550 Geowissenschaften
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Die vorliegende Arbeit behandelt das Forschungsthema der Entstehung des flüssigen Eisenkerns im Zentrum unseres Planeten. Dieses bislang wenig verstandene Gebiet ist reich an Fragestellungen, sowohl für Experimentatoren als auch für die Geodynamik. Es gibt sehr viele Arbeiten, die den Bildungsprozess experimentell untersuchen, jedoch wurde in den letzten Jahren die numerische Untersuchung in diesem Gebiet kaum vorangetrieben. Der experimentelle Teil der Arbeit stellt sich hierbei der aktuellen Frage nach der Perkolationsschwelle
1 von Eisenschmelze in der Silikatmatrix der Protoerde, während numerisch die Effekte von Potenzgesetzkriechen, Dissipation und Schmelzsegregation beim Absinken eines Eisendiapirs nach Ausbildung eines ersten flachen Magmaozeans in der Protoerde behandelt werden. Die genauen Fragestellungen könnnen dabei im letzten Abschnitt der Einleitung gefunden werden.
In der hier vorliegenden Diplomarbeit wurde der globale Einfluß des ENSO-Phänomens (El Niño/Southern Oscillation) und des Vulkanismus auf den Luftdruck in Meeresspiegelhöhe sowie auf die Lufttemperatur in Bodennähe untersucht. Weiterhin sollte der Frage nachgegangen werden, ob starke Vulkanausbrüche das ENSO-Phänomen beeinflussen. Hierfür wurden 100-jährige Zeitreihen von Jahres- und saisonalen Mitteln des Southern-Oscillation-Index (SOI), Anomalien der Meeresoberflächentemperatur im tropischen Ostpazifik (SST) sowie der Vulkanismusparameter nach Grieser [17] verwendet. Weiterhin wurde ein globaler, aus 80 flächengleichen Boxen bestehender Datensatz des Luftdrucks in Meeresspiegelhöhe für den Zeitraum 1883 bis 1992 erstellt und ein gleichartiger Boxdatensatz der Luftemperatur in Bodennähe verwendet. Die angewandte Methodik ist eine von Denhard 1996 [11] entwickelte Filtertechnik (Prozeßfilter), mit deren Hilfe sich externe Störungen auf ein dynamisches System analysieren lassen. Es wurde ein methodischer Vergleich zwischen dem Prozeßfilter und der Kreuzspektralanalyse durchgeführt, der aufzeigte, daß bei der hier vorliegenden Fragestellung der Prozeßfilter bessere Ergebnisse liefert. Die Analysen der ENSO-Parameter (SOI, SST) mit den Boxdatensätzen der internen Klimavariablen (Luftdruck und Temperatur) bestätigen die bekannten Wirkungen des ENSO-Phänomens auf das Temperatur- sowie das Luftdruckfeld in Bodennähe bzw. Meeresspiegelhöhe. Für einen entdeckten, im jahreszeitlichen Verlauf unterschiedlichen Einfluß von ENSO auf die Lufttemperatur im tropischen Westpazifik ist dem Autor keine vergleichbare Diskussion aus der Literatur bekannt. In dieser Region wurde im Winter und Frühjahr (jeweils bezogen auf die Nordhemisphäre) eine Erhöhung der Lufttemperatur während El Niño, im Sommer und Herbst dagegen eine Erniedrigung festgestellt. Die Wirkung des Vulkanismus auf den Luftdruck in Meeresspiegelhöhe ist stark von ENSO überlagert. Dieser Effekt wurde in abgeschwächter Form auch bei den, ansonsten klimatologisch interpretierbaren, Korrelationsmustern zwischen den Gebietsmittelreihen der bodennahen Lufttemperatur und dem Vulkanismusparameter festgestellt. Ein ursächliches Einwirken des Vulkanismus auf ENSO konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht gefunden werden.
Die vorliegende geologische Arbeit befaßt sich mit einem Ausschnitt des Taunus. Der Taunus ist der südöstlichste Teil des Rheinischen Schiefergebirges und liegt in etwa zwischen Koblenz, Gießen, Frankfurt und Wiesbaden (Abb. 1 und 2). Marine Flachseesedimente prägen hier das Unterdevon des Rheinischen Schiefergebirges. Durch variszische Deformation entstand überwiegend NW- bis NNW-vergenter Faltenbau. Gravitative Kräfte ließen weitere tektonische Strukturen entstehen. Tertiäre Bruchtektonik schuf Horste und Gräben....... Das bearbeitete Gebiet weist unter großflächigen quartären Schuttdecken unterdevonische Sedimente der Tonschiefer- und Feinsandsteinfraktion auf. Im Unterdevon sorgte rasche Sedimentation bei ständiger Absenkung des Rheinischen Trogs für ein flaches Meer. Im Norden des Kartiergebiets tritt eine Fossilbank mit mariner Fauna zutage. Bei der mesozoisch-tertiären Verwitterung wurden die oberflächennahen Gesteine gelockert und Vererzungen und Roterden gebildet. Taleinschnitte in die tertiäre Rumpffläche sind pleistozänen Alters. Das devonische Gestein ist anchimetamorph überprägt und zeigt eine deutliche erste Schieferung, welche von einer intensiven Glimmerneubildung begleitet ist und primär stark nordwestvergent angelegt wurde. In feinpelitischen Bereichen kann eine zweite, postkristalline Schieferung ausgebildet sein. Durch starken Schuppenbau und anhaltende laterale Einengung bei der variszischen Überprägung entstanden im Taunus sogenannte "horse structures": Es kam zu sukzessiver Aufrichtung hangender Schuppeneinheiten bei nordwestlich fortschreitender Anlage von Überschiebungsbahnen im Liegenden. Im Scheitelbereich eines so entstandenen Vergenzfächers liegt das Kartiergebiet. Achsenflächen und Hauptschieferung stehen steil bis saiger. In diesen Bereichen kam es beim Kollaps des Gebirges durch gravitative Kräfte zur Anlage von Knickbändern. Sie ersetzen Verschiebungsflächen. Vereinzelt sind sie auch mit Abschiebungen verbunden. Die am häufigsten aufgeschlossene Knickband-Schar hat nach SE abschiebenden Charakter, eine zweite zeigt NW-gerichteten Bewegungssinn. Sie sind aufgrund der gleichgerichteten vertikalen Einengung zusammengehörend bzw. konjungiert. Die Knickachsen beider Scharen tauchen mit nur wenigen Grad in Streichrichtung ab. Manchmal sind Knickbänder dieser beiden Gruppen direkt konjungiert aufgeschlossen. Möglicherweise durch Rotation, als Teil konjungierter Knickbänder oder innerhalb größerer übergeordneter Knickbänder erscheinen einige der Knickbänder aufschiebend. Eine untergeordnete, dritte Knickband-Schar deutet mit schrägabschiebendem Verschiebungssinn eine Rotation der Spannungsrichtung und möglicherweise erste Bewegungen der Idsteiner Senke an. Sie ist im Untersuchungsgebiet nur selten aufgeschlossen. Die Untersuchungen im Zuge dieser Diplomarbeit ergaben, daß die Knickbänder bevorzugt in Bereichen südvergenter Schieferung entstanden. Im Süden und südlich des Kartiergebiets weist die Schieferung häufiger Südvergenz auf, weshalb dort fast ausschließlich nach S bis SE abschiebende Knickbänder einzumessen waren. Unterschiede zwischen Messungen im Westen und Osten des Gebiets wurden nicht festgestellt. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist eine Longitudinalstrain-Berechnung von 3,4-6,8 % für die Gesteinspartien mit Knickbändern. Die Anlage der Knickbänder wird als letzte variszische Deformation angesehen. Ihr folgten außer kleineren Abschiebungen möglicherweise noch syn- und antithetische Rotationsbewegungen einzelner Gesteinsschollen. Demnach würden sich insgesamt die Anlage der Knickbänder und die Bildung der Vergenzfächer zeitlich überschneiden. Das Einfallen der Knickachsen und auch anderer Achsen und Lineare flach nach SW, ist wahrscheinlich durch tertiäre Bruchschollentektonik bedingt. Diese Bruchtektonik gliedert das Gebirge in Schollen mit Horsten und Gräben, so z.B. die bedeutende Grabenstruktur der Idsteiner Senke. Dabei kann der Vergenzfächer trotz vertikaler Bewegung horizontal versetzt worden sein. Seine Scheitellinie verändert zur Tiefe hin die Position ("horse structures") und tritt bei einer erodierten Hochscholle versetzt zutage.
Die Frage, ob das Klima extremer wird, beschäftigt Wissenschaft und Öffentlichkeit mit zunehmender Intensität. Daher ist hier eine extremwertstatistische Untersuchung hinsichtlich Niederschlag und Temperatur durchgeführt worden. Dabei werden, entsprechend IPCCEmpfehlungen, für die untersuchten Zeitreihen obere und untere Schwellenwerte festgelegt. Durch Auszählen kann dann ermittelt werden, wie oft die entsprechende Schranke über- oder unterschritten wurde (relativer Extremwert). Das Verhältnis der Anzahl der relativen Extremwerte zu den Gesamtwerten nennt man empirische Extremwerthäufigkeit. Darüber hinaus wurden Häufigkeitsverteilungen an die Datensätze angepasst, aus denen vorher der Jahresgang eliminiert wurde. Über diese Häufigkeitsverteilungen bestimmt man die theoretische Über- oder Unterschreitungswahrscheinlichkeit der jeweiligen Schranke, und vergleicht diese mit der empirischen. Diese Daten bieten auch die Möglichkeit, weitere wahrscheinlichkeitstheoretische Größen (Risiko, Wartezeitverteilung, Wiederkehrzeit) zu bestimmen. Das Verfahren wird auf 78 100-jährige Zeitreihen des Niederschlags und 10 100-jährige Zeitreihen der Temperatur in Deutschland angewendet. Dabei ist zu beachten, dass eine Übereinstimmung von empirischen und theoretischen Ergebnissen nur im statistischen Mittel zu erwarten ist. Die Untersuchungen zeigen, dass die ersten 10 bis 15 Jahre des letzten Jahrhunderts, sowohl bei den Niederschlägen als auch bei der Temperatur, nicht so extrem gewesen sind wie der Rest des Jahrhunderts. Bei den Niederschlagsdaten zeigt sich darüber hinaus um die Jahrhundertmitte ein etwa 10-jähriger Zeitraum mit hoher Niederschlagsvariabilität. Für die Abschätzung der Wahrscheinlichkeit des Überschreitens von Schranken bei Niederschlagsdaten ist die angepasste Gumbelverteilung am besten geeignet. Der Unterschied zu den anderen angepassten Verteilungen ist um so klarer, je höher die Schranke gewählt wird. Für die Abschätzung der Wahrscheinlichkeit des Unterschreitens von Schranken bei Temperaturdaten ist die angepasste Weibullverteilung am besten geeignet. Kein klares Bild ergibt sich bei den Kombinationen untere Schranke und Niederschlagsdaten sowie obere Schranke und Temperaturdaten. Die Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit und damit verbunden die Bestimmung der Wiederkehrzeit und des Risikos ist in allen Fällen um so besser, je geringer der Jahresgang der Variabilität der untersuchten Größe ist. Beim Trend der Wiederkehrzeit zeigt sich bei den Niederschlagsdaten und der unteren Schranke im äußersten Westen Deutschlands ein Rückgang trockener Ereignisse. Ansonsten erkennt man nur schwache Änderungen. Für obere Schranken zeigt sich im Westen Deutschlands ein Rückgang der Wiederkehrzeit, also ein Trend zu häufigeren extremen Niederschlägen, mit einem Maximum im östlichen Nordrhein-Westfalen. Im Osten dagegen ermittelt man einen Rückgang extremer Niederschläge und damit einen Trend zu trockenerer Witterung, am stärksten ausgeprägt im westlichen Erzgebirge. Für die Temperaturdaten zeigt sich in fast ganz Deutschland für untere Schranken ein Anstieg der Wiederkehrzeit. Extrem niedrige Temperaturen treten also tendenziell seltener auf. Die Ausnahme bilden hier nur, je nach zugrunde liegender Verteilung, der (äußerste) Norden und Osten Deutschlands. Die gleiche geographische Unterteilung, jedoch mit umgekehrtem Trend, zeigt sich bei den oberen Schranken. Extrem warme Ereignisse treten, mit Ausnahme des Nordostens, tendenziell häufiger auf. Die stärkste Zunahme im Trend der warmen Ereignisse zeigt sich dabei im Südwesten Deutschlands.
Die konventionelle Extremwertstatistik die sich an der Über- bzw. Unterschreitungshäufigkeit bestimmter Schwellenwerte orientiert, beinhaltet den Nachteil, daß Änderungen der Parameter der Häufigkeitsverteilung die Extremwertwahrscheinlichkeit beeinflussen. So kann allein das Vorhandensein eines Trends für derartige Veränderungen verantwortlich sein. Die hier gewählte Methodik vermeidet diesen Nachteil, indem sie eine Zerlegung der betrachteten Zeitreihen in einen strukturierten und einen unstrukturierten Anteil durchführt. Dabei setzt sich der strukturierte Anteil aus einer Trend-, Saison- und glatten Komponente zusammen. Aus der Summe dieser in der Zeitreihe signifikant enthaltenen Komponenten läßt sich die Eintrittswahrscheinlichkeit von Extremwerten ableiten. Ähnliches gilt für den unstrukturierten Anteil insbesondere für die Varianz des Residuums. Das Residuum kann aber auch Werte enthalten, die nicht zu ihrer ansonsten angepaßten Häufigkeitsverteilung passen. Solche Werte werden als Extremereignisse bezeichnet und sind von den Extremwerten zu unterschieden. In der vorliegenden Arbeit werden nun, getrennt voneinander, durch Änderungen in den Parametern der Häufigkeitsverteilung hervorgerufene Variationen der Extremwertwahrscheinlichkeit als auch parameterunabhängige Extremereignisse der bodennahen Lufttemperatur betrachtet. Als Datenbasis dienten 41, wahrscheinlich homogene, europäische Stationszeitreihen von Monatsmitteltemperaturen, die den Zeitraum von 1871 bis 1990 abdecken. In den untersuchten Temperaturzeitreihen wurde an 37 von 41 Stationen ein positiver Trend detektiert, woraus ein Anstieg der Extremwertwahrscheinlichkeit mit der Zeit resultiert. Die glatten, niederfrequenten Schwingungen wirken sich in den meisten Fällen um 1890 und 1975 negativ und um 1871, 1940 und 1990 positiv auf die Extremwertwahrscheinlich keit aus. Desweiteren treten Änderungen in der Saisonfigur bezüglich der Amplitude und der Phasenlage auf. Detektierte Zunahmen in der Amplitude des Jahresgangs führen zu einer positiven Änderung der Extremwertwahrscheinlichkeit. Signifikante Änderungen in der Phasenlage der Saisonfigur erzeugen in den Anomaliezeitreihen einen saisonal unterschiedlichen Trend, dessen Amplitude, in den betrachteten Fällen, in der Größenordnung der Trendkomponente liegt. Saisonal unterschiedliche Trends beeinflussen saisonal unterschiedlich die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten von Extremwerten. Die Residuen von fünf Temperaturzeitreihen weisen signifikante Varianzinstationaritäten auf, wobei in nur einem Fall die Varianz mit der Zeit zunimmt und somit einen Anstieg der Extremwertwahrscheinlichkeit erzeugt. Extremereignisse treten vorwiegend in Form besonders kalter Winter auf und können wahrscheinlich als Realisation eines Poisson-Prozesses interpretiert werden. Sie erscheinen zufällig über den Beobachtungszeitraum verteilt mit einer mittleren Wiederkehrzeit von mehr als 10 Jahren.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Messung der Absorption der TM0-Mode im atmosphärischen Wellenleiter entwickelt, das auf der Bestimmung des Amplitudenabfalls von durch Blitze generierten ELF-Impulsen beruht. Eine Anwendung des Verfahrens setzt die simultane Messungen der ELF-Impulse an verschiedenen Stationen voraus. Im Sommer 1998 wurde im Rahmen der Spritekampagne'98 ein geeigneter Datensatz an drei Stationen im Westen Nordamerikas gewonnen. Bislang wurde ein Teil dieses Datensatzes herangezogen, um das Messverfahren zu testen und mit Ergebnissen aus einer anderen Quelle zu vergleichen. Diese Tests waren erfolgreich und die Ergebnisse von Hughes und Gallenberger [10] konnten reproduziert werden. Die Stationen wurden mit Induktionsspulen-Magnetometern vom Typ Metronix MFS05 im HF-Modus betrieben. Die für die Instrumentenkorrektur erforderlichen Übertragungsfunktionen der Magnetometer waren vorab nur für den LF-Modus mit Vertrauen erweckender Sicherheit bekannt. Dies machte eine Nachkalibrierung der Magnetometer erforderlich, bei der zunächst versucht wurde, die bekannte LF-Übertragungsfunktion zu reproduzieren. Dazu wurde die Einspeisung einer Rechteckschwingung in den Kalibriereingang des MFS05-Magnetometers verwendet. Bei 5 von 6 verwendeten Magnetometern ließ sich die Übertragungsfunktion für den LF-Modus reproduzieren. Bei einem traten jedoch deutliche Abweichungen auf, die sich auch bei anderen Messungen reproduzieren ließen. Die Übertragungsfunktion des Magnetometers hat sich also seit der letzten Kalibrierung durch den Hersteller verändert. Erst durch diese Nachkalibrierung ist es möglich geworden, diese Veränderung in Instrumentenkorrekturen einzubringen. Nachdem im LF-Modus gezeigt war, dass die verwendete Kalibrierungsmethode funktioniert wurde sie auch für den HF-Modus angewandt. Neben der Kalibrierung durch Einspeisung eines synthetischen Signals wurden auch Kalibrierungen unter Ausnutzung der natürlichen Anregung durchgeführt. Diese dienten in erster Linie einem Vergleich verschiedener Messgeräte: Den beiden Datenloggern SPAM MkIII und Quanterra QT4120 sowie den bei- den Magnetometern Metronix MFS05 und EMI BF-4. Der QT4120-Datenlogger wurde ursprünglich nicht zum Anschluss von Magnetometern konzipiert und benötigte dazu eine separate Adaptereinheit. Eine solche Adaptereinheit (kurz "Adapterbox") wurde im Rahmen dieser Arbeit konzipiert und gemeinsam mit der am Institut angestellten Elektronikerin Vera Fischer implementiert. Die Messergebnisse der Kalibrierungen mit natürlicher Anregung wurden so gedeutet, dass der SPAM MkIII-Datenlogger und das MFS05-Magnetometer gegenüber dem Quanterra QT4120-Datenlogger und dem EMI BF-4-Magnetometer einen geringeren Rauschpegel im ELF-Bereich aufweisen. Dies muss nicht für Frequenzen unterhalb des ELF-Bereichs gelten - dort wurden keine Untersuchungen angestellt.