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Wasser weltweit : wie groß sind die globalen Süßwasserressourcen, und wie nutzt sie der Mensch?
(2008)
Ohne Wasser kein Leben – die ersten organischen Moleküle entwickelten sich im Wasser, aus Wasser plus Kohlenstoff und Stickstoff, und auch heute brauchen Pflanzen, Tiere und Menschen viel Wasser, um zu überleben. Die Erde ist der einzige Planet mit flüssigem Wasser und der einzige Planet, auf dem es Leben gibt, zumindest in unserem Sonnensystem. Zwei Umstände bewirken gemeinsam, dass nur die Erde die richtige Temperatur für flüssiges Wasser an ihrer Oberfl äche hat: ihr Abstand zur Sonne und ihre Masse. Aufgrund ihrer ausreichend großen Masse kann sie eine Atmosphäre halten, die die mittlere Oberflächentemperatur von –18 °C auf +15 °C erhöht. Nur daher konnte sich im Frühstadium der Erdentstehung das Wasser, das in großen Mengen aus dem Erdinnern ausgaste, an der Oberfläche als flüssiges Wasser in den Ozeanen sammeln.
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.
The present work was devised to address the systematic analysis of samples from a range of Roman non-ferrous metal artefacts from different archaeological contexts and sites in the Roman provinces of Germania Superior. One of the focal points of this study is the provenancing of different lead objects from five important Roman settlements between 15 BC and the beginning of fourth century AD. For this purpose, measurements were made on lead and copper ore samples from the Siegerland, Eifel, Hunsrück and Lahn-Dill area in Germany and supplemented with data from the literature to create a data bank of lead isotope ratios of European deposits. Compositional analysis of lead objects by Electron Microprobe analysis showed that Romans were able to purify lead from ore up to 99%. Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass-Spectrometry was used to determine the source of lead, which played an important role in nearly all aspects of Roman life. Lead isotope ratios were measured for ore samples from German deposits from the eastern side of the Rhine (Siegerland, Lahn-Dill, Ems) and the western side of the Rhine (Eifel, Hunsrück), which contained enough ore reserves to answer the increasing local demand and are believed to have been mined during the Roman period. This data together with those from Mediterranean ore deposits from the literature was used to establish a data bank. The Mediterranean ore deposits range from Cambrian (high 207Pb/206Pb) to tertiary (lower 207Pb/206Pb) values. In particular, the Cypriot deposits are younger, while the Spanish deposits fall either with the younger Sardic ores or close to the older Cypriot ores. The lead isotope ratios of most German ore deposits fall in between the 208Pb/206Pb vs. 207Pb/206Pb ratios of Sardinia and Cyprus, where the lead isotope signature of ore deposits from France and Britain are also found. Over 240 lead objects were measured from Wallendorf (second century BC to first century AD) Dangstetten (15-8 BC), Waldgirmes (AD 1-10), Mainz (AD 1-300), Martberg (first to fourth centuries AD) & Trier (third to fourth centuries AD). Comparing the lead isotope ratios of lead objects and those from German ores shows that the source of over 85 percent of objects are Eifel ore deposits, but the Roman’s had also imported lead from the Southern Massif Central and from Great Britain. A further topic of this work was the systematic study of the variation of copper isotope ratios in different copper minerals and the mechanisms, which controls copper isotope fractionation in ores deposits. For this purpose, copper isotope analyses were made by Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass-Spectrometry from a series of hydrothermal copper sulphides and their alteration products. Copper and lead isotope ratios were measured in coexisting phases of chalcopyrite and malachite and also coexisting malachite and azurite. No significant fractionation was observed in malachite-azurite phases, but in chalcopyrite-malachite coexisting phases, malachite always shows a positive fractionation to heavier isotope values. Zhu et al. and Larson et al. showed that isotopic variations in copper principally reflect mass fractionation in response to low temperature processes rather than source heterogeneity. The low temperature ore formation processes are mostly represented by weathering of primary sulphide ores to produce secondary carbonate phases and therefore are usually observed on the surface of ore deposits, which were probably removed during the early Bronze Age. Using this concept, copper isotope ratios were measured in some Early Bronze Age copper alloys and Roman copper alloys. However, no large copper isotope fractionation has been observed. Lead and copper isotope ratios were measured on samples from the Kupferschiefer. Two profiles were investigated; 1) Sangerhausen, which was not directly influenced by the oxidizing brines of Rote Fäule and 2) Oberkatz, where both Rote Fäule-controlled and structure-controlled mineralization were observed. Results from maturation studies of organic matter suggest the maximum temperature affecting the Kupferschiefer did not exceed 130°C. delta-65-Cu ranges between -0.78-+0.58‰, shows a positive correlation with copper concentration. Maximum temperature in the Kupferschiefer profile from Oberkatz is supposed to be around 150°C. delta-65Cu in this profile ranges between -0.71-+0.68‰. The pattern of copper isotope fractionation and copper concentration is same as the for profile of Sangerhausen. Origina lead isotope ratios are strongly overprinted by high concentrations of uranium in bottom of both profiles causing more radiogenic lead.
