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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.
Wolken haben einen maßgeblichen Einfluss auf den Wasserhaushalt der Erde, das Wettergeschehen und das Klima. Sie wissenschaftlich zu beschreiben, ist schwierig – und das erschwert die Niederschlagsvorhersage ebenso wie die Klimamodellierung. Wichtig für die Entstehung von Regen in unseren Breiten sind Eispartikel. Sie machen einen großen Teil der Wolken aus. Doch wie bilden sie sich, und warum sind sie für viele physikalische Prozesse in den Wolken unentbehrlich? Und schließlich: Wirkt sich menschliches Handeln auf die Wolken aus?
Staubwolken sind im Universum die Geburtsstätten neuer Sterne. Dort wiederholen sich Prozesse, die vor 4,56 Milliarden Jahren auch zur Entstehung unseres Sonnensystems geführt haben. Noch heute gibt es Zeugen aus dieser Zeit: Kometenstaub, Sternenstaub und interstellarer Staub. Die »Stardust-Mission« hat sie eingefangen, und Frankfurter Geowissenschaftler haben darin – dank modernster Labor-Analytik – erstaunliche Funde gemacht.
The Match method for the quantification of polar chemical ozone loss is investigated mainly with respect to the impact of the transport of air masses across the vortex edge. For the winter 2002/03, we show that significant transport across the vortex edge occurred and was simulated by the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere. In-situ observations of inert tracers and ozone from HAGAR on the Geophysica aircraft and balloon-borne sondes, and remote observations from MIPAS on the ENVISAT satellite were reproduced well by CLaMS. The model even reproduced a small vortex remnant that remained a distinct feature until June 2003 and was also observed in-situ by a balloon-borne whole air sampler. We use this CLaMS simulation to quantify the impact of transport across the vortex edge on ozone loss estimates from the Match method. We show that a time integration of the determined vortex average ozone loss rates, as performed in Match, results in a larger ozone loss than the polar vortex average ozone loss in CLaMS. The determination of the Match ozone loss rates is also influenced by the transport of air across the vortex edge. We use the model to investigate how the sampling of the ozone sondes on which Match is based represents the vortex average ozone loss rate. Both the time integration of ozone loss and the determination of ozone loss rates for Match are evaluated using the winter 2002/2003 CLaMS simulation. These impacts can explain the majority of the differences between CLaMS and Match column ozone loss. While the investigated effects somewhat reduce the apparent discrepancy in January ozone loss rates reported earlier, a distinct discrepancy between simulations and Match remains. However, its contribution to the accumulated ozone loss over the winter is not large.
The total stratospheric organic chlorine and bromine burden was derived from balloon-borne measurements in the tropics (Teresina, Brazil, 5°04´ S, 42°52´ W) in 2005. Whole air samples were collected cryogenically at altitudes between 15 and 34 km. For the first time, we report measurements of a set of 28 chlorinated and brominated substances in the tropical upper troposphere and stratosphere including ten substances with an atmospheric lifetime of less than half a year. The substances were quantified using pre-concentration techniques followed by Gas Chromatography with Mass Spectrometric detection. In the tropical tropopause layer at altitudes between 15 and 17 km we found 1.1–1.4% of the chlorine and 6–8% of the bromine to be present in the form of very short-lived organic compounds. By combining the data with tropospheric reference data and age of air observations the abundances of inorganic chlorine and bromine (Cly and Bry) were derived. At an altitude of 34 km we calculated 3062 ppt of Cly and 17.5 ppt of Bry from the decomposition of both long- and short-lived organic source gases. Furthermore we present indications for the presence of additional organic brominated substances in the tropical upper troposphere and stratosphere.
