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Active chlorine species play a dominant role in the catalytic destruction of stratospheric ozone in the polar vortices during the late winter and early spring seasons. Recently, the correct understanding of the ClO dimer cycle was challenged by the release of new laboratory absorption cross sections (Pope et al., 2007) yielding significant model underestimates of observed ClO and ozone loss (von Hobe et al., 2007). Under this aspect, nocturnal Arctic stratospheric limb emission measurements carried out by the balloon version of the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS-B) from Kiruna (Sweden) on 11 January 2001 and 20/21 March 2003 have been reanalyzed with regard to the chlorine reservoir species ClONO2 and the active species, ClO and ClOOCl (Cl2O2). New laboratory measurements of IR absorption cross sections of ClOOCl for various temperatures and pressures allowed for the first time the retrieval of ClOOCl mixing ratios from remote sensing measurements. High values of active chlorine (ClOx) of roughly 2.3 ppbv at 20 km were observed by MIPAS-B in the cold mid-winter Arctic vortex on 11 January 2001. While nighttime ClOOCl shows enhanced values of nearly 1.1 ppbv at 20 km, ClONO2 mixing ratios are less than 0.1 ppbv at this altitude. In contrast, high ClONO2 mixing ratios of nearly 2.4 ppbv at 20 km have been observed in the late winter Arctic vortex on 20 March 2003. No significant ClOx amounts are detectable on this date since most of the active chlorine has already recovered to its main reservoir species ClONO2. The observed values of ClOx and ClONO2 are in line with the established polar chlorine chemistry. The thermal equilibrium constants between the dimer formation and its dissociation, as derived from the balloon measurements, are on the lower side of reported data and in good agreement with values recommended by von Hobe et al. (2007). Calculations with the ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry model (EMAC) using established kinetics show similar chlorine activation and deactivation, compared to the measurements in January 2001 and March 2003, respectively.
In this paper we present evidence that the observed increase in tropical upwelling after the year 2000 may be attributed to a change in the Brewer-Dobson circulation pattern. For this purpose, we use the concept of transit times derived from residual circulation trajectories and different in-situ measurements of ozone and nitrous dioxide. Observations from the Canadian midlatitude ozone profile record, probability density functions of in-situ N2O observations and a shift of the N2O-O3 correlation slopes, taken together, indicate that the increased upwelling in the tropics after the year 2000 appears to have triggered an intensification of tracer transport from the tropics into the extratropics in the lower stratosphere below about 500 K. This finding is corroborated by the fact that transit times along the shallow branch of the residual circulation into the LMS have decreased for the same time period (1993–2003). On a longer time scale (1979–2009), the transit time of the shallow residual circulation branch show a steady decrease of about −1 month/decade over the last 30 years, while the transit times of the deep branch remain unchanged. This highlights the fact that a change in the upwelling across the tropical tropopause is not a direct indicator for changes of the whole Brewer-Dobson circulation.
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.
Östlich des Rwenzori Gebirges im Westen Ugandas wurden magnetotellurische Messungen durchgeführt. An 23 Stationen wurden Übertragungsfunktionen und Phasen Tensor Elemente zwischen den gemessenen magnetischen- und tellurischen Feldern im Periodenbereich von 10s bis 10000s geschätzt. Die Übertragungsfunktionen deuten eine komplexe drei dimensionale Leitfähigkeitsstruktur innerhalb der Kruste an, insbesondere in der Verbindungszone zwischen dem Rwenzori Gebirge und der östlichen Riftschulter. In dieser Arbeit wird eine alternative Darstellung der Phasen Tensor Ellipsen als Balken eingeführt. Für Perioden größer 100s zeigen die maximalen Phasen der Phasen Tensor Balken aller Stationen einheitlich in SSW-NNE und die Phasen Tensor Invarianten f min und f max weisen eine Differenz von mindestens 20° auf. Dieses auffällige Verhalten und die kleinen vertikalen magnetischen Feldr im gleich Periodenbereich kann mit einer anisotropen Leitfähigkeit in einer Tiefenbereich zwischen 30-50km mit der gut leitenden Richtung senkrecht zur Riftachse erklärt werden. Die Anisotropie könnte ihren Ursprung in orientierten Olivien Kristallen im oberen Mantel haben, wobei die Orientierungsrichtung mit der Delamination der Unterkruste unter den Rwenzoris zusammen hängen kann. Eine gut leitende Zone süd-östlich der Rwenzoris wurde in 15km Tiefe gefunden, die mit einer seismischen low velocity zone übereinstimmt und partielle Schmelzen innerhalb der Kruste andeutet. An allen Stationen steigt die minimale Phase bei der Periode 200s über 45° und zeigt einen Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit unterhalb der Lithosphäre an.
A hygroscopicity tandem differential mobility analyzer (HTDMA) was used to measure the water uptake (hygroscopicity) of secondary organic aerosol (SOA) formed during the chemical and photochemical oxidation of several organic precursors in a smog chamber. Electron ionization mass spectra of the non-refractory submicron aerosol were simultaneously determined with an aerosol mass spectrometer (AMS), and correlations between the two different signals were investigated. SOA hygroscopicity was found to strongly correlate with the relative abundance of the ion signal m/z 44 expressed as a fraction of total organic signal (f44). m/z 44 is due mostly to the ion fragment CO2+ for all types of SOA systems studied, and has been previously shown to strongly correlate with organic O/C for ambient and chamber OA. The analysis was also performed on ambient OA from two field experiments at the remote site Jungfraujoch, and the megacity Mexico City, where similar results were found. A simple empirical linear relation between the hygroscopicity of OA at subsaturated RH, as given by the hygroscopic growth factor (GF) or "κorg" parameter, and f44 was determined and is given by κorg=2.2×f44−0.13. This approximation can be further verified and refined as the database for AMS and HTDMA measurements is constantly being expanded around the world. The use of this approximation could introduce an important simplification in the parameterization of hygroscopicity of OA in atmospheric models, since f44 is correlated with the photochemical age of an air mass.
