Geowissenschaften
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Die Montagne Noire am Südrand des französischen Zentralmassivs gehört in das Vorland der französischen Varisziden. Es handelt sich um einen metamorphen Kemkomplex mit einem Kern ("Axialzone") aus Graniten sowie teilweise migmatisierten Ortho- und Paragesteinen. Die Axialzone wird im Norden ("Nordflügel") und Süden ("Südflügel") von paläozoischen Sedimenten umrahmt. Der Nordflügel wird in die "westlichen Monts de Lacaune" (im Westen) und die "Nördliche Schuppenzone" (im Osten) unterteilt und besteht aus Gesteinen mit kambrischem bis silurischem Alter. Der Südflügel wird von einem Stapel aus mehreren Deckeneinheiten aufgebaut, deren stratigraphisches Alter vom Kambrium bis ins Karbon reicht. Die Deckeneinheiten heißen (von oben nach unten im Stapel): Pardailhan-Decke, Minervois-Decke, Mont Peyroux-Decke, Faugeres-Decke und Parautochthon. Die Montagne Noire repräsentiert den seltenen Fall eines "heißen" metamorphen Kernkomplexes, ist aber auch ein ideales Gebiet für vergleichende methodische Studien der sehr niedriggradigen Metamorphose: unterschiedliche Gesteinstypen (Sand- und Siltsteine, Tonschiefer, verschiedene Karbonate) lassen sich quer zur Metamorphosezonierung vom Bereich der Diagenese bis in die Grünschieferfazies verfolgen. In der vorliegenden Arbeit wurde die tektono-metamorphe Entwicklung der niedriggradigen paläozoischen Sedimente untersucht. Dazu wurde eine flächenhafte Studie der Schichtsilikatentwicklung in den Peliten durchgeführt. Es wurden folgende Methoden angewandt: Kubier Index ("Illitkristallinität"), Arkai-Index ("Chloritkristallinität"), "bo-Index" (zur Bestimmung des geothermischen Gradienten), Polytypie-Untersuchungen, sowie an ausgesuchten Proben Mikrosondenanalytik und Röntgenfluoreszenzanalyse. Femer wurden von K. Wemmer (Göttingen) an einigen Proben K-Ar-Datierungen der Feinfraktionen (<2 mikro m und <0,2 mikro m) durchgeführt, um die Entwicklung auch zeitlich zu erfassen. Die petrologischen und geochronologische Daten wurden zur Deformation in Bezug gesetzt. Dabei wurden sowohl Literaturdaten als auch eigene strukturgeologische Befunde verwendet. Es konnten drei tektono-metamorphe Hauptphasen nachgewiesen werden: Die erste Phase (D1 entspricht dem variszischen Deckenbau. Dabei wurde eine M1-Metamorphose angelegt, die durch den bo-Index als Mitteldruck-Metamorphose charakterisiert werden kann. Das Strukturinventar belegt einen etwa südgerichteten tektonischen Transport während D1. Diese Phase ist in der Nördlichen Schuppenzone sowie im W-Teil der Pardailhan-Decke erhalten. Das Alter dieser Phase konnte in kambro-ordovizischen Gesteinen mit der K-Ar-Methode auf 340 bis 330 Ma datiert werden. Diese Alter zeigen eine gute Übereinstimmung mit Ar/Ar-Datierungen aus den im N angrenzenden grünschieferfaziellen Decken des Albigeois. In den tieferen Decken des Südflügels, die ursprünglich weiter im Süden gelegen haben, kann die D1-Deformation erst nach Ende der Flyschsedimentation an der Grenze Vise/Namur (<320 Ma) stattgefunden haben. Die zweite Phase (D2) entspricht dem Aufstieg des metamorphen Kemkomplexes. Im Kontakt mit dem aufsteigenden, heißen Kern ist der größere Teil der paläozoischen Hüllschichten kinematisch und thermisch geprägt wurden. Dabei sind Strukturen und Mineralbestand von D1 und M1 ganz oder teilweise gelöscht worden. Die Extensions-bedingte penetrative S2-Schieferung ist im größten Teil des Südflügels das dominante Flächensystem: dies gilt für das Parautochthon, die gesamte Faugeres-Decke. den westlichen Teil der Mont Peyroux-Decke, den östlichen Teil der Pardailhan- Decke und wahrscheinlich auch die Minervois-Decke. Der Grad der Mz-Metamorphose, die auch in den westlichen Monts de Lacaune (Nordflügel) die prägende Metamorphose ist, nimmt generell mit zunehmender Entfernung von der Axialzone ab. Der bo-Index belegt Niederdruck-metamorphe Bedingungen. K-Ar-Datierungen aus verschiedenen Decken des Südflügels ergeben für D2/M2 Werte zwischen 310 und 300 Ma. Dieses Altersspektrum entspricht Ar/Ar-Datierungen (etwa 311 bis 303 Ma; synkinematischer Biotit und Muskovit; Maluski et al.1991) aus Scherzonen am S-Rand der Axialzone, die während der Exhumierung angelegt wurden. Die K-Ar-Alter der paläozoischen Decken passen auch sehr gut zu U/Pb-Altem aus Paragneisen (308 Ma, Monazit; Gebauer et al. 1988), Graniten (308 Ma, Monazit) und migmatischen Gneisen (313 Ma; beide Krause et al. 2004) der Axialzone, die eine starke thermische Aktivität zu dieser Zeit belegen. Das dritte metamorphe Ereignis (M3) ist unter Anderem im Stephanbecken von Graissessac, nachgewiesen, das im Zuge der Extensionstektonik (D2) am ENE-Ende der Axialzone entstanden ist. Nach dem bisherigen Kenntnisstand ist diese Metamorphose statisch. Der bo-Index belegt - wie auch bei M2 - eine LP-Metamorphose. Sie wurde vermutlich durch magmatische Instrusionen hervorgerufen. M3 muss jünger sein als das U-Pb-Alter eines Tuffes im tiefen Teil der Stefan-Abfolge (c. 295 Ma). Dazu passen Rb-Sr Mineralisochronen von 292 bis 277 Ma aus zwei benachbarten Granitplutonen. Ähnliche Alter treten auch in Pegmatiten der Axialzone auf. Nicht alle der untersuchten Bereiche können eindeutig einer der drei tektono-metamorphen Hauptphasen zugeordnet werden (St. Gervais-Einheit im NE der Axialzone, östlicher Teil der Mont Peyroux-Decke). Dies liegt vielfach an einer unzureichenden strukturgeologischen Datenlage. Teilweise haben aber auch Alterationsprozesse stattgefunden, welche die K-Ar-Alter verjüngt haben, oder der regionale Metamorphosegrad ist sehr niedrig. Schließlich ist in schwach anchimetamorphen oder nur diagenetisch beeinflussten Gesteinen die bo-Index-Methode nicht anwendbar. Insgesamt bestätigen die regionalen Untersuchungen das Bild eines heißen Gneiskerns, der während seines Extensions-bedingten Aufstieges seine Hüllschichten syntektonisch aufheizt. Zusätzlich zur geodynamischen Fragestellung wurden in dieser Arbeit auch methodische Aspekte verfolgt. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Untersuchung der K-Na-Verteilung in den Illiten bzw. Muskoviten. Es hat sich gezeigt, dass einige Proben Paragonit und/oder K/Na-Illit rührten. Diese Minerale stören die Bestimmung der Illitkristallinität im Röntgendiffraktogramm, da sich ihre Peaks mit denen des Illit überlagern. Es wurden daher verschiedene "Peak-Fittings" durchgeführt, bei denen sich zum einen zeigte, dass der 10 A-Peak besser für das Fitting von Illit und diskretem Paragonit geeignet ist als der 5 A-Peak. Es wurde zudem festgestellt, dass es nur schwer oder gar nicht möglich ist, Illit und eine K/Na-Phase mit einer zufriedenstellenden Qualität zu fitten. da die Peakmaxima zu nahe beieinander liegen. Eine Mikrosondenanalyse (teilweise auch Mikrosonden- Mapping) der betreffenden Proben zeigte, wie unterschiedlich die K-Na-Verteilung in den Illiten im anchimetamorphen Bereich sein kann. Es wurden diskrete Mineralphasen, eine domänenartige Verteilung und auch relativ homogene Mischkristalle beobachtet.