During the second part of the TROCCINOX campaign that took place in Brazil in early 2005, chemical species were measured on-board the high-altitude research aircraft Geophysica (ozone, water vapor, NO, NOy, CH4 and CO) in the altitude range up to 20 km (or up to 450 K potential temperature), i.e. spanning the entire TTL region roughly extending between 350 and 420 K. Here, analysis of transport across the TTL is performed using a new version of the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS). In this new version, the stratospheric model has been extended to the earth surface. Above the tropopause, the isentropic and cross-isentropic advection in CLaMS is driven by meteorological analysis winds and heating/cooling rates derived from a radiation calculation. Below the tropopause, the model smoothly transforms from the isentropic to the hybrid-pressure coordinate and, in this way, takes into account the effect of large-scale convective transport as implemented in the vertical wind of the meteorological analysis. As in previous CLaMS simulations, the irreversible transport, i.e. mixing, is controlled by the local horizontal strain and vertical shear rates. Stratospheric and tropospheric signatures in the TTL can be seen both in the observations and in the model. The composition of air above ≈350 K is mainly controlled by mixing on a time scale of weeks or even months. Based on CLaMS transport studies where mixing can be completely switched off, we deduce that vertical mixing, mainly driven by the vertical shear in the tropical flanks of the subtropical jets and, to some extent, in the the outflow regions of the large-scale convection, offers an explanation for the upward transport of trace species from the main convective outflow at around 350 K up to the tropical tropopause around 380 K.
The ENVISAT validation programme for the atmospheric instruments MIPAS, SCIAMACHY and GOMOS is based on a number of balloon-borne, aircraft, satellite and ground-based correlative measurements. In particular the activities of validation scientists were coordinated by ESA within the ENVISAT Stratospheric Aircraft and Balloon Campaign or ESABC. As part of a series of similar papers on other species [this issue] and in parallel to the contribution of the individual validation teams, the present paper provides a synthesis of comparisons performed between MIPAS CH4 and N2O profiles produced by the current ESA operational software (Instrument Processing Facility version 4.61 or IPF v4.61, full resolution MIPAS data covering the period 9 July 2002 to 26 March 2004) and correlative measurements obtained from balloon and aircraft experiments as well as from satellite sensors or from ground-based instruments. In the middle stratosphere, no significant bias is observed between MIPAS and correlative measurements, and MIPAS is providing a very consistent and global picture of the distribution of CH4 and N2O in this region. In average, the MIPAS CH4 values show a small positive bias in the lower stratosphere of about 5%. A similar situation is observed for N2O with a positive bias of 4%. In the lower stratosphere/upper troposphere (UT/LS) the individual used MIPAS data version 4.61 still exhibits some unphysical oscillations in individual CH4 and N2O profiles caused by the processing algorithm (with almost no regularization). Taking these problems into account, the MIPAS CH4 and N2O profiles are behaving as expected from the internal error estimation of IPF v4.61 and the estimated errors of the correlative measurements.
Northern Chile, which includes the extremely arid Atacama Desert and the semiarid Andean Highlands, has more than 100 basins with interior drainage; most contain salars (salt-ilncrusted playas). The area of interior drainage totals more than 38,000 square miles, within which salara and clay playas extend over a total area of about 2,800 square miles. In addition, hills and valleys in the Atacama Desert are extensively covered either with a thin hard saline crust, chiefly salt-cemented soil, or with a powdery soil that has a high content of saline material, chiefly anhydrite and gypsum. The region has an exceptional variety of types of hard saline crusts that are generally rare in other deserts, and many morphological and structural salt features, some of which may be unique. Soft saline crusts and clay playas, more characteristic of arid regions elsewhere, are also present. Hard salar crusts have formed by deposition of saline material in open water or by capillary migration and evaporation of near-surface ground water. Such crusts generally range from a few inches to several feet in thickness. Locally, crusts may attain thicknesses of several tens of feet, and one salar, Salar Grande, is a basin filled with high. purity rock salt to a local depth of at least 560 feet. Six general types of hard salar crusts are distinguished: (1) layered massive rock salt with a rugged surface, (2) slabby or nodular silty rock