Nachtstunden zu beobachten. Der Ozean wirkt in den Tagesstunden als COSQuelle, in der späten Nacht als COSSenke. Die Untersättigung tritt sogar im Sommer in produktiven Meeresgebieten regelmäßig auf. Eine Konsequenz dieser Beobachtung ist die weitere Reduzierung der ozeanischen Quelle von COS gegenüber bisher publizierten Abschätzungen. Methylmercaptan (CH 3 SH) ist in allen Seewasserproben zu beobachten. Der Tagesmittelwert der CH 3 SHKonzentration variiert zwischen 29 und 303 pm L -1 und ist 316 fach größer als der der COSKonzentration. Der Tagesgang der CH 3 SHKonzentration zeigt ein Minimum um die Mittagszeit. Die Tagesmittel der CH 3 SH und COSKonzentrationen sind signifikant miteinander korreliert. Diese Daten liefern den Beweis dafür, daß CH 3 SH eine der wichtigen Vorgängersubstanzen von COS ist. Die Regressionslinie der Korrelation zwischen den mittleren COS und CH 3 SHKonzentrationen weist nur einen geringfügigen Achsenabschnitt auf. Somit kann die CH 3 SHKonzentration als ein Indikator der Konzentration von COSVorgängern benutzt werden. Es besteht außerdem eine Korrelation zwischen der CH 3 SHKonzentration und dem Logarithmus der Konzentration des gelösten Chlorophyll a. Diese Korrelation deutet darauf hin, daß der Gehalt von CH 3 SH im Seewasser eine enge Beziehung zur marinen Primärproduktion hat. COS wird im Seewasser durch Hydrolyse abgebaut. Die Abbaurate hängt von der Temperatur des Seewassers ab. Je wärmer das Seewasser ist, desto schneller wird COS abgebaut, und um so kürzer ist die Lebenszeit von COS im Seewasser. Die Lebenszeit kann einerseits durch das ReaktionsgeschwindigkeitsGesetz von Arrhenius berechnet werden, andererseits läßt sie sich durch exponentielle Anpassung an den nächtlichen Konzentrationsverlauf (d.h. bei Abwesenheit von Photoproduktion) abschätzen. Eine solche Anpassung des exponentiellen Abklingens wurde anhand von dicht gestaffelten Messungen während einiger Nächte vorgenommen. Die gefitteten Lebenszeiten stimmen mit den theoretischen Werten gut überein, obwohl die gefittete Lebenszeit neben Hydrolyse noch von anderen Prozessen (z.B. Transport nach unten, AirSeaAustausch, usw.) beeinflußt wird. Diese gute Übereinstimmung unterstützt die Aussage, daß die Hydrolyse eine bedeutende Rolle beim Abbau von COS im Seewasser spielt. Die berechnete HydrolyseLebenszeit ist mit dem Tagesmittel der COSKonzentration korreliert. Da die Tagesmittelwerte sowohl zeitliche wie auch räumliche Mittelwerte der COSKonzentrationen darstellen, zeigt diese Korrelation, daß Hydrolyse eine bedeutende Rolle in der raumzeitlichen Variabilität der COSKonzentration einnimmt. Da die Konzentration des gelösten COS von mehreren Faktoren abhängig ist, scheint eine multivariable Betrachtung sinnvoll. Hierfür wurde eine "Multiple Linear Regression Analysis'' (MLRA) ausgeführt. Diese Analyse ergibt ein empirisches Modell der folgenden Form für die Berechnung des Tagesmittels der COSKonzentration: [COS] = 1.8# 13log[Chl] - 1.5W s 0.057G - 0.73, mit [COS] = mittlere Konzentration von COS in pmol L -1 # = HydrolyseLebenszeit in Stunde [Chl] = mittlere Konzentration von Chlorophyll a in mg m -3 W s = Windgeschwindigkeit in m s -1 G = Intensität der Globalstrahlung in W m -2 . Die Parameter auf der rechten Seite der Gleichung können direkt oder indirekt von Satelliten aus gemessen werden, deshalb kann dieses Modell für die Abschätzung der Konzentration von COS im Seewasser anhand von Satelliten Daten verwendet werden. Das empirische Modell soll noch durch weitere Messungen bestätigt bzw. verbessert werden. Der Austauschfluß von COS zwischen der Atmosphäre und dem offenen Ozean wurde mit dem AirSeaFlußModell von Liss and Slater (1974) zusammen mit dem Modell von Erickson (1993) f
Recently a considerable amount of effort has been put into quantifying how interactions of the carbon and nitrogen cycle affect future terrestrial carbon sinks. Dynamic vegetation models, representing the nitrogen cycle with varying degree of complexity, have shown diverging constraints of nitrogen dynamics on future carbon sequestration. In this study, we use LPJ-GUESS, a dynamic vegetation model employing a detailed individual- and patch-based representation of vegetation dynamics, to evaluate how population dynamics and resource competition between plant functional types, combined with nitrogen dynamics, have influenced the terrestrial carbon storage in the past and to investigate how terrestrial carbon and nitrogen dynamics might change in the future (1850 to 2100; one representative "business-as-usual" climate scenario). Single-factor model experiments of CO2 fertilisation and climate change show generally similar directions of the responses of C–N interactions, compared to the C-only version of the model as documented in previous studies using other global models. Under an RCP 8.5 scenario, nitrogen limitation suppresses potential CO2 fertilisation, reducing the cumulative net ecosystem carbon uptake between 1850 and 2100 by 61%, and soil warming-induced increase in nitrogen mineralisation reduces terrestrial carbon loss by 31%. When environmental changes are considered conjointly, carbon sequestration is limited by nitrogen dynamics up to the present. However, during the 21st century, nitrogen dynamics induce a net increase in carbon sequestration, resulting in an overall larger carbon uptake of 17% over the full period. This contrasts with previous results with other global models that have shown an 8 to 37% decrease in carbon uptake relative to modern baseline conditions. Implications for the plausibility of earlier projections of future terrestrial C dynamics based on C-only models are discussed.
We discuss applications of a recently developed method for model reduction based on linear response theory of weakly coupled dynamical systems. We apply the weak coupling method to simple stochastic differential equations with slow and fast degrees of freedom. The weak coupling model reduction method results in general in a non-Markovian system; we therefore discuss the Markovianization of the system to allow for straightforward numerical integration. We compare the applied method to the equations obtained through homogenization in the limit of large timescale separation between slow and fast degrees of freedom. We numerically compare the ensemble spread from a fixed initial condition, correlation functions and exit times from a domain. The weak coupling method gives more accurate results in all test cases, albeit with a higher numerical cost.
In the present work, three different techniques are used to separate ice-nucleating particles (INP) and ice particle residuals (IPR) from non-ice-active particles: the Ice Selective Inlet (ISI) and the Ice Counterflow Virtual Impactor (Ice-CVI), which sample ice particles from mixed phase clouds and allow for the analysis of the residuals, as well as the combination of the Fast Ice Nucleus Chamber (FINCH) and the Ice Nuclei Pumped Virtual Impactor (IN-PCVI), which provides ice-activating conditions to aerosol particles and extracts the activated ones for analysis. The collected particles were analyzed by scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray microanalysis to determine their size, chemical composition and mixing state. Samples were taken during January/February 2013 at the High Alpine Research Station Jungfraujoch. All INP/IPR-separating techniques had considerable abundances (median 20–70%) of contamination artifacts (ISI: Si-O spheres, probably calibration aerosol; Ice-CVI: Al-O particles; FINCH + IN-PCVI: steel particles). Also, potential measurement artifacts (soluble material) occurred (median abundance < 20%). After removal of the contamination particles, silicates and Ca-rich particles, carbonaceous material and metal oxides were the major INP/IPR particle types separated by all three techniques. Minor types include soot and Pb-bearing particles. Sea-salt and sulfates were identified by all three methods as INP/IPR. Lead was identified in less than 10% of the INP/IPR. It was mainly present as an internal mixture with other particle types, but also external lead-rich particles were found. Most samples showed a maximum of the INP/IPR size distribution at 400 nm geometric diameter. In a few cases, a second super-micron maximum was identified. Soot/carbonaceous material and metal oxides were present mainly in the submicron range. ISI and FINCH yielded silicates and Ca-rich particles mainly with diameters above 1 μm, while the Ice-CVI also sampled many submicron particles. Probably owing to the different meteorological conditions, the INP/IPR composition was highly variable on a sample to sample basis. Thus, some part of the discrepancies between the different techniques may result from the (unavoidable) non-parallel sampling. The observed differences of the particles group abundances as well as the mixing state of INP/IPR point to the need of further studies to better understand the influence of the separating techniques on the INP/IPR chemical composition.
The multi-valence nature of vanadium means that its geochemical behaviour will be ƒO2-dependent, so that its concentration or V/Sc (or V/Ga), can serve as proxies for oxidation state in mantle peridotites. Compared to Fe3+/Fe2+-based equilibria, such trace elements may be less sensitive to metasomatic processes. To investigate these systematics, we have measured V, Sc, Ga and Fe3+ contents in clinopyroxene from well-characterised spinel peridotite xenoliths from the Massif Central, France. These samples were metasomatised by a variety of agents with different oxidation states.V contents can be modified by metasomatic interactions, and other geochemically similar elements including Sc and Ga can also be added, removed or remain constant. A link between V/Sc and Fe3+-Fe2+ equilibria is apparent. Partial removal of V is caused by different metasomatic agents; the common factor is that all agents were significantly more oxidised than the initial ambient mantle peridotite. This extraction can be understood by a decreasing partition coefficient for V for ΔlogƒO2 > ~FMQ-2. Considering that mineral/melt partitioning of V decreases similarly for all peridotite minerals, the bulk-rock V/Sc will also change during relatively oxidising metasomatic interactions and mirror the results obtained for clinopyroxene.
We present the first oxidation state measurements for the subcontinental lithospheric mantle (SCLM) beneath the Rae craton, northern Canada, one of the largest components of the Canadian shield. In combination with major and trace element compositions for garnet and clinopyroxene, we assess the relationship between oxidation state and metasomatic overprinting. The sample suite comprises peridotite xenoliths from the central part (Pelly Bay) and the craton margin (Somerset Island) providing insights into lateral and vertical variations in lithospheric character. Our suite contains spinel, garnet-spinel and garnet peridotites, with most samples originating from 100 to 140 km depth. Within this narrow depth range we observe strong chemical gradients, including variations in oxygen fugacity (ƒO2) of over 4 log units. Both Pelly Bay and Somerset Island peridotites reveal a change in metasomatic type with depth. Observed geochemical systematics and textural evidence support the notion that Rae SCLM developed through amalgamation of different local domains, establishing chemical gradients from the start. These gradients were subsequently modified by migrating melts that drove further development of different types of metasomatic overprinting and variable oxidation at a range of length scales. This oxidation already apparent at ~ 100 km depth could have locally destabilised any pre-existing diamond or graphite.
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.