Tropische Korallenriffe sind die artenreichsten Ökosysteme im Ozean. Die »tropischen Regenwälder der Meere« beherbergen zirka 800 Korallenarten und mehrere zehntausend Arten aus fast allen bekannten Tierstämmen. Korallenriffe bedecken weltweit eine Fläche von 600.000 Quadratkilometern, das sind 0,17 Prozent der Erdoberfläche. Sie treten als nahe der Küste gelegene Saumriffe, küstenfernere Barriereriffe, ringförmige Atolle und flache Karbonat-Plattformen auf . Der Begriff »Karbonat« weist darauf hin, dass Korallen als Riffbildner ein Skelett aus Kalk haben. Auch Kalkalgen und Weichtiere wie Muscheln und Schnecken sind durch die Bildung von Kalkskeletten und Kalkschalen am Riffaufbau beteiligt. Da tropische Korallenriffe nur in der Nähe der Meeresoberfläche wachsen, können Geowissenschaftler mit Hilfe fossiler Korallenfunde ermitteln, wie sich der Pegel des Meeresspiegels in vergangenen Jahrtausenden entwickelt hat. Auch andere wichtige Klimadaten wie Wassertemperatur, Sonneneinstrahlung und Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre sind in Korallenriffen »gespeichert«. Frankfurter Geowissenschaftler erschließen diese wichtigen Daten, die weit vor menschliche Messungen zurückreichen, durch systematische Bohrungen in Korallenriffen der Karibik, des Persischen Golfs und der Malediven.
Spatial interpolation of precipitation data is uncertain. How important is this uncertainty and how can it be considered in evaluation of high-resolution probabilistic precipitation forecasts? These questions are discussed by experimental evaluation of the COSMO consortium's limited-area ensemble prediction system COSMO-LEPS. The applied performance measure is the often used Brier skill score (BSS). The observational references in the evaluation are (a) analyzed rain gauge data by ordinary Kriging and (b) ensembles of interpolated rain gauge data by stochastic simulation. This permits the consideration of either a deterministic reference (the event is observed or not with 100% certainty) or a probabilistic reference that makes allowance for uncertainties in spatial averaging. The evaluation experiments show that the evaluation uncertainties are substantial even for the large area (41 300 km2) of Switzerland with a mean rain gauge distance as good as 7 km: the one- to three-day precipitation forecasts have skill decreasing with forecast lead time but the one- and two-day forecast performances differ not significantly.
The Land and Water Development Division of the Food and Agriculture Organization of the United Nations and the Johann Wolfgang Goethe University, Frankfurt am Main, Germany, are cooperating in the development of a global irrigation-mapping facility. This report describes an update of the Digital Global Map of Irrigation Areas for the continents of Africa and Europe as well as for the countries Argentina, Brazil, Mexico, Peru and Uruguay in Latin America. For this update, an new inventory of subnational irrigation statistics was compiled. The reference year for the statistics is 2000. Adding up the irrigated areas per country as documented in the report gives a total of 48.8 million ha while the total area equipped for irrigation at the global scale is 278.8 million ha. The total number of subnational units in the inventory used for this update is 16 822 while the number of subnational units in the global inventory increased to 26 909. In order to distribute the irrigation statistics per subnational unit, digital spatial data layers and printed maps were used. Irrigation maps were derived from project reports, irrigation subsector studies, and books related to irrigation and drainage. These maps were digitized and compared with satellite images of many regions. In areas without spatial information on irrigated areas, additional information was used to locate areas where irrigation is likely, such as land-cover and land-use maps that indicate agricultural areas or areas with crops that are usually grown under irrigation.
Mechanisms by which subvisible cirrus clouds (SVCs) might contribute to dehydration close to the tropical tropopause are not well understood. Recently Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs) with optical depths around 10-4 have been detected in the western Indian ocean. These clouds cover thousands of square kilometers as 200-300 m thick distinct and homogeneous layer just below the tropical tropopause. In their condensed phase UTTCs contain only 1-5% of the total water, and essentially no nitric acid. A new cloud stabilization mechanism is required to explain this small fraction of the condensed water content in the clouds and their small vertical thickness. This work suggests a mechanism, which forces the particles into a thin layer, based on upwelling of the air of some mm/s to balance the ice particles, supersaturation with respect to ice above and subsaturation below the UTTC. In situ measurements suggest that these requirements are fulfilled. The basic physical properties of this mechanism are explored by means of a single particle model. Comprehensive 1-D cloud simulations demonstrate this stabilization mechanism to be robust against rapid temperature fluctuations of +/- 0.5 K. However, rapid warming (Delta T > 2 K) leads to evaporation of the UTTC, while rapid cooling (Delta T < -2 K) leads to destabilization of the particles with the potential for significant dehydration below the cloud
Measurements of OH, total peroxy radicals, non-methane hydrocarbons (NMHCs) and various other trace gases were made at the Meteorological Observatory Hohenpeissenberg in June 2000. The data from an intensive measurement period characterised by high solar insolation (18-21 June) are analysed. The maximum midday OH concentration ranged between 4.5x106 molecules cm-3 and 7.4x106 molecules cm-3. The maximum total ROx (ROx =OH+RO+HO2+RO2) mixing ratio increased from about 55 pptv on 18 June to nearly 70 pptv on 20 and 21 June. A total of 64 NMHCs, including isoprene and monoterpenes, were measured every 1 to 6 hours. The oxidation rate of the NMHCs by OH was calculated and reached a total of over 14x106 molecules cm-3 s-1 on two days. A simple photostationary state balance model was used to simulate the ambient OH and peroxy radical concentrations with the measured data as input. This approach was able to reproduce the main features of the diurnal profiles of both OH and peroxy radicals. The balance equations were used to test the effect of the assumptions made in this model. The results proved to be most sensitive to assumptions about the impact of unmeasured volatile organic compounds (VOC), e.g. formaldehyde (HCHO), and about the partitioning between HO2 and RO2. The measured OH concentration and peroxy radical mixing ratios were reproduced well by assuming the presence of 3 ppbv HCHO as a proxy for oxygenated hydrocarbons, and a HO2/ RO2 ratio between 1:1 and 1:2. The most important source of OH, and conversely the greatest sink for peroxy radicals, was the recycling of HO2 radicals to OH. This reaction was responsible for the recycling of more than 45x106 molecules cm-3 s-1 on two days. The most important sink for OH, and the largest source of peroxy radicals, was the oxidation of NMHCs, in particular, of isoprene and the monoterpenes.
Subvisible cirrus clouds (SVCs) may contribute to dehydration close to the tropical tropopause. The higher and colder SVCs and the larger their ice crystals, the more likely they represent the last efficient point of contact of the gas phase with the ice phase and, hence, the last dehydrating step, before the air enters the stratosphere. The first simultaneous in situ and remote sensing measurements of SVCs were taken during the APE-THESEO campaign in the western Indian ocean in February/March 1999. The observed clouds, termed Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs), belong to the geometrically and optically thinnest large-scale clouds in the Earth´s atmosphere. Individual UTTCs may exist for many hours as an only 200--300 m thick cloud layer just a few hundred meters below the tropical cold point tropopause, covering up to 105 km2. With temperatures as low as 181 K these clouds are prime representatives for defining the water mixing ratio of air entering the lower stratosphere.
We have used the SLIMCAT 3-D off-line chemical transport model (CTM) to quantify the Arctic chemical ozone loss in the year 2002/2003 and compare it with similar calculations for the winters 1999/2000 and 2003/2004. Recent changes to the CTM have improved the model's ability to reproduce polar chemical and dynamical processes. The updated CTM uses σ-θ as a vertical coordinate which allows it to extend down to the surface. The CTM has a detailed stratospheric chemistry scheme and now includes a simple NAT-based denitrification scheme in the stratosphere.
In the model runs presented here the model was forced by ECMWF ERA40 and operational analyses. The model used 24 levels extending from the surface to ~55km and a horizontal resolution of either 7.5° x 7.5° or 2.8° x 2.8°. Two different radiation schemes, MIDRAD and the CCM scheme, were used to diagnose the vertical motion in the stratosphere. Based on tracer observations from balloons and aircraft, the more sophisticated CCM scheme gives a better representation of the vertical transport in this model which includes the troposphere. The higher resolution model generally produces larger chemical O3 depletion, which agrees better with observations.
The CTM results show that very early chemical ozone loss occurred in December 2002 due to extremely low temperatures and early chlorine activation in the lower stratosphere. Thus, chemical loss in this winter started earlier than in the other two winters studied here. In 2002/2003 the local polar ozone loss in the lower stratosphere was ~40% before the stratospheric final warming. Larger ozone loss occurred in the cold year 1999/2000 which had a persistently cold and stable vortex during most of the winter. For this winter the current model, at a resolution of 2.8° x 2.8°, can reproduce the observed loss of over 70% locally. In the warm and more disturbed winter 2003/2004 the chemical O3 loss was generally much smaller, except above 620K where large losses occurred due to a period of very low minimum temperatures at these altitudes.
Number concentrations of total and non-volatile aerosol particles with size diameters >0.01 μm as well as particle size distributions (0.4–23 μm diameter) were measured in situ in the Arctic lower stratosphere (10–20.5 km altitude). The measurements were obtained during the campaigns European Polar Stratospheric Cloud and Lee Wave Experiment (EUPLEX) and Envisat-Arctic-Validation (EAV). The campaigns were based in Kiruna, Sweden, and took place from January to March 2003. Measurements were conducted onboard the Russian high-altitude research aircraft Geophysica using the low-pressure Condensation Nucleus Counter COPAS (COndensation PArticle Counter System) and a modified FSSP 300 (Forward Scattering Spectrometer Probe). Around 18–20 km altitude typical total particle number concentrations nt range at 10–20 cm−3 (ambient conditions). Correlations with the trace gases nitrous oxide (N2O) and trichlorofluoromethane (CFC-11) are discussed. Inside the polar vortex the total number of particles >0.01 μm increases with potential temperature while N2O is decreasing which indicates a source of particles in the above polar stratosphere or mesosphere. A separate channel of the COPAS instrument measures the fraction of aerosol particles non-volatile at 250°C. Inside the polar vortex a much higher fraction of particles contained non-volatile residues than outside the vortex (~67% inside vortex, ~24% outside vortex). This is most likely due to a strongly increased fraction of meteoric material in the particles which is transported downward from the mesosphere inside the polar vortex. The high fraction of non-volatile residual particles gives therefore experimental evidence for downward transport of mesospheric air inside the polar vortex. It is also shown that the fraction of non-volatile residual particles serves directly as a suitable experimental vortex tracer. Nanometer-sized meteoric smoke particles may also serve as nuclei for the condensation of gaseous sulfuric acid and water in the polar vortex and these additional particles may be responsible for the increase in the observed particle concentration at low N2O. The number concentrations of particles >0.4 μm measured with the FSSP decrease markedly inside the polar vortex with increasing potential temperature, also a consequence of subsidence of air from higher altitudes inside the vortex. Another focus of the analysis was put on the particle measurements in the lowermost stratosphere. For the total particle density relatively high number concentrations of several hundred particles per cm3 at altitudes below ~14 km were observed in several flights. To investigate the origin of these high number concentrations we conducted air mass trajectory calculations and compared the particle measurements with other trace gas observations. The high number concentrations of total particles in the lowermost stratosphere are probably caused by transport of originally tropospheric air from lower latitudes and are potentially influenced by recent particle nucleation.
We report measurements of the deuterium content of molecular hydrogen (H2) obtained from a suite of air samples that were collected during a stratospheric balloon flight between 12 and 33 km at 40º N in October 2002. Strong deuterium enrichments of up to 400 permil versus Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) are observed, while the H2 mixing ratio remains virtually constant. Thus, as hydrogen is processed through the H2 reservoir in the stratosphere, deuterium is accumulated in H2 . Using box model calculations we investigated the effects of H2 sources and sinks on the stratospheric enrichments. Results show that considerable isotope enrichments in the production of H2 from CH4 must take place, i.e., deuterium is transferred preferentially to H2 during the CH4 oxidation sequence. This supports recent conclusions from tropospheric H2 isotope measurements which show that H2 produced photochemically from CH4 and non-methane hydrocarbons must be enriched in deuterium to balance the tropospheric hydrogen isotope budget. In the absence of further data on isotope fractionations in the individual reaction steps of the CH4 oxidation sequence, this effect cannot be investigated further at present. Our measurements imply that molecular hydrogen has to be taken into account when the hydrogen isotope budget in the stratosphere is investigated.