During a 4-week run in October–November 2006, a pilot experiment was performed at the CERN Proton Synchrotron in preparation for the CLOUD1 experiment, whose aim is to study the possible influence of cosmic rays on clouds. The purpose of the pilot experiment was firstly to carry out exploratory measurements of the effect of ionising particle radiation on aerosol formation from trace H2SO4 vapour and secondly to provide technical input for the CLOUD design. A total of 44 nucleation bursts were produced and recorded, with formation rates of particles above the 3 nm detection threshold of between 0.1 and 100 cm−3s−1, and growth rates between 2 and 37 nm h−1. The corresponding H2SO4 concentrations were typically around 106 cm−3 or less. The experimentally-measured formation rates and H2SO4 concentrations are comparable to those found in the atmosphere, supporting the idea that sulphuric acid is involved in the nucleation of atmospheric aerosols. However, sulphuric acid alone is not able to explain the observed rapid growth rates, which suggests the presence of additional trace vapours in the aerosol chamber, whose identity is unknown. By analysing the charged fraction, a few of the aerosol bursts appear to have a contribution from ion-induced nucleation and ion-ion recombination to form neutral clusters. Some indications were also found for the accelerator beam timing and intensity to influence the aerosol particle formation rate at the highest experimental SO2 concentrations of 6 ppb, although none was found at lower concentrations. Overall, the exploratory measurements provide suggestive evidence for ion-induced nucleation or ion-ion recombination as sources of aerosol particles. However in order to quantify the conditions under which ion processes become significant, improvements are needed in controlling the experimental variables and in the reproducibility of the experiments. Finally, concerning technical aspects, the most important lessons for the CLOUD design include the stringent requirement of internal cleanliness of the aerosol chamber, as well as maintenance of extremely stable temperatures (variations below 0.1°C).
During a 4-week run in October–November 2006, a pilot experiment was performed at the CERN Proton Synchrotron in preparation for the Cosmics Leaving OUtdoor Droplets (CLOUD) experiment, whose aim is to study the possible influence of cosmic rays on clouds. The purpose of the pilot experiment was firstly to carry out exploratory measurements of the effect of ionising particle radiation on aerosol formation from trace H2SO4 vapour and secondly to provide technical input for the CLOUD design. A total of 44 nucleation bursts were produced and recorded, with formation rates of particles above the 3 nm detection threshold of between 0.1 and 100 cm -3 s -1, and growth rates between 2 and 37 nm h -1. The corresponding H2O concentrations were typically around 106 cm -3 or less. The experimentally-measured formation rates and htwosofour concentrations are comparable to those found in the atmosphere, supporting the idea that sulphuric acid is involved in the nucleation of atmospheric aerosols. However, sulphuric acid alone is not able to explain the observed rapid growth rates, which suggests the presence of additional trace vapours in the aerosol chamber, whose identity is unknown. By analysing the charged fraction, a few of the aerosol bursts appear to have a contribution from ion-induced nucleation and ion-ion recombination to form neutral clusters. Some indications were also found for the accelerator beam timing and intensity to influence the aerosol particle formation rate at the highest experimental SO2 concentrations of 6 ppb, although none was found at lower concentrations. Overall, the exploratory measurements provide suggestive evidence for ion-induced nucleation or ion-ion recombination as sources of aerosol particles. However in order to quantify the conditions under which ion processes become significant, improvements are needed in controlling the experimental variables and in the reproducibility of the experiments. Finally, concerning technical aspects, the most important lessons for the CLOUD design include the stringent requirement of internal cleanliness of the aerosol chamber, as well as maintenance of extremely stable temperatures (variations below 0.1 °C)
A hygroscopicity tandem differential mobility analyzer (HTDMA) was used to measure the water uptake (hygroscopicity) of secondary organic aerosol (SOA) formed during the chemical and photochemical oxidation of several organic precursors in a smog chamber. Electron ionization mass spectra of the non-refractory submicron aerosol were simultaneously determined with an aerosol mass spectrometer (AMS), and correlations between the two different signals were investigated. SOA hygroscopicity was found to strongly correlate with the relative abundance of the ion signal m/z 44 expressed as a fraction of total organic signal (f44). m/z 44 is due mostly to the ion fragment CO2+ for all types of SOA systems studied, and has been previously shown to strongly correlate with organic O/C for ambient and chamber OA. The analysis was also performed on ambient OA from two field experiments at the remote site Jungfraujoch, and the megacity Mexico City, where similar results were found. A simple empirical linear relation between the hygroscopicity of OA at subsaturated RH, as given by the hygroscopic growth factor (GF) or "ϰorg" parameter, and f44 was determined and is given by ϰorg = 2.2 × f44 − 0.13. This approximation can be further verified and refined as the database for AMS and HTDMA measurements is constantly being expanded around the world. The use of this approximation could introduce an important simplification in the parameterization of hygroscopicity of OA in atmospheric models, since f44 is correlated with the photochemical age of an air mass.
A hygroscopicity tandem differential mobility analyzer (HTDMA) was used to measure the water uptake (hygroscopicity) of secondary organic aerosol (SOA) formed during the chemical and photochemical oxidation of several organic precursors in a smog chamber. Electron ionization mass spectra of the non-refractory submicron aerosol were simultaneously determined with an aerosol mass spectrometer (AMS), and correlations between the two different signals were investigated. SOA hygroscopicity was found to strongly correlate with the relative abundance of the ion signal m/z 44 expressed as a fraction of total organic signal (f44). m/z 44 is due mostly to the ion fragment CO2+ for all types of SOA systems studied, and has been previously shown to strongly correlate with organic O/C for ambient and chamber OA. The analysis was also performed on ambient OA from two field experiments at the remote site Jungfraujoch, and the megacity Mexico City, where similar results were found. A simple empirical linear relation between the hygroscopicity of OA at subsaturated RH, as given by the hygroscopic growth factor (GF) or "κorg" parameter, and f44 was determined and is given by κorg=2.2×f44−0.13. This approximation can be further verified and refined as the database for AMS and HTDMA measurements is constantly being expanded around the world. The use of this approximation could introduce an important simplification in the parameterization of hygroscopicity of OA in atmospheric models, since f44 is correlated with the photochemical age of an air mass.
Sur les îles du Grand Océan
(1832)