A new, two-channel instrument for simultaneous NO3 and N2O5 monitoring was used to make the first comprehensive set of nocturnal NOx measurements (NO, NO2, NO3 and N2O5) at the Taunus Observatory, a rural mountain site (Kleiner Feldberg) in South-western Germany. In May 2008, NO3 and N2O5 mixing ratios were well above the instrumental detection limit (a few ppt) on all nights of the campaign and were characterised by large variability resulting from inhomogeneously distributed sinks. The concentrations of NO3, N2O5 and NO2 were consistent with the equilibrium constant, K2, defining the rates of formation and thermal dissociation of N2O5. A steady-state lifetime analysis showed that nocturnal NOx losses were generally dominated by reaction of NO3 with volatile organic compounds in this forested region, with N2O5 uptake to aerosols of secondary importance. Analysis of a limited dataset obtained at high relative humidity indicated that the loss of N2O5 by reaction with water vapour is less efficient (> factor 3) than derived using laboratory kinetic data. The fraction of NOx present as NO3 and N2O5 reached ≈20% on some nights, with night-time losses of NOx competing with daytime losses.
A new, two-channel instrument for simultaneous NO3 and N2O5 monitoring was used to make the first comprehensive set of nocturnal NOx measurements (NO, NO2, NO3 and N2O5) at the Taunus Observatory, a rural mountain site (Kleiner Feldberg) in South-western Germany. In May 2008, NO3 and N2O5 mixing ratios were well above the instrumental detection limit (a few ppt) on all nights of the campaign and were characterised by large variability. The concentrations of NO3, N2O5 and NO2 were consistent with the equilibrium constant, K2, defining the rates of formation and thermal dissociation of N2O5. A steady-state lifetime analysis is consistent with the loss of nocturnal NOx being dominated by the reaction of NO3 with volatile organic compounds in this forested region, with N2O5 uptake to aerosols of secondary importance. Analysis of a limited dataset obtained at high relative humidity indicated that the loss of N2O5 by reaction with water vapour is less efficient (>factor 3) than derived using laboratory kinetic data. The fraction of NOx present as NO3 and N2O5 reached ~20% on some nights, with night-time losses of NOx competing with daytime losses.
A comprehensive evaluation of seasonal backward trajectories initialized in the Northern Hemisphere lowermost stratosphere (LMS) has been performed to investigate the origin of air parcels and the main mechanisms determining characteristic structures in H2O and CO within the LMS. In particular we explain the fundamental role of the transit time since last tropopause crossing (tTST) for the chemical structure of the LMS as well as the feature of the extra-tropical tropopause transition layer (ExTL) as identified from CO profiles. The distribution of H2O in the background LMS above Θ=320 K and 340 K in northern winter and summer, respectively, is found to be governed mainly by the saturation mixing ratio, which in turn is determined by the Lagrangian Cold Point (LCP) encountered by each trajectory. Most of the backward trajectories from this region in the LMS experienced their LCP in the tropics and sub-tropics. The transit time since crossing the tropopause from the troposphere to the stratosphere (tTST) is independent of the H2O value of the air parcel. TST often occurs 20 days after trajectories have encountered their LCP. CO, on the other hand, depends strongly on tTST due to its finite lifetime. The ExTL as identified from CO measurements is then explained as a layer of air just above the tropopause, which on average encountered TST fairly recently.
A comprehensive evaluation of seasonal backward trajectories initialized in the northern hemisphere lowermost stratosphere (LMS) has been performed to investigate the factors that determine the temporal and spatial structure of troposphere-to-stratosphere-transport (TST) and it’s impact on the LMS. In particular we explain the fundamental role of the transit time since last TST (tTST) for the chemical composition of the LMS. According to our results the structure of the LMS can be characterized by a layer with tTST<40 days forming a narrow band around the local tropopause. This layer extends about 30K above the local dynamical tropopause, corresponding to the extratropical tropopause transition layer (ExTL) as identified by CO. The LMS beyond this layer shows a relatively well defined separation as marked by an aprupt transition to longer tTST indicating less frequent mixing and a smaller fraction of tropospheric air. Thus the LMS constitutes a region of two well defined regimes of tropospheric influence. These can be characterized mainly by different transport times from the troposphere and different fractions of tropospheric air. Carbon monoxide (CO) mirrors this structure of tTST due to it’s finite lifetime on the order of three months. Water vapour isopleths, on the other hand, do not uniquely indicate TST and are independent of tTST, but are determined by the Lagrangian Cold Point (LCP) of air parcels. Most of the backward trajectories from the LMS experienced their LCP in the tropics and sub-tropics, and TST often occurs 20 days after trajectories have encountered their LCP. Therefore, ExTL properties deduced from CO and H2O provide totally different informations on transport and particular TST for the LMS.