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[Nachruf] Arno Semmel
(2010)
This paper presents an analysis of the recent tropospheric molecular hydrogen (H2) budget with a particular focus on soil uptake and surface emissions. A variational inversion scheme is combined with observations from the RAMCES and EUROHYDROS atmospheric networks, which include continuous measurements performed between mid-2006 and mid-2009. Net H2 surface flux, soil uptake distinct from surface emissions and finally, soil uptake, biomass burning, anthropogenic emissions and N2 fixation-related emissions separately were inverted in several scenarios. The various inversions generate an estimate for each term of the H2 budget. The net H2 flux per region (High Northern Hemisphere, Tropics and High Southern Hemisphere) varies between −8 and 8 Tg yr−1. The best inversion in terms of fit to the observations combines updated prior surface emissions and a soil deposition velocity map that is based on soil uptake measurements. Our estimate of global H2 soil uptake is −59 ± 4.0 Tg yr−1. Forty per cent of this uptake is located in the High Northern Hemisphere and 55% is located in the Tropics. In terms of surface emissions, seasonality is mainly driven by biomass burning emissions. The inferred European anthropogenic emissions are consistent with independent H2 emissions estimated using a H2/CO mass ratio of 0.034 and CO emissions considering their respective uncertainties. To constrain a more robust partition of H2 sources and sinks would need additional constraints, such as isotopic measurements.
Abrupt climate changes of the last deglaciation detected in a Western Mediterranean forest record
(2010)
Abrupt changes in Western Mediterranean climate during the last deglaciation (20 to 6 cal ka BP) are detected in marine core MD95-2043 (Alboran Sea) through the investigation of high-resolution pollen data and pollen-based climate reconstructions by the modern analogue technique (MAT) for annual precipitation (Pann) and mean temperatures of the coldest and warmest months (MTCO and MTWA). Changes in temperate Mediterranean forest development and composition and MAT reconstructions indicate major climatic shifts with parallel temperature and precipitation changes at the onsets of Heinrich stadial 1 (equivalent to the Oldest Dryas), the Bölling-Allerød (BA), and the Younger Dryas (YD). Multi-centennial-scale oscillations in forest development occurred throughout the BA, YD, and early Holocene. Shifts in vegetation composition and (Pann reconstructions indicate that forest declines occurred during dry, and generally cool, episodes centred at 14.0, 13.3, 12.9, 11.8, 10.7, 10.1, 9.2, 8.3 and 7.4 cal ka BP. The forest record also suggests multiple, low-amplitude Preboreal (PB) climate oscillations, and a marked increase in moisture availability for forest development at the end of the PB at 10.6 cal ka BP. Dry atmospheric conditions in the Western Mediterranean occurred in phase with Lateglacial events of high-latitude cooling including GI-1d (Older Dryas), GI-1b (Intra-Allerød Cold Period) and GS-1 (YD), and during Holocene events associated with high-latitude cooling, meltwater pulses and N. Atlantic ice-rafting. A possible climatic mechanism for the recurrence of dry intervals and an opposed regional precipitation pattern with respect to Western-central Europe relates to the dynamics of the westerlies and the prevalence of atmospheric blocking highs. Comparison of radiocarbon and ice-core ages for well-defined climatic transitions in the forest record suggests possible enhancement of marine reservoir ages in the Alboran Sea by 200 years (surface water age 600 years) during the Lateglacial.
We report the first measurements of 1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropane (HFC-227ea), a substitute for ozone depleting compounds, in air samples originating from remote regions of the atmosphere and present evidence for its accelerating growth. Observed mixing ratios ranged from below 0.01 ppt in deep firn air to 0.59 ppt in the current northern mid-latitudinal upper troposphere. Firn air samples collected in Greenland were used to reconstruct a history of atmospheric abundance. Year-on-year increases were deduced, with acceleration in the growth rate from 0.029 ppt per year in 2000 to 0.056 ppt per year in 2007. Upper tropospheric air samples provide evidence for a continuing growth until late 2009. Furthermore we calculated a stratospheric lifetime of 370 years from measurements of air samples collected on board high altitude aircraft and balloons. Emission estimates were determined from the reconstructed atmospheric trend and suggest that current "bottom-up" estimates of global emissions for 2005 are too high by a factor of three.
Processes occurring in the tropical upper troposphere (UT), the Tropical Transition Layer (TTL), and the lower stratosphere (LS) are of importance for the global climate, for stratospheric dynamics and air chemistry, and for their influence on the global distribution of water vapour, trace gases and aerosols. In this contribution we present aerosol and trace gas (in-situ) measurements from the tropical UT/LS over Southern Brazil, Northern Australia, and West Africa. The instruments were operated on board of the Russian high altitude research aircraft M-55 "Geophysica" and the DLR Falcon-20 during the campaigns TROCCINOX (Araçatuba, Brazil, February 2005), SCOUT-O3 (Darwin, Australia, December 2005), and SCOUT-AMMA (Ouagadougou, Burkina Faso, August 2006). The data cover submicron particle number densities and volatility from the COndensation PArticle counting System (COPAS), as well as relevant trace gases like N2O, ozone, and CO. We use these trace gas measurements to place the aerosol data into a broader atmospheric context. Also a juxtaposition of the submicron particle data with previous measurements over Costa Rica and other tropical locations between 1999 and 2007 (NASA DC-8 and NASA WB-57F) is provided. The submicron particle number densities, as a function of altitude, were found to be remarkably constant in the tropical UT/LS altitude band for the two decades after 1987. Thus, a parameterisation suitable for models can be extracted from these measurements. Compared to the average levels in the period between 1987 and 2007 a slight increase of particle abundances was found for 2005/2006 at altitudes with potential temperatures, theta, above 430 K. The origins of this increase are unknown except for increases measured during SCOUT-AMMA. Here the eruption of the Soufrière Hills volcano in the Caribbean caused elevated particle mixing ratios. The vertical profiles from Northern hemispheric mid-latitudes between 1999 and 2006 also are compact enough to derive a parameterisation. The tropical profiles all show a broad maximum of particle mixing ratios (between theta ~ 340 K and 390 K) which extends from below the TTL to above the thermal tropopause. Thus these particles are a "reservoir" for vertical transport into the stratosphere. The ratio of non-volatile particle number density to total particle number density was also measured by COPAS. The vertical profiles of this ratio have a maximum of 50% above 370 K over Australia and West Africa and a pronounced minimum directly below. Without detailed chemical composition measurements a reason for the increase of non-volatile particle fractions cannot yet be given. However, half of the particles from the tropical "reservoir" contain compounds other than sulphuric acid and water. Correlations of the measured aerosol mixing ratios with N2O and ozone exhibit compact relationships for the tropical data from SCOUT-AMMA, TROCCINOX, and SCOUT-O3. Correlations with CO are more scattered probably because of the connection to different pollution source regions. We provide additional data from the long distance transfer flights to the campaign sites in Brazil, Australia, and West-Africa. These were executed during a time window of 17 months within a period of relative volcanic quiescence. Thus the data represent a "snapshot picture" documenting the status of a significant part of the global UT/LS fine aerosol at low concentration levels 15 years after the last major (i.e., the 1991 Mount Pinatubo) eruption. The corresponding latitudinal distributions of the measured particle number densities are presented in this paper to provide data of the UT/LS background aerosol for modelling purposes.
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.
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.
Development of a Bioaerosol single particle detector (BIO IN) for the Fast Ice Nucleus CHamber FINCH
(2010)
In this work we present the setup and first tests of our new BIO IN detector. This detector was constructed to classify atmospheric ice nuclei (IN) for their biological content. It is designed to be coupled to the Fast Ice Nucleus CHamber FINCH. If one particle acts as an ice nucleus, it will be at least partly covered with ice at the end of the development section of the FINCH chamber. The device combines an auto-fluorescence detector and a circular depolarization detector for simultaneous detection of biological material and discrimination between water droplets, ice crystals and non activated large aerosol particles. The excitation of biological material with UV light and analysis of auto-fluorescence is a common principle used for flow cytometry, fluorescence microscopy, spectroscopy and imaging. The detection of auto-fluorescence of airborne single particles demands some more experimental effort. However, expensive commercial sensors are available for special purposes, e.g. size distribution measurements. But these sensors will not fit the specifications needed for the FINCH IN counter (e.g. high sample flow of up 10 LPM). The newly developed -low cost- BIO IN sensor uses a single high-power UV LED for the electronic excitation instead of much more expensive UV lasers. Other key advantages of the new sensor are the low weight, compact size, and the little effect on the aerosol sample, which allows it to be coupled with other instruments for further analysis. The instrument will be flown on one of the first missions of the new German research aircraft "HALO" (High Altitude and LOng range).
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Integrierte Analyse von mobilen, organischen Fremdstoffen in Fließgewässern“ (INTAFERE) am Institut für Physische Geographie an der Goethe-Universität Frankfurt erstellt. In INTAFERE wurde das Gefährdungspotenzial von mobilen, organischen Fremdstoffen (MOF) für aquatische Ökosysteme und die natürlichen Wasserressourcen in integrierter und partizipativer Art und Weise untersucht. MOF sind chemische Substanzen, die in Alltagsprodukten enthalten sind und durch unterschiedliche Eintragsfade in unbekannten Mengen in Oberflächengewässer eingetragen werden. Problematisch sind aus Umweltgesichtspunkten ihre Eigenschaften: sie besitzen im Wasser eine hohe Mobilität und sind schwer abbaubar. Dies führt zu einer Persistenz über lange Zeiträume. Für einige dieser Substanzen wurde zudem gezeigt, dass sie in sehr geringen Konzentrationen biologisch aktiv sind und für aquatische Ökosysteme eine Gefahr darstellen. In INTAFERE wurden drei zentrale Ziele verfolgt: Charakterisierung des Problemfeldes MOF, Erzeugung von praxisrelevantem Wissen für das Management von MOF und Entwicklung einer Softwareanwendung, die gesellschaftliche Aushandlungsprozesse durch eine transparente Darstellung der Wirkungszusammenhänge im Problemfeld unterstützt. Um einen Beitrag für die Erfüllung der Ziele zu leisten, war es die Aufgabe der Verfasserin, eine Akteursanalyse und -modellierung durchzuführen sowie Zukunftsszenarien im Bereich der MOF zu entwickeln. Dafür existierte keine adäquate Methodik, daher verfolgt die Dissertation zum einen die Entwicklung einer Methodik und zum anderen deren Anwendung im Kontext des Projektes INTAFERE. Da im Forschungsprozess die Durchführung von Analysen, die wissenschaftliche und gesellschaftliche Sichtweise der Problematik sowie die Erarbeitung von praktischen Lösungen im Mittelpunkt standen, wurde eine transdisziplinäre Herangehensweise gewählt. Ziel war es, eine Methodik zu entwerfen, die sowohl eine Entwicklung von Szenarien als auch eine Modellierung von Handlungsentscheidungen umfasst. Eine Modellierung und Visualisierung von Handlungsentscheidungen ist notwendig, um Strategien für ein Umweltproblem für verschiedene Szenarien zu ermitteln, und damit einen Lernprozess der Stakeholder zu initiieren. Dies wurde mit der transdisziplinären Methode „Akteursbasierte Modellierung“ umgesetzt. Hierbei wurden insbesondere Aspekte der Problemwahrnehmung von Akteuren und deren Darstellung, der partizipativen Szenarienentwicklung sowie der semi-quantitativen Modellierung von Handlungsentscheidungen berücksichtigt. Die Verfasserin hat mit der semi-quantitativen akteursbasierten Modellierung eine Methode erarbeitet und getestet, die bisher unverbundene Komponenten (wie die Software Dynamic Actor Network Analysis (DANA) und die Szenarienentwicklung) zusammenführt. Um Handlungsentscheidungen unter verschiedenen Szenarien zu modellieren hat die Autorin eine sequentielle Modellierung entwickelt, die mit der Software DANA durchgeführt werden kann. Die dafür notwendige Weiterentwicklung von DANA wurde von Dr. Pieter Bots (TU Delft) umgesetzt. Die akteursbasierte Modellierung läuft in drei methodischen Schritten ab: 1. Modellierung von Akteurs-Sichtweisen in Form von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse, aufbauend auf Ergebnissen von qualitativen, leitfaden-gestützten Expertengesprächen (= Akteursmodellierung), 2. partizipative Szenarienentwicklung mit den Akteuren und 3. Zusammenführung der Ergebnisse der Akteursmodellierung und der Szenarienentwicklung und darauf aufbauend eine sequentielle Modellierung von Handlungsentscheidungen und deren Auswirkungen auf Schlüsselfaktoren. Im Zuge der Anwendung auf das Problemfeld der MOF wurde für folgende Akteure jeweils ein Wahrnehmungsgraph modelliert: Obere Wasserbehörde, Umweltbundesamt, Umwelt- und Verbraucherschutzorganisationen, Wasserversorger sowie für die Hersteller von verschiedenen MOF, weiterhin für die European Flame Retardants Association und die Weiterverarbeitende Industrie. Das Ergebnis der Szenarienentwicklung waren vier Szenarien: ein Gesundheitsszenario, unter der Annahme von hohen lokalen Umweltstandards durch nachhaltigkeitsorientierte KonsumentInnen, ein Umweltszenario, in dem eine starke Regulierung und nachhaltigkeitsorientierter Konsum Hand in Hand gehen, ein Globalisierungsszenario, in dem Wirtschaftsmacht und preisbewusste KonsumentInnen statt staatliche Regulierung vorherrschen und ein Technikszenario, unter der Annahme, dass Kläranlagen, bedingt durch eine starke Regulierung, aufgerüstet werden. Bei der Modellierung von Handlungsentscheidungen wurden die Wahrnehmungsgraphen und die vier Szenarien miteinander verknüpft. Pro Substanz wurde ein Modell entwickelt, welches die wichtigsten Systemkomponenten in einer angemessenen Komplexität umfasst und die von den Akteuren gemeinsam getragene Einschätzung der Wirkungsbeziehungen darstellt. Insgesamt wurden 16 Modelle entwickelt. Basierend auf den simulierten Akteurshandlungen wurden relativen Veränderungen der Schlüsselfaktoren Produktion, Import und Leistungsfähigkeit der Kläranlagen für die vier genannten Szenarien berechnet. In Zusammenarbeit mit Pieter Bots konnten algorithmische Beiträge zur Analyse- und Modellierungssoftware DANA getestet und verbessert werden. Da keine vollständige und zugleich leicht verständliche Einführung zu DANA vorlag, wurde für Nutzer im Rahmen dieser Dissertation eine Anleitung verfasst, die die Modellierung von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse sowie alle Schritte der akteursbasierten Modellierung mit DANA erläutert.
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Integrierte Analyse von mobilen, organischen Fremdstoffen in Fließgewässern“ (INTAFERE) am Institut für Physische Geographie an der Goethe-Universität Frankfurt erstellt. In INTAFERE wurde das Gefährdungspotenzial von mobilen, organischen Fremdstoffen (MOF) für aquatische Ökosysteme und die natürlichen Wasserressourcen in integrierter und partizipativer Art und Weise untersucht. MOF sind chemische Substanzen, die in Alltagsprodukten enthalten sind und durch unterschiedliche Eintragsfade in unbekannten Mengen in Oberflächengewässer eingetragen werden. Problematisch sind aus Umweltgesichtspunkten ihre Eigenschaften: sie besitzen im Wasser eine hohe Mobilität und sind schwer abbaubar. Dies führt zu einer Persistenz über lange Zeiträume. Für einige dieser Substanzen wurde zudem gezeigt, dass sie in sehr geringen Konzentrationen biologisch aktiv sind und für aquatische Ökosysteme eine Gefahr darstellen. In INTAFERE wurden drei zentrale Ziele verfolgt: Charakterisierung des Problemfeldes MOF, Erzeugung von praxisrelevantem Wissen für das Management von MOF und Entwicklung einer Softwareanwendung, die gesellschaftliche Aushandlungsprozesse durch eine transparente Darstellung der Wirkungszusammenhänge im Problemfeld unterstützt. Um einen Beitrag für die Erfüllung der Ziele zu leisten, war es die Aufgabe der Verfasserin, eine Akteursanalyse und -modellierung durchzuführen sowie Zukunftsszenarien im Bereich der MOF zu entwickeln. Dafür existierte keine adäquate Methodik, daher verfolgt die Dissertation zum einen die Entwicklung einer Methodik und zum anderen deren Anwendung im Kontext des Projektes INTAFERE. Da im Forschungsprozess die Durchführung von Analysen, die wissenschaftliche und gesellschaftliche Sichtweise der Problematik sowie die Erarbeitung von praktischen Lösungen im Mittelpunkt standen, wurde eine transdisziplinäre Herangehensweise gewählt. Ziel war es, eine Methodik zu entwerfen, die sowohl eine Entwicklung von Szenarien als auch eine Modellierung von Handlungsentscheidungen umfasst. Eine Modellierung und Visualisierung von Handlungsentscheidungen ist notwendig, um Strategien für ein Umweltproblem für verschiedene Szenarien zu ermitteln, und damit einen Lernprozess der Stakeholder zu initiieren. Dies wurde mit der transdisziplinären Methode „Akteursbasierte Modellierung“ umgesetzt. Hierbei wurden insbesondere Aspekte der Problemwahrnehmung von Akteuren und deren Darstellung, der partizipativen Szenarienentwicklung sowie der semi-quantitativen Modellierung von Handlungsentscheidungen berücksichtigt. Die Verfasserin hat mit der semi-quantitativen akteursbasierten Modellierung eine Methode erarbeitet und getestet, die bisher unverbundene Komponenten (wie die Software Dynamic Actor Network Analysis (DANA) und die Szenarienentwicklung) zusammenführt. Um Handlungsentscheidungen unter verschiedenen Szenarien zu modellieren hat die Autorin eine sequentielle Modellierung entwickelt, die mit der Software DANA durchgeführt werden kann. Die dafür notwendige Weiterentwicklung von DANA wurde von Dr. Pieter Bots (TU Delft) umgesetzt. Die akteursbasierte Modellierung läuft in drei methodischen Schritten ab: 1. Modellierung von Akteurs-Sichtweisen in Form von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse, aufbauend auf Ergebnissen von qualitativen, leitfaden-gestützten Expertengesprächen (= Akteursmodellierung), 2. partizipative Szenarienentwicklung mit den Akteuren und 3. Zusammenführung der Ergebnisse der Akteursmodellierung und der Szenarienentwicklung und darauf aufbauend eine sequentielle Modellierung von Handlungsentscheidungen und deren Auswirkungen auf Schlüsselfaktoren. Im Zuge der Anwendung auf das Problemfeld der MOF wurde für folgende Akteure jeweils ein Wahrnehmungsgraph modelliert: Obere Wasserbehörde, Umweltbundesamt, Umwelt- und Verbraucherschutzorganisationen, Wasserversorger sowie für die Hersteller von verschiedenen MOF, weiterhin für die European Flame Retardants Association und die Weiterverarbeitende Industrie. Das Ergebnis der Szenarienentwicklung waren vier Szenarien: ein Gesundheitsszenario, unter der Annahme von hohen lokalen Umweltstandards durch nachhaltigkeitsorientierte KonsumentInnen, ein Umweltszenario, in dem eine starke Regulierung und nachhaltigkeitsorientierter Konsum Hand in Hand gehen, ein Globalisierungsszenario, in dem Wirtschaftsmacht und preisbewusste KonsumentInnen statt staatliche Regulierung vorherrschen und ein Technikszenario, unter der Annahme, dass Kläranlagen, bedingt durch eine starke Regulierung, aufgerüstet werden. Bei der Modellierung von Handlungsentscheidungen wurden die Wahrnehmungsgraphen und die vier Szenarien miteinander verknüpft. Pro Substanz wurde ein Modell entwickelt, welches die wichtigsten Systemkomponenten in einer angemessenen Komplexität umfasst und die von den Akteuren gemeinsam getragene Einschätzung der Wirkungsbeziehungen darstellt. Insgesamt wurden 16 Modelle entwickelt. Basierend auf den simulierten Akteurshandlungen wurden relativen Veränderungen der Schlüsselfaktoren Produktion, Import und Leistungsfähigkeit der Kläranlagen für die vier genannten Szenarien berechnet. In Zusammenarbeit mit Pieter Bots konnten algorithmische Beiträge zur Analyse- und Modellierungssoftware DANA getestet und verbessert werden. Da keine vollständige und zugleich leicht verständliche Einführung zu DANA vorlag, wurde für Nutzer im Rahmen dieser Dissertation eine Anleitung verfasst, die die Modellierung von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse sowie alle Schritte der akteursbasierten Modellierung mit DANA erläutert.
Long-term average groundwater recharge representing the sustainable groundwater resources is modeled as a 0.5° by 0.5° grid on global scale by the WaterGAP Global Hydrology Model. Due to uncertainties of estimating groundwater recharge, especially in semiarid and arid regions, independent estimates are used for calibrating the model. This work compiled a new set of independent groundwater recharge estimates based on a work of Scanlon et al. (2006). The 59 independent estimates, together with an already existing independent estimates compilation, are used for the evaluation of two WGHM variants; one variant is modeling with an improved more realistically distributed daily precipitation dataset.
The objective of this thesis is the evaluation of the modeled data of the WaterGAP Global Hydrology Model (WGHM). The analysis of the impact of the new Watch Forcing Data (WFD) precipitation dataset on the modeled groundwater recharge tends to result in lower values in humid and higher values in (semi-)arid regions compared to the WGHM standard variant. Comparing both WGHM variants to the independent estimates compilations, representing (semi-)arid regions, the WGHM variant shows over- and underestimations especially of the low values and the WGHM WFD variant shows a bias toward overestimation especially for values below 4 mm/yr. The analysis of texture, hydrogeology and vegetation/ land cover could not give satisfying explanations for the discrepancies, but derived from the groundwater recharge measurement methods analysis indirect/ localized recharge seems to be a significant factor causing underestimations, as resulted in the comparison of the independent estimates based on Scanlon et al. 2006 with the WGHM variants.
We synthesised observations of total particle number (CN) concentration from 36 sites around the world. We found that annual mean CN concentrations are typically 300–2000 cm -3 in the marine boundary layer and free troposphere (FT) and 1000–10 000 cm -3 in the continental boundary layer (BL). Many sites exhibit pronounced seasonality with summer time concentrations a factor of 2–10 greater than wintertime concentrations. We used these CN observations to evaluate primary and secondary sources of particle number in a global aerosol microphysics model. We found that emissions of primary particles can reasonably reproduce the spatial pattern of observed CN concentration (R2=0.46) but fail to explain the observed seasonal cycle (R2=0.1). The modeled CN concentration in the FT was biased low (normalised mean bias, NMB=& -88%) unless a secondary source of particles was included, for example from binary homogeneous nucleation of sulfuric acid and water (NMB= -25%). Simulated CN concentrations in the continental BL were also biased low (NMB= -74%) unless the number emission of anthropogenic primary particles was increased or a mechanism that results in particle formation in the BL was included. We ran a number of simulations where we included an empirical BL nucleation mechanism either using the activation-type mechanism (nucleation rate, J, proportional to gas-phase sulfuric acid concentration to the power one) or kinetic-type mechanism (J proportional to sulfuric acid to the power two) with a range of nucleation coefficients. We found that the seasonal CN cycle observed at continental BL sites was better simulated by BL particle formation (R2=0.3) than by increasing the number emission from primary anthropogenic sources (R2=0.18). The nucleation constants that resulted in best overall match between model and observed CN concentrations were consistent with values derived in previous studies from detailed case studies at individual sites. In our model, kinetic and activation-type nucleation parameterizations gave similar agreement with observed monthly mean CN concentrations.
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.
Fractional release factors of long-lived halogenated organic compounds in the tropical stratosphere
(2010)
Fractional release factors (FRFs) of organic trace gases are time-independent quantities that influence the calculation of Global Warming Potentials and Ozone Depletion Potentials. We present the first set of vertically resolved FRFs for 15 long-lived halocarbons in the tropical stratosphere up to 34 km altitude. They were calculated from measurements on air samples collected on board balloons and a high altitude aircraft. We compare the derived dependencies of FRFs on the mean stratospheric transit times (the so-called mean ages of air) with similarly derived FRFs originating from measurements at higher latitudes and find significant differences. Moreover a comparison with averaged FRFs currently used by the World Meteorological Organisation revealed the limitations of these measures due to their observed vertical and latitudinal variability. The presented data set could be used to improve future ozone level and climate projections.
This study presents a global scale analysis of cropping intensity, crop duration and fallow land extent computed by using the global dataset on monthly irrigated and rainfed crop areas MIRCA2000. MIRCA2000 was mainly derived from census data and crop calendars from literature. Global cropland extent was 16 million km2 around the year 2000 of which 4.4 million km2 (28%) was fallow, resulting in an average cropping intensity of 0.82 for total cropland extent and of 1.13 when excluding fallow land. The lowest cropping intensities related to total cropland extent were found for Southern Africa (0.45), Central America (0.49) and Middle Africa (0.54), while highest cropping intensities were computed for Eastern Asia (1.04) and Southern Asia (1.0). In remote or arid regions where shifting cultivation is practiced, fallow periods last 3–10 years or even longer. In contrast, crops are harvested two or more times per year in highly populated, often irrigated tropical or subtropical lowlands where multi-cropping systems are common. This indicates that intensification of agricultural land use is a strategy that may be able to significantly improve global food security. There exist large uncertainties regarding extent of cropland, harvested crop area and therefore cropping intensity at larger scales. Satellite imagery and remote sensing techniques provide opportunities for decreasing these uncertainties and to improve the MIRCA2000 inventory.