salt, (3) rugged gypsum or anhydrite, (4) massive coarsely crystalline rock salt, (5) smooth rock salt, and (6) silty nitrate-bearing saline crust. Soft surfaces or crusts include moist gypsum-bearing crusts, which commonly contain nodules and layers of ulexite in Andean salars, and moist to dry puffy soils and crusts that contain gypsum, thenardite and mirabilite as the principal saline constituents. An unusual chemical feature of the salars and the desert soils of northern Chile is the general paucity of carbonate minerals (for example, trona, calcite, and aragonite) which are widespread in other desert regions. Among the many morphological and structural features that can be recognized in and near salars of northern Chile, the most unusual occur in hard rock-salt crusts, which in themselves are scarce in other arid regions. Included are features due to corrosion of rock-salt crusts by windblown water or free-flowing surface water, such as: (1) salt cusps and crenulate margins of salars, (2) salt channels, (3) salt pseudobarchans, and (4) salt tubes. Constructional features in the salars include: (1) gypsum buttresses at borders of saline ponds, (2) salt veins, (3) salt stalactites, and (4) salt cones. In some salars, new fresh-water springs have formed steep-walled brine pools in thick rock-salt crusts. Prominent salt cascades and constructional salt terraces have been built up in one Andean valley by springs that are fed by brine from a nearby salar (Salar de Pedernales). Sag basins and prominent scarps occur along faults that cut through the salt mass of Salar Grande. Of, the 67 closed basins in the Andean Highlands of northern Chile, at least 35 show shorelines or deltas of former perennial lakes. Today only flve perennial lakes occur in this area. The former lakes probably formed at one or more times during the Pleistocene and perhaps continued to form into Holocene time. They indicate a climate that was either more rainy or cooler, or both, during the time of their formation. However, the absence of glacial features throughout most of the northern Chilean Andes indicates that the climate during the Pleistocene glacial stages was not greatly different from today's climate. It is estimated that perennial lakes would form in nearly all thil Andean basins if the mean annual rainfall of the region above 10,000 feet in altitude were increased to 15 inches from its present 8 inches, and if the mean annual temperature were about 2° F. less than it is at present.
Aus mehreren Datenquellen wurde ein neuer globaler Niederschlagsdatensatz für die Zeit 1951-2000 generiert, der unter der Bedingung einer Mindestverfügbarkeit von 90 % genau 9.343 Stationen umfasst. Die betreffenden Zeitreihen wurden einer umfassenden Qualitätskontrolle unterzogen, was zu äußerst zahlreichen Korrekturen führte, einschließlich Tests auf Ausreißer und Homogenität sowie Homogenisierung. Daraus entstand ein Gitterpunktdatensatz in 0,5° x 0,5°- Auflösung, was für die Landgebiete (ausgenommen Grönland und Antarktis) rund 71.000 Gitterpunkte ergibt, und über INTERNET frei verfügbar bereitgestellt. Davon ausgehend und unter Nutzung weiterer vorliegender Datensätze, insbesondere der Temperatur, wurden zunächst einige grundlegende Untersuchungen zur globalen und regionalen Klima- und Niederschlagsvariabilität durchgeführt. Diese Arbeiten umfassten Analysen der Veränderungen des global gemittelten Niederschlages und potentieller Einflussgrößen, die Neuberechnung der globalen Klimaklassifikation nach Köppen, Untersuchungen zur raumzeitlichen Struktur von Niederschlagsänderungen global sowie speziell in Afrika und schließlich Analysen der raumzeitlichen Beziehungen zwischen großräumiger atmosphärischer Zirkulation und Niederschlag im nordatlantisch-europäischen Bereich. Für weitergehende statistische Analysen wurde eine neue Methode der vollständigen Zeitreihenmodellierung entwickelt, um die die in diesen Reihen enthaltenen signifikanten Variationskomponenten durch Regressionstechniken zu erfassen und in ihrem raumzeitlichen Verhalten darzustellen. Dabei lag ein Schwerpunkt dieser Arbeiten auf der Extremwertanalyse, die es nun gestattet, unabhängig vom Verteilungstyp für beliebige Schwellenwerte den zeitlichen Verlauf der Unter- sowie Überschreitungswahrscheinlichkeit anzugeben und somit zu erkennen, inwieweit das Klima extremer geworden ist. Dabei zeigte sich je nach Region die Gumbel- oder die Weibull-Verteilung als geeignet. Regionale Schwerpunkte waren dabei u.a. Deutschland bzw. Europa, auch hinsichtlich der Erstellung neuer Klimatrendkarten nach der üblichen linearen Methode (der kleinsten Quadrate) sowie der innovativen. Weiterhin wurden nach der innovativen Methode Klimamodelldaten des Hamburger Max-Planck-Instituts für Meteorologie (IPCC Szenario A2) hinsichtlich des Niederschlag-Extremverhaltens in Europa untersucht. Schließlich erfolgte eine Abschätzung der Wiederkehrzeiten täglicher Extremniederschläge in Deutschland und deren Unsicherheit.
In Ergänzung zu einem vorangegangenen Projekt (Schönwiese et al., 2005) ist in der vorliegenden Studie eine weitere extremwertstatistische Untersuchung durchgeführt worden. Dazu wurden auf der Basis von täglichen Klimadaten aus Hessen und Umgebung (49°N bis 52°N, 7°O bis 11°O), und zwar der Temperatur von 53 Stationen und des Niederschlages von 84 Stationen, Schwellen extremer Werte definiert, um die Anzahl der Über- bzw. Unterschreitungen dieser Schwellen auf signifikante Trends hin zu untersuchen. Bei der Temperatur findet sich dabei eine systematische Zunahme von Hitzetagen (Maximumtemperatur über 30 °C) im August, wohingegen im Juli fast keine, und im Juni nur vereinzelt signifikante Zunahmen von Hitzetagen gefunden wurden. Hierbei zeigt sich, wie auch bei anderen Temperatur-Schwellen eine Abnahme der Signifikanz mit zunehmender Schwellenhöhe, was durch selteneres Auftreten besonders extremer Ereignisse verursacht wird. Im Winter und Frühjahr hat entsprechend die Anzahl der Frost- bzw. Eistage (Minimum- bzw. Maximumtemperatur unter 0 °C) signifikant abgenommen. Besonders ausgeprägt ist dies für die Frosttage im Frühling der Fall. Beim Niederschlag hat im Sommer, wiederum vor allem im August, die Anzahl von Trockentagen zugenommen. Extrem hohe Niederschlagssummen sind dagegen in dieser Jahreszeit seltener geworden, in den anderen Jahreszeiten jedoch häufiger. Vor allem der März zeichnet sich durch verbreitet hochsignifikante Zunahmen von Tagen mit Starkniederschlägen aus. Die Erhaltungsneigung von besonders warmen bzw. kalten Witterungen hat sich in den meisten Monaten nicht signifikant verändert. Es ist jedoch eine Neigung zu kürzeren relativ einheitlichen Witterungsabschnitten im Februar und März, sowie zu längeren im Oktober und November zu beobachten. Diese Ergebnisse sind jedoch vermutlich nicht sehr robust, da sich bei einer Verkürzung des Zeitfensters der Autokorrelationsfunktion die Signifikanzen teilweise (vor allem im April) deutlich verändern. Bei den Trends der Zahl der Trockenperioden erkennt man im Sommer einen positiven Trend; sie nehmen somit zu. Dies gilt sowohl für die 7-tägigen als auch für die 11-tägigen Trockenperioden. Die übrigen Jahreszeiten zeigen bei den 7-tägigen Trockenperioden nur schwache oder negative Trends. Bei den 11-tägigen Trockenperioden gilt dies nur für das Frühjahr und den Herbst, im Winter sind die Trends im Norden überwiegend positiv, im Süden negativ. Betrachtet man die Länge der längsten Trockenperioden, so nimmt diese im Sommer zu, im Frühjahr und im Gesamtjahr jedoch ab. Im Herbst ist das Bild uneinheitlich; dies kann aber auch daran liegen, dass lange sommerliche Trockenperioden in den Herbst hineinreichen und dann dort gezählt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Analyse der Anzahl und Länge bestimmter Witterungsabschnitte (Clusteranalyse), die durch relativ hohe oder tiefe Temperatur bzw. relativ wenig bzw. viel Niederschlag definiert sind. So können beispielsweise Tage mit weniger als 1 mm Niederschlag als Trockencluster bezeichnet werden. Dabei erkennt man im Sommer einen Trend zu mehr Trockenclustern,in Übereinstimmung mit den oben genannten Ergebnissen, in den übrigen Jahreszeiten und im Gesamtjahr jedoch einen Trend zu weniger Trockenclustern. Innerhalb des Sommers ist dieser Trend im August am stärksten, in den übrigen Jahreszeiten im März, Oktober und Dezember. Bei den Clustern von Feuchteereignissen, das heißt Tagen mit relativ viel Niederschlag, ist das Bild umgekehrt. Im Sommer nimmt deren Zahl ab, ansonsten nimmt sie zu. Die stärksten Trends sind dabei wiederum im August (Abnahme) bzw. im März, Oktober und Dezember (jeweils Zunahme) zu erkennen. Alle diese Trends werden im der Regel umso schwächer, je höher die Schranke der Niederschlagsmenge gewählt wird. Bei den Temperaturdaten sind die Trends von Frost- und Eistagen nur im November überwiegend positiv, in allen Wintermonaten (Dezember, Januar und Februar) jedoch fast ausschließlich negativ. Darin spiegelt sich somit der Trend zu höheren Temperaturen wider. Bei den Wärmeclustern ändern sich die Trends mit der Höhe der Schranke. Bei der Schranke von 25°C zeigen der Juli, insbesondere aber der August positive Trends. Bei der 30°C-Schranke bleibt der Augusttrend positiv, der Julitrend wird dagegen negativ. Bei der Schranke von 35°C werden die Augusttrends dann deutlich geringer, während die Julitrends, wenn auch schwächer ausgeprägt, negativ bleiben. Die Trends im Juni sind dagegen insgesamt schwach. Betrachtet man die Signifikanz der Trends, so sind insbesondere die Trends bei hohen Schranken weniger signifikant. Dies gilt für die hohen Niederschlagschranken (20mm, 30mm, 95%-Perzentil, 99%-Perzentil) ebenso wie für die hohen Temperaturschranken (30°C, 35°C). Weiterhin ist die Signifikanz dann niedrig, wenn die Zahl der Cluster im betrachteten Zeitraum klein ist. In Monaten und Jahreszeiten, in denen nur wenige Cluster auftreten, ist der Trend der Zahl der Cluster meist nicht signifikant. Insgesamt zeigen beim Niederschlag die untere Schranke von 1mm sowie die oberen Schranken von 10mm und 90% die signifikantesten Trends. Bei den Temperaturdaten ist das bei den Frosttagen generell, bei den Eistagen im Januar und Februar sowie bei den sommerlichen Clustern mit einer Tagesmaximumtemperatur von über 25°C der Fall (mit zum Teil über 95% bzw. 99% Signifikanz).
Vorwort: Klima ist vor allem deswegen nicht nur von wissenschaftlichem, sondern auch von öffentlichem Interesse, weil es veränderlich ist und weil solche Änderungen gravierende ökologische sowie sozioökonomische Folgen haben können. Im Detail weisen Klimaänderungen allerdings komplizierte zeitliche und räumliche Strukturen auf, deren Erfassung und Interpretation alles andere als einfach ist. Bei den zeitlichen Strukturen stehen mit Recht vor allem relativ langfristige Trends sowie Extremereignisse im Blickpunkt, erstere, weil sie den systematischen Klimawandel zum Ausdruck bringen und letztere wegen ihrer besonders brisanten Auswirkungen. Mit beiden Aspekten hat sich unsere Arbeitsgruppe immer wieder eingehend befasst. Hinsichtlich der Extremereignisse bzw. Extremwertstatistik sei beispielsweise auf die Institutsberichte Nr. 1, 2 und 5 sowie die dort angegebene Literatur hingewiesen. Hier geht es wieder einmal um Klimatrends und dabei ganz besonders um die räumlichen Trendstrukturen. Der relativ langfristige und somit systematische Klimawandel läuft nämlich regional sehr unterschiedlich ab, was am besten in Trendkarten zum Ausdruck kommt. Solche regionalen, zum Teil sehr kleinräumigen Besonderheiten sind insbesondere beim Niederschlag sehr ausgeprägt. Zudem sind die räumlichen Trendstrukturen auch jahreszeitlich/monatlich sehr unterschiedlich. In unserer Arbeitsgruppe hat sich Herr Dr. Jörg Rapp im Rahmen seiner Diplom- und insbesondere Doktorarbeit intensiv mit diesem Problem beschäftigt, was zur Publikation des „Atlas der Niederschlags- und Temperaturtrends in Deutschland 1891-1990“ (Rapp und Schönwiese, 2. Aufl. 1996) sowie des „Climate Trend Atlas of Europe – Based on Observations 1891-1990“ (Schönwiese und Rapp, 1997) geführt hat. Die große Beachtung dieser Arbeiten ließ es schon lange als notwendig erscheinen, eine Aktualisierung vorzunehmen. Dies ist zunächst für den Klima-Trendatlas Deutschland geschehen, der nun für das Zeitintervall 1901-2000 vorliegt (Institutsbericht Nr. 4, 2005). Hier wird nun auch eine entsprechende Aktualisierung für Europa vorgelegt, und zwar auf der Grundlage der Berechnungen, die Reinhard Janoschitz in seiner Diplomarbeit durchgeführt hat. Dabei besteht eine enge Querverbindung zum Projekt VASClimO (Variability Analysis of Surface Climate Observations), das dankenswerterweise vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen von DEKLIM (Deutsches Klimaforschungsprogramm) gefördert worden ist (siehe Institutsbericht Nr. 6, in den vorab schon einige wenige Europa-Klima-Trendkarten einbezogen worden sind). Mit der Publikation des hier vorliegenden „Klima-Trendatlas Europa 1901-2000“ werden in insgesamt 261 Karten (davon 17 Karten in Farbdarstellung in den Text integriert) wieder umfangreiche Informationen zum Klimawandel in Europa vorgelegt. Sie beruhen vorwiegend auf linearen Trendanalysen hinsichtlich der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlags für die Zeit 1901-2000 sowie für die Subintervalle 1951-2000, 1961-1990 und 1971-2000, jeweils aufgrund der jährlichen, jahreszeitlichen und monatlichen Beobachtungsdaten. Die Signifikanz der Trends ist im (schwarz/weiß wiedergegebenen) Kartenteil durch Rasterung markiert. Da sich die Analyse eng an die oben zitierte Arbeit von Schönwiese und Rapp (1997) anlehnt, wo ausführliche textliche Erläuterungen zu finden sind (ebenso in Rapp, 2000) wurde hier der Textteil sehr knapp gehalten.
In dieser Studie wurden stationsbezogene Messdaten der bodennahen Lufttemperatur, des Niederschlages und des Windes in Deutschland und zum Teil auch in Mitteleuropa für den Zeitraum 1901 bzw. 1951 bis 2000 im Hinblick auf Änderungen ihres Extremverhaltens untersucht. Hierfür wurde ein bimethodischer Ansatz gewählt. Die als Methode I bezeichnete "zeitlich gleitende Extremwertanalyse" definiert für den betrachteten (gleitenden) Zeitraum feste Schwellen. An die Zeitreihen der Schwellenüber- bzw. Unterschreitungen wurden sowohl empirische, als auch theoretische Häufigkeitsverteilungen angepasst, aus denen extremwert-theoretische Größen wie Wartezeitverteilung, Wiederkehrzeit und Risiko abgeleitet wurden. Die Methode II der "strukturorientierten Zeitreihenzerlegung" sucht, basierend auf einer zugrundegelegten theoretischen Verteilung, nach zeitabhängigen Parametern der zugehörigen Wahrscheinlichkeitsdichte. Hierdurch lassen sich zeitabhängige Wahrscheinlichkeiten für das Über- bzw. Unterschreiten von Schwellen angeben. Die gleitende Analyse zeigt bei Niederschlagsmonatsdaten in ganz Deutschland für untere Schranken einen Trend zu seltenerem Auftreten von Extremereignissen. Bei oberen Schranken ist hingegen im Osten einen Trend zu seltenerem, im Westen einen Trend zu häufigerem Auftreten von Extremereignissen zu erkennen. Im Osten ergibt sich also insgesamt ein Trend zu weniger extremen Monatsniederschlagssummen, im Westen ein Trend zu höheren onatsniederschlagssummen. Bei den Niederschlagstagesdaten, bei denen nur die Untersuchung oberer Schranken sinnvoll ist, sind die Ergebnistrends denen der Niederschlagsmonatsdaten in ihrer regionalen Verteilung ähnlich. Allerdings sind die Trends hier schrankenabhängig. Insbesondere in Norddeutschland ergibt sich dabei für relativ niedrige Schranken ein Trend zu kleineren Überschreitungshäufigkeiten, für hohe Schranken hingegen ein Trend zu größeren Überschreitungshäufigkeiten. Damit ergibt sich insgesamt ein Trend zu extremeren Tagesniederschlägen. Bei den Temperaturdaten zeigen die Ergebnisse der gleitenden Analyse der Monatsdaten mit wenigen Ausnahmen ein selteneres Unterschreiten unterer Schranken (also: Kälteereignis). Dieses Verhalten ist bei den Temperaturtagesdaten sogar flächendeckend zu beobachten. Für obere Schranken (also: Hitzeereignis) ergibt sich im allgemeinen ein Trend zu häufigerem Auftreten von Extremereignissen. Allerdings ist dieser Trend nicht flächendeckend zu beobachten. Vielmehr gibt es in allen Regionen Deutschlands einzelne Stationen, bei denen ein Trend zu seltenerem Überschreiten oberer Schranken festzustellen ist. Bei der "strukturorientierten Zeitreihenzerlegung" wurden folgende Ergebnisse erzielt: Die Wahrscheinlichkeitsdichten der monatlichen und saisonalen Temperatur-Daten weisen überwiegend positive Trends im Mittelwert auf, die Streuung hat sich hier nur in Ausnahmefällen verändert. Dies führte zu teilweise deutlich gestiegenen Wahrscheinlichkeiten für besonders warme Monats- und saisonale Mittel im 20. Jh. (Ausnahme: Herbst im Datensatz 1951 bis 2000). Entsprechend sanken in diesem Zeitraum verbreitet die Wahrscheinlichkeiten für extrem kalte Monats- und saisonale Mittel. Ebenso stiegen dieWahrscheinlichkeiten für Häufigkeiten von besonders warmen Tagen (über dem 10%-Perzentil) ab 1951 in allen Jahreszeiten, besonders im Winter für die Tagesmaximum-Temperaturen. Dies korrespondiert mit einer beschleunigten Häufigkeits-Abnahme von besonders kalten Tagen in allen Jahreszeiten, besonders in Süddeutschland. Beim Niederschlag dominieren ausgeprägt jahreszeitliche Unterschiede: Im Winter findet sich sowohl ein Trend zu höheren Monats- und saisonalen Summen, als auch eine erhöhte Variabilität, was verbreitet zu einer deutlichen Zunahme von extrem hohen Niederschlagssummen in dieser Jahreszeit führt. Im Sommer hingegen wurde ein Trend zu einer verringerten Variabilität gefunden, wodurch auch extrem hohe monatliche und saisonale Niederschlagssummen in weiten Teilen Mitteleuropas in dieser Jahreszeit seltener geworden sind. Entsprechend haben Tage mit hohen (über dem 10%-Perzentil) und auch extrem hohen (über dem 5%- und 2%-Perzentil) Niederschlagssummen im Sommer verbreitet abgenommen, in den anderen Jahreszeiten (vor allem im Winter und in Westdeutschland) jedoch zugenommen. Beim Wind sind die Ergebnisse recht uneinheitlich, so dass hier eine allgemeine Charakterisierung schwer fällt. Tendenziell nehmen die Häufigkeiten extremer täglicher Windmaxima im Winter zu und im Sommer ab. Dies gilt jedoch nicht für küstennahe Stationen, wo auch im Winter oft negative Trends extremer Tagesmaxima beobachtet wurden - In Süddeutschland hingegen finden sich auch im Sommer positive Trends in den Häufigkeiten extrem starker Tagesmaxima. Jedoch sind die untersuchten Daten (Windmaxima über Beaufort 8 und mittlere monatliche Windgeschwindigkeiten) wahrscheinlich mit großen Messfehlern behaftet und zudem für die hier durchgeführten Analysen nur bedingt geeignet. Es hat sich somit gezeigt, dass das Extremