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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.
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.
Eiskeime (INP) sind Aerosolpartikel, die das Entstehen von Eiskristallen in der Atmosphäre zwischen 0 und -37°C ermöglichen, indem sie die zur Ausbildung der Eisphase nötige Energie gegenüber einem reinen Wassersystem stark herabsetzen. Dabei sind aktive Stellen auf der Oberfläche dieser Partikel für die erste Nukleation von Eis verantwortlich. In der Folge können die Eiskristalle zulasten von verdunstenden Wasserdampfmolekülen und Wassertröpfchen weiter anwachsen. Über Eismultiplikationsprozesse zersplittern und vervielfältigen sich die Eiskristalle und wachsen über Bereifung schließlich zu einer kritischen Größe heran, wodurch sie als Niederschlag zu Boden fallen können. Auch wenn der Anteil der zur heterogenen Eisnukleation fähigen Aerosole vergleichsweise gering ist, spielen INP eine entscheidende Rolle für die Entwicklung von Niederschlag und nehmen Einfluss auf Strahlungsprozesse, indem sie auf die Phase der Wolken und damit auf deren Strahlungseigenschaften einwirken. Viele Fragen im Forschungsgebiet der heterogenen Eisnukleation sind jedoch weiterhin nicht hinreichend genau geklärt. Ohne eine verbesserte Kenntnis von Konzentrationen, geographischer und vertikaler Verteilung, sowie zeitlicher Variation, Quellen und Natur von INP, sind noch vorhandene Wissenslücken im Strahlungsantrieb durch Wechselwirkungen von Aerosolen und Wolken nur zu einem gewissem Grad zu reduzieren. Dies ist nötig, um aktuelle Beobachtungsdaten der sich erwärmenden Atmosphäre besser verstehen und die zukünftigen Änderungen des Klimas sicherer vorhersagen zu können. In dieser Arbeit wird die Vakuumdiffusionskammer FRIDGE verwendet, um atmosphärische INP-Konzentrationen zu bestimmen. Aerosolpartikel werden dabei in einem ersten Schritt auf einem Silicium-Probenträger elektrostatisch niedergeschlagen. Die Effizienz des Sammelprozesses, also der Anteil der Partikel die tatsächlich auf dem Si-Substrat abgeschieden werden, wurde mittels zweier unabhängiger Methoden auf etwa 60% bestimmt. In einem zweiten Mess-Schritt werden die Proben in FRIDGE typischen Bedingungen von Mischphasenwolken ausgesetzt, wodurch Eiskristalle an den INP aktiviert werden und im Verlauf einer Messung anwachsen. Eine Kamera beobachtet die durch das Eiswachstum entstehenden Helligkeitsänderungen auf dem dunklen Probensubstrat. Die Kriterien, wann ein Objekt als Eiskristall identifiziert und gezählt wird, mussten im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelt werden. In der zu Beginn der Arbeit vorgefundenen Einstellung hatte bereits eine sehr geringe Helligkeitsänderung, wie sie durch das hygroskopische Wachstum von Aerosolpartikeln hervorgerufen wird, zu Signalen geführt, die fälschlicherweise als Eiskristalle gezählt wurden. Das reevaluierte Messverfahren von FRIDGE wurde im Zuge der FIN-02 Kampagne in einem groß angelegten Laborexperiment an der AIDA Wolkenkammer mit zahlreichen anderen INP-Zählern aus der ganzen Welt verglichen. Für den Großteil der Messungen der untersuchten Modell-Aerosoltypen konnte eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den anderen Instrumenten erzielt werden. In einer einmonatigen Feldmesskampagne im östlichen Mittelmeerraum konnten die ersten INP-Messungen an Bord eines unbemannten Flugzeugs durchgeführt werden. Während der Kampagne auf Zypern wurden mehrere Fälle von transportiertem Saharastaub beprobt, in denen die INP-Konzentration maßgeblich erhöht war. Lidar-Beobachtungen und ein Staubtransportmodell zeigten, dass sich das Maximum der Staubschichten zumeist in etwa 2-4 Kilometern Höhe befand. In der Höhe wurden INP-Konzentrationen gefunden, die im Mittel um einen Faktor 10 größer waren als auf Bodenniveau. Es wird gefolgert, dass INP-Messungen am Boden möglicherweise nur begrenzte Aussagekraft über die Situation nahe der Wolkenbildung besitzen. Im Rahmen BACCHUS-Projekts wurden zwischen August 2014 und Januar 2017 (mit Unterbrechungen) alle 1-2 Tage Proben an drei Reinluftstationen gesammelt (insgesamt über 900). Das INP-Messnetz mit einer geographischen Ausdehnung von der Arktis zum Äquator bestand aus Stationen in Spitzbergen, Martinique und im Amazonas. Die Station im brasilianischen Regenwald ist durch wechselnde Bedingungen von sauberer Regen- und verunreinigter Trockenzeit charakterisiert. In der Trockenzeit steigen die Partikelkonzentrationen durch starke Belastung aus Biomassenverbrennung um eine Größenordnung an; eine gleichzeitige Zunahme der INP-Konzentrationen konnte nicht beobachtet werden. Daraus kann vermutet werden, dass Partikel aus Feueremissionen keine ausgezeichneten Fähigkeiten zur Eisnukleation aufweisen. Die INP-Konzentrationen in der Karibik konnten mit dem Jahresgang von transportieren Saharastaub in Verbindung gebracht werden. In der Arktis wurden die niedrigsten INP-Konzentrationen der drei Stationen beobachtet. Zum Zeitpunkt des Erstellens dieser Arbeit können die determinierenden Einflussfaktoren, sowie der anthropogene Einfluss zur Zeit des arktischen Dunstes noch nicht abschließend geklärt werden.
Atmosphärische Schwerewellen spielen eine wichtige Rolle für die Zirkulation der mittleren Atmosphäre, die wiederum die Troposphäre auf saisonalen und längeren Zeitskalen beeinflusst, und stellen somit ein Schlüsselelement für das Wetter- und Klimageschehen dar. Eine adäquate Beschreibung des Lebenszyklus atmosphärischer Schwerewellen in den operationellen Modellen zur Wettervorhersage und Klimasimulation ist daher sehr wünschenswert. Um zu einer verbesserten mathematischen Darstellung der Schwerewellendynamik in den Modellen beizutragen, wurden in den vergangenen Jahren zahlreiche numerische Studien durchgeführt. Wenngleich auch viele der ablaufenden Prozesse gegenwärtig gut verstanden sind, stellt die Wechselwirkung zwischen den mesoskaligen Schwerewellen und den synoptischskaligen Prozessen aufgrund der hohen Komplexität der Strömung weiterhin eine besondere Herausforderung für die Erforschung der Schwerewellenaktivität dar und erfordert oftmals hochaufgelöste numerische Simulationen über große Modelldomänen.
Folglich ist es wichtig, dass die angewendeten numerischen Verfahren effizient sind und möglichst idealisierte, aber dennoch atmosphärenähnliche Szenarien simulieren. In dieser Arbeit wird ein effizientes numerisches Verfahren zur Modellierung der Dynamik interner Schwerewellen sowie deren Einfluss auf die Zirkulation der mittleren Atmosphäre entwickelt.
Dabei wird die Diskretisierung des pseudo-inkompressiblen Finite-Volumen-Modells auf einem versetzten Gitter von Rieper et al. (2013), welches der Einfachheit halber Schallwellen aus der Dynamik herausfiltert und zur Untersuchung adiabatischer Atmosphärenprozesse auf der f-Ebene entwickelt wurde, im wesentlichen durch zwei Komponenten erweitert: 1) die Anwendung eines semi-impliziten Zeitschrittverfahrens auf die Bewegungsgleichungen zur Integration der Auftriebs- und Corioliseffekte und 2) die Berücksichtigung einer Heizung durch einen thermischen Relaxationsansatz, welcher in der Troposphäre ein baroklin instabiles Strömungsprofil erzeugt und eine zeitabhängige Dynamik des Hintergrundzustands zulässt. Zur Überprüfung der korrekten Implementierung der Erweiterungen werden eine Reihe von atmosphärischen Standardteststudien durchgeführt, welche die Konvergenzeigenschaften sowie die Effizienz des Verfahrens validieren. Darüber hinaus zeigen die Testfälle, dass die Ergebnisse des Modells mit anderen veröffentlichten Arbeiten sehr gut übereinstimmen.
Schließlich wird als Anwendungstestfall eine mesoskalige Simulation barokliner Instabilität in der Troposphäre durchgeführt, welche ferner die darin enthaltene kleinskalige Wellenaktivität sowie deren Einfluss auf die mittlere Atmosphäre modelliert. Die abschließende Betrachung der zonal und zeitlich gemittelten Felder zeigt die erwartete Zonalwindumkehr in der Höhe.
Die lakustrinen Sedimente im Vorotan-Becken (Armenien) wurden palynologisch untersucht. Aus den Ergebnissen konnte die Vegetationsgeschichte im Südlichen Kaukasus während des Frühpleistozäns teilweise rekonstruiert werden.
Bei den Sedimenten handelt es sich um diatomeenreiche Tone, Silte und Feinsande, in denen Pollen gut und pflanzliche Makroreste ausgezeichnet erhalten sind. Die Datierung ist durch die Kombination von Paläomagnetik und 39Ar/40Ar-Methode eindeutig: Die Sedimente decken den Beginn der „mid Pleistocene transition“ (1?110?–?960 ka) ab.
An zehn Aufschlüssen wurden insgesamt 506 Sedimentproben genommen und die darin enthaltenen Pollen untersucht. So konnten insgesamt 64 Taxa nachgewiesen werden. Sie wurden in Pollenprofilen zusammengefasst und ökologisch bewertet. Die erhobenen Daten wurden zudem einer Faktorenanalyse und einer Clusteranalyse unterzogen, deren Ergebnisse ebenfalls in die Pollenprofile eingingen.
Die Pollenprofile lassen deutlich regionale Vegetationszyklen während des Frühpleistozäns erkennen. Diese Zyklen werden ausführlich beschrieben und mit Ergebnissen anderer Autoren aus dem Mittelmeerraum verglichen. Auch ein Bezug zur rezenten Vegetation im Südlichen Kaukasus und den angrenzenden Gebieten wird hergestellt.
Die Paläovegetation im Südlichen Kaukasus ist demnach während des Frühpleistozäns geprägt von einem Vegetationsmosaik aus Grassteppe und offenen Wäldern. Je nach Klima lassen sich Einflüsse von angrenzenden Vegetationszonen erkennen: borealer Nadelwald der Höhenlagen des Kaukasus, thermophiler Laubwald der euxinischen und hyrkanischen Wälder sowie xerotherme Steppe des Nordiran.
Während der Interglaziale herrscht eine Waldsteppe aus thermophilem Laubwald (z.?B. Quercus, Carpinus, Ulmus, Zelkova, Tilia) vor, in der bei starken Erwärmungsphasen die Grassteppe deutlich dominiert und die Wälder wohl an Nordhänge und in Uferbereiche zurückgedrängt werden. In den Glazialphasen finden sich zunehmend Koniferen in der Vegetation (z.?B. Tsuga, Abies, Picea, Pinus) – bis hin zu einem nahezu geschlossenen Kiefernwald am Ende des ersten lang andauernden Glazials MIS 30.
Es zeigt sich, dass sich die einzelnen Klimazyklen in der Ausprägung der Vegetation signifikant unterscheiden. Hierbei spielt sowohl die Amplitude der Erwärmung als auch die Dauer der jeweiligen Phase eine Rolle.
Der Vergleich mit anderen Untersuchungen zeigt, dass die Vegetationszyklen im Südlichen Kaukasus teilweise deutlich anders verlaufen als im westlichen, zentralen und östlichen Mittelmeerraum. Entlang einer Ost-West-Achse ist hier ein „Vegetationsgradient“ zu erkennen.
Das hat Auswirkungen auf die Interpretation der Ausbreitung früher Menschen aus Afrika nach Eurasien. Es ist davon auszugehen, dass sich nicht jeder Vegetationszyklus des Frühpleistozäns gleichermaßen gut für ein Vordringen nach Eurasien eignete. Geeignete Bedingungen (offene Landschaft, Vegetationsmosaik, warmes Klima) herrschten im Südlichen Kaukasus vor allem während stark ausgeprägter Interglaziale. Dagegen brachten lang anhaltende Glazialphasen wohl eher lebensfeindlichere Bedingungen für Homo erectus.
Weil in den südlichen Regionen Europas teilweise eine stark abweichende Vegetation während der unterschiedlichen Klimaphasen vorherrschte, ist es naheliegend, dass der Südliche Kaukasus für die frühen Menschen eine Rolle als Refugium spielte.
Deutlich zeichnen sich in den Ergebnissen Veränderungen in der Vegetation beim Übergang von den obliquitätsdominierten 41-ka-Klimazyklen zu den exzentrizitätsbestimmten 100-ka-Zyklen ab („mid Pleistocene transition“). Diese Veränderungen haben sich sicherlich auch auf die Population der Menschen ausgewirkt und größere Wanderbewegungen und/oder Anpassungen hervorgerufen. Möglicherweise haben in dieser drastischen Veränderung sogar kulturelle Entwicklungen ihren Anfang – zum Beispiel die Nutzbarmachung des Feuers.
Finanzielle Armut prägt Mobilitätspraktiken und kann dabei zum Prozess von mobilitätsbezogener sozialer Exklusion beitragen. Zu den Personen, deren Armutsrisiko besonders hoch ist, zählen in Deutschland Haushalte mit Kindern, insbesondere Alleinerziehende. Ältere Menschen haben nicht die höchste Armutsgefährdung, jedoch besteht bei ihnen das Risiko von Verharrung in Armut, da die Möglichkeiten, die finanzielle Situation aus eigener Kraft zu ändern mit zunehmendem Alter sinken.
Um ein tieferes Verständnis davon zu erhalten, wie finanzielle Armut die Mobilitätspraktiken und soziale Teilhabe von Haushalten mit Kindern sowie älteren Menschen prägt, wurden mit diesen beiden Personengruppen problemzentrierte Interviews in Ronnenberg (Region Hannover) geführt und analysiert. Die Ergebnisse belegen, dass, wenngleich alle Befragten mit ähnlich geringen finanziellen Ressourcen haushalten und Verzicht sowie Abwägungsprozesse notwendig sind, sich ihre Mobilitätspraktiken und Alltagsbewältigungsstrategien unterscheiden, was sich in zwei Typologien widerspiegelt. Erstens, eine Typologie der Mobilitätspraktiken von Haushalten mit Kindern: (i) autozentriert, (ii) autoreduziert, (iii) ÖPNV-orientiert und (iv) nichtmotorisiert. Zweitens, eine Typologie älterer Menschen anhand ihrer Mobilitätspraktiken: (i) aktive ältere Menschen mit vielseitigen sozialen Interaktionen, (ii) nachbarschaftsorientierte ältere Menschen mit lokalen Kontakten und (iii) ältere Menschen, die überwiegend zu Hause sind und wenig soziale Kontakte haben.
Um herauszufinden, inwiefern mobilitätsbezogene Barrieren der sozialen Teilhabe reduziert werden können, wurden fünf Maßnahmen bezüglich ihrer Wirkung auf die Mobilitätspraktiken einkommensarmer Haushalte mit Kindern untersucht: einerseits die Wirkung des 9-Euro-Tickets anhand von problemzentrierten Interviews mit einkommensarmen Haushalten mit Kindern, andererseits anhand von Expert:inneninterviews die Wirkung von Radlernkursen für Frauen mit Migrationshintergrund, eines Mietertickets, eines Quartierstickets und der Verbesserung der Nahraum- und Aufenthaltsqualität am Beispiel von Tempo 30. Die Ergebnisse zum 9-Euro-Ticket belegen, dass ein erschwingliches ÖPNV-Ticket erheblich zur Reduzierung mobilitätsbezogener Barrieren der sozialen Teilhabe im Armutskontext beiträgt. Die Expert:inneninterviews zeigen auf, dass eine Förderung des Umweltverbunds zielführend ist, um zu einer sozial-ökologischen Verkehrswende beizutragen und insbesondere Maßnahmenbündel Wirkung auf die Reduzierung von mobilitätsbezogenen Barrieren der sozialen Teilhabe entfalten.
Die Erkenntnisse dieser Dissertation ergänzen den wissenschaftlichen Forschungstand um ein tiefergehendes Verständnis der Wirkung von finanzieller Armut auf die Mobilitätspraktiken und soziale Teilhabe von Haushalten mit Kindern und älteren Menschen und helfen dabei, Maßnahmen zur Reduzierung mobilitätsbezogener Barrieren der sozialen Teilhabe zu konzipieren und umzusetzen.
Raumkonstruktionen, die über Handlung und Bedeutungszuschreibungen im Kontext sozialer Medien entstehen, sind ein Fallbeispiel dafür, wie vor dem Hintergrund von Digitalität Fachinhalte re-innoviert werden müssen. Mit dem Ziel eines Beitrags zur Konzeption professionellen Lehrkräftewissens im Kontext von Digitalität werden, ausgehend von der Fragestellung, welche professionellen Fähigkeiten Lehrkräfte benötigen, um Raumkonstruktionen im Unterricht zu thematisieren, in dieser kumulativen Dissertation Raumkonstruktionen aus normativer und empirischer Perspektive als exemplarischer geographischer Fachinhalt adressiert.
Als theoretischer Rahmen dient dabei das TPACK Modell von Mishra & Koehler (2006), das professionelles Lehrkräftewissen in die Bereiche fachliches, pädagogisches und technologisches Wissen sowie deren Überschneidungsbereiche einteilt. Zunächst erfolgt eine Anwendung des Modells als Reflexionsperspektive auf Fachinhalte zur Erzeugung normativer Fähigkeitsbeschreibungen. Diese Fähigkeitsbeschreibungen fließen in die Entwicklung eines TPACK-Selbsteinschätzungsfragebogens für Lehramtsstudierende der Geographie ein. Im Rahmen der damit durchgeführten Studie (n= 364) zeigen sich auf deskriptiver Ebene vergleichsweise niedrige Selbsteinschätzungen der Bereiche inhaltlichen und fachdidaktischen Wissens. Durch die Anwendung einer konfirmatorischen Faktorenanalyse kann das TPACK Modell als zufriedenstellend für die Beschreibung der Daten identifiziert werden. Auffällig ist allerdings die niedrige Korrelation des Konstrukts technologischen Wissens mit den angrenzenden Wissensbereichen. In Bezug auf die Selbsteinschätzungen im phasen- und kontextübergreifenden Vergleich lässt sich, ausgehend von linearen Regressionsanalysen, eine tendenzielle Zunahme der selbsteingeschätzten Fähigkeiten entlang der Fachsemesterzahl ermitteln. Mittels Zweistichproben-t-Tests können außerdem höhere Selbsteinschätzungen der pädagogischen Wissensbereiche durch Studierende, die als Vertretungslehrkräfte tätig sind, festgestellt werden.
In Bezug auf die zur Thematisierung von Raumkonstruktionen im Unterricht benötigten Fähigkeiten ist zunächst die Relevanz der Förderung der Integration fachlichen, pädagogischen und fachdidaktischen Wissens hervorzuheben. Die Studie gibt darüber hinaus Hinweise auf eine niedrigere Bedeutung technologischen Wissens im Hinblick auf soziale Medien als Beispiele alltäglicher Technologien. Vor dem Hintergrund des positiven Effekts von Selbstwirksamkeitsprozessen bieten die Ergebnisse Implikationen für eine Diskussion von praktischen Erfahrungen als Aspekt professionellen Lehrkräftewissens im Sinne der Förderung einer kritisch-reflexiven Auseinandersetzung mit der Tätigkeit als Vertretungslehrkraft aus fachdidaktischer Perspektive. Insgesamt leistet die kumulative Dissertation einen Beitrag zum Diskurs um fachliche geographische Bildung im Kontext von Digitalität und zur Konzeption des professionellen Lehrkräftewissens vor diesem Hintergrund.
Eisbildende Prozesse sind für die Wolkenbildung von großer Bedeutung und haben erhebliche Auswirkungen auf das Wetter und Klima der Erde, indem sie den Strahlungsantrieb und die Niederschlagsbildung beeinflussen. In den mittleren Breiten entsteht der meiste Niederschlag in sogenannten Mischphasenwolken (MPC), welche sowohl aus unterkühlten Wolkentröpfchen als auch aus Eiskristallen bestehen. Bei Temperaturen zwischen 0°C und -38°C erfolgt die Bildung von Eiskristallen in MPC in Gegenwart von Aerosolpartikeln, die als sogenannte Eiskeime (INP) die Fähigkeit besitzen, auf ihrer Oberfläche Eis zu nukleieren. Trotz der großen wissenschaftlichen Fortschritte in den letzten Jahrzehnten, weist der heterogene Eisbildungsprozess, als einer der wichtigsten in der Atmosphäre auftretenden Aerosol-Wolken-Wechselwirkungsprozesse, immer noch große Unsicherheiten auf. Um zukünftige Klimavorhersagen und -projektionen in Modellen besser abbilden zu können, ist es somit notwendig den Wissensgrad der räumlichen und zeitlichen Heterogenität von INP in Bezug auf Herkunft, Anzahl und Zusammensetzung zu erhöhen. Im Zentrum dieser Arbeit steht der Eiskeimzähler FINCH (Fast Ice Nucleus Chamber), der für Labor- und Feldexperimente von der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main entwickelt wurde. Durch das Mischen des Probenstroms mit einem warm-feuchten und einem kalten-trockenen Luftstrom wird eine Übersättigung in der in-situ Eiskammer erreicht, die benötigt wird, eisbildende Partikel zu aktivieren. Die aktivierten Partikel können beim Durchströmen der Kammer zu Wassertropfen oder Eiskristallen anwachsen. Am Ausgang der Kammer wird die Anzahl und Größe der Partikel durch die FINCH-Optik erfasst. Als grundlegender Schritt und aufbauend auf den Charakterisierungsmessungen von Frank (2017) wurden in der vorliegenden Arbeit die Leistung, die Zuverlässigkeit sowie die Reproduzierbarkeit von FINCH in Validierungsexperimenten im Labor überprüft. Im Zuge dessen wurden heterogene Gefrierexperimente mit definierten Referenzaerosolproben (bspw. K-Feldspat) bei wasserübersättigten Bedingungen und verschiedenen Gefriertemperaturen durchgeführt. Für den Großteil der erzielten Resultate konnte eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit Literaturwerten von anderen INP-Messinstrumenten aus der ganzen Welt erzielt werden. Es zeigte sich, dass die Leistungsfähigkeit von FINCH messtechnische Limitationen für Messexperimente bei Temperaturen >-10°C und <-30°C aufweist, was eine Einschränkung des Messbereichs bedeutet. Hinsichtlich der Quantifizierung des Unsicherheitsbereiches des Messgerätes in Bezug auf Temperatur und relativer Feuchte bedarf es im Nachgang an dieser Arbeit weiterer Charakterisierungsmessungen. Im Rahmen der Ice Nuclei Research Unit (INUIT) Forschergruppe wurde FINCH mit einem gepumpten Gegenstrom-Impaktor PCVI und dem online Einzelpartikel-Massenspektrometer ALABAMA gekoppelt. Diese spezielle Messmethodik dient zur chemischen und mikrophysikalischen Charakterisierung der INP und der Eispartikelresiduen (IPR). Der Fokus lag zunächst darauf die Funktionalität des gekoppelten Messsystems im Labor zu überprüfen. Ausführliche Charakterisierungsmessungen zeigten unter eisübersättigten und unterkühlten Bedingungen, dass das Prinzip der Trennung der INP von nicht-aktivierten Aerosolen und unterkühlten Tropfen hinter FINCH durch den PCVI funktioniert. Ebenso konnten erste quantitative Aussagen zur chemischen Zusammensetzung der IPR getroffen werden. Es zeigte sich, dass bei den Aktivierungsexperimenten ein geringer Anteil an Partikeltypen metallischer Art von ALABAMA detektiert wurden, der nicht dem untersuchten Aerosoltyp zugeordnet werden konnte. Der Ursprung dieser Kontamination konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht abschließend geklärt werden und bedarf weiterer Validierungsmessungen im Labor. Atmosphärische Eiskeimkonzentrationen wurden im Rahmen von Feldmesskampagnen an der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch (JFJ) in den Schweizer Alpen und am Campus Riedberg der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main untersucht. Hier konnten erste Erfahrungen mit Außenluftmessungen bezüglich der Leistungsfähigkeit und der Nachweisgrenze (LOD) des Messgerätes gesammelt werden. Durch den Einfluss der freien Troposphäre am JFJ waren die Messungen hauptsächlich von aerosolpartikelarmer Luft mit einer geringen Anzahl von Eiskeimen geprägt, so dass sich die gemessenen INP-Konzentrationen oftmals unter die Nachweisgrenze von FINCH fielen. Unter Einsatz eines Aerosolkonzentrators konnte die Detektionseffizienz verbessert und das LOD herabgesetzt werden. Am JFJ wurden die INP im Mittel bei einer Temperatur von -23°C und einem Wassersättigungsverhältnis von 107% beprobt. Die mediane (mittlere) INP-Konzentration inklusive LOD lag bei 2,1 (3,3) sL-1 und oberhalb des LOD bei 3,1 (4,5) sL-1. Ein Vergleich mit den Messungen am Campus Riedberg unter annähernd gleichen Bedingungen resultiert in ähnlichen Konzentrationen.
Die Abstrahlung von internen Schwerewellen in atmosphärischen Strahlströmen und Temperaturfronten trägt vermutlich mit einem signifikanten Beitrag zum gesamten Schwerewellenspektrum bei. Das physikalische Verständnis der dabei ablaufenden Prozesse ist derzeit allerdings noch zu gering ausgeprägt, um eine adäquate mathematische Darstellung für operationelle Wetter- und Klimamodelle zu entwickeln. In dieser Arbeit wird der Mechanismus dieser Schwerewellenquelle in numerischen Simulationen des differenziell geheizten rotierenden Annulusexperiments erforscht. Dieses Experiment besitzt eine im Vergleich zur Atmosphäre deutlich verringerte Anzahl an Freiheitsgraden und eignet sich besonders gut zum Studium der Dynamik der mittleren Breiten. Analoge Untersuchungen werden in einem äquivalenten kartesischen Modellsystem vorgenommen, in dem periodische Bedingungen in den beiden horizontalen Raumrichtungen vorliegen.
Im Gegensatz zur Annuluskonfiguration, in der nachweislich auch eine Schwerwellenabstrahlung an den Zylinderwänden erfolgt, kommt in dieser Konfiguration nur die interne Dynamik als Schwerewellenquelle in Frage. Die nichtlinearen Simulationen beider Modellkonfigurationen zeigen eine großskalige barokline Wellenstruktur, die ein atmosphärenähnliches Jet-Front System beinhaltet. Darin eingelagert werden vier voneinander isolierte Schwerewellenpakete in der Annuluskonfiguration sowie zwei Schwerewellenpakete im doppeltperiodischen Modellsystem charakterisiert. Um den zugrundeliegenden Quellmechanismus zu untersuchen, erfolgt eine Aufspaltung der Zustandsvariablen in einen balancierten und einen unbalancierten Anteil, wobei erstgenannter das geostrophische und hydrostatische Gleichgewicht erfüllt und letztgenannter das Schwerewellensignal enthält. Die Strömungsaufspaltung bildet die Grundlage für die Entwicklung eines tangential-linearen Modells für den unbalancierten Strömungsanteil. Hierbei wird eine systematische Umformulierung der dynamischen Grundgleichungen hinsichtlich der Wechselwirkung beider Strömungsanteile vollzogen. Insbesondere wird der rein balancierte Antrieb der unbalancierten Strömung freigelegt, um dessen Einfluss auf die Schwerewellenaktivität zu quantifizieren. Die anschließenden tangential-linearen Simulationen zeigen, dass drei der vier Schwerewellenpakete in der Annuluskonfiguration in der internen Strömung generiert werden. Ein verbleibendes Wellenpaket entsteht an der inneren Zylinderwand, ehe es in das innere Modellvolumen propagiert. Darüber hinaus wird deutlich, dass der rein balancierte interne Antrieb der Schwerewellen einen signifikanten Beitrag zur Schwerewellengenerierung leistet. Im doppeltperiodischen Modellsystem gibt es eine nahezu perfekte Übereinstimmung zwischen den unbalancierten Strömungsmustern in den tangential-linearen und den nichtlinearen Simulationen. Auch dort nimmt der balancierte Antrieb eine zentrale Rolle bei der Schwerewellenabstrahlung ein. Die abschließende Gegenüberstellung verschiedener, voneinander unabhängiger Gleichgewichtskonzepte macht deutlich, dass die balancierte Strömung der führenden Ordnung in der Rossbyzahl bereits eine erstaunliche Übereinstimmung mit der vollen Strömung liefert. Zudem erbringt die Anwendung einer Lagrange'schen Filtermethode den Nachweis, dass die Vertikalbewegungen und die horizontalen Divergenzsignale in der Annuluskonfiguration fast ausschließlich auf die Schwerewellenaktivität zurückzuführen sind.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer optischer Aufbau für das Laserlabor der Abteilung Kristallographie im FB 11 an der Goethe-Universität Frankfurt beschrieben. Mit Hilfe dieses Aufbaus konnten verschiedene spektroskopische Methoden genutzt werden, um die - von Druck und Temperatur abhängige - Phasenstabilität von Calcium- und Eisencarbonaten zu untersuchen. Mit Hilfe von Raman-Spektroskopie konnte das Phasendiagramm von Calciumcarbonat (CaCO3) teilweise neu bestimmt werden. Fluoreszenzuntersuchungen an dotierten CaCO3 Proben ergaben, dass sich Europium-dotierter Calcit zunächst in eine amorphe Form umwandelt, bevor er bei ca. 15 GPa in eine amorphe 'aragonitische' Form umgewandelt wird. Die Umwandlung ist nicht reversibel. Laserheizexperimente bei 18.5 GPa an dotiertem Siderit (FeCO3) führten zur Bildung eines neuen Hochdruck-Hochtemperatur FeCO3 -Polymorphs. Die Strukturlösung erfolgte mit Hilfe von Röntgendaten, die am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg gewonnen wurden. Schließlich wurde eine neue Methode zur Bestimmung von Temperaturen in Laserheizexperimenten beschrieben. Sie beruht auf der Abschwächung eines Fluoreszenzsignals durch die Temperatur, welche durch die Wechselwirkung eines Heizlasers mit der Probe erzeugt wird.