Floodplains play an important role in the terrestrial water cycle and are very important for biodiversity. Therefore, an improved representation of the dynamics of floodplain water flows and storage in global hydrological and land surface models is required. To support model validation, we combined monthly time series of satellite-derived inundation areas (Papa et al., 2010) with data on irrigated rice areas (Portmann et al., 2010). In this way, we obtained global-scale time series of naturally inundated areas (NIA), with monthly values of inundation extent during 1993–2004 and a spatial resolution of 0.5°. For most grid cells (0.5°×0.5°), the mean annual maximum of NIA agrees well with the static open water extent of the Global Lakes and Wetlands database (GLWD) (Lehner and Döll, 2004), but in 16% of the cells NIA is larger than GLWD. In some regions, like Northwestern Europe, NIA clearly overestimates inundated areas, probably because of confounding very wet soils with inundated areas. In other areas, such as South Asia, it is likely that NIA can help to enhance GLWD. NIA data will be very useful for developing and validating a floodplain modeling algorithm for the global hydrological model WGHM. For example, we found that monthly NIAs correlate with observed river discharges.
Irrigation is the most important water use sector accounting for about 70% of the global freshwater withdrawals and 90% of consumptive water uses. While the extent of irrigation and related water uses are reported in statistical databases or estimated by model simulations, information on the source of irrigation water is scarce and very scattered. Here we present a new global inventory on the extent of areas irrigated with groundwater, surface water or non-conventional sources, and we determine the related consumptive water uses. The inventory provides data for 15 038 national and sub-national administrative units. Irrigated area was provided by census-based statistics from international and national organizations. A global model was then applied to simulate consumptive water uses for irrigation by water source. Globally, area equipped for irrigation is currently about 301 million ha of which 38% are equipped for irrigation with groundwater. Total consumptive groundwater use for irrigation is estimated as 545 km3 yr−1, or 43% of the total consumptive irrigation water use of 1 277 km3 yr−1. The countries with the largest extent of areas equipped for irrigation with groundwater, in absolute terms, are India (39 million ha), China (19 million ha) and the United States of America (17 million ha). Groundwater use in irrigation is increasing both in absolute terms and in percentage of total irrigation, leading in places to concentrations of users exploiting groundwater storage at rates above groundwater recharge. Despite the uncertainties associated with statistical data available to track patterns and growth of groundwater use for irrigation, the inventory presented here is a major step towards a more informed assessment of agricultural water use and its consequences for the global water cycle.
Irrigation is the most important water use sector accounting for about 70% of the global freshwater withdrawals and 90% of consumptive water uses. While the extent of irrigation and related water uses are reported in statistical databases or estimated by model simulations, information on the source of irrigation water is scarce and very scattered. Here we present a new global inventory on the extent of areas irrigated with groundwater, surface water or non-conventional sources, and we determine the related consumptive water uses. The inventory provides data for 15 038 national and sub-national administrative units. Irrigated area was provided by census-based statistics from international and national organizations. A global model was then applied to simulate consumptive water uses for irrigation by water source. Globally, area equipped for irrigation is currently about 301 million ha of which 38% are equipped for irrigation with groundwater. Total consumptive groundwater use for irrigation is estimated as 545 km3 yr−1, or 43% of the total consumptive irrigation water use of 1277 km3 yr−1. The countries with the largest extent of areas equipped for irrigation with groundwater, in absolute terms, are India (39 million ha), China (19 million ha) and the USA (17 million ha). Groundwater use in irrigation is increasing both in absolute terms and in percentage of total irrigation, leading in places to concentrations of users exploiting groundwater storage at rates above groundwater recharge. Despite the uncertainties associated with statistical data available to track patterns and growth of groundwater use for irrigation, the inventory presented here is a major step towards a more informed assessment of agricultural water use and its consequences for the global water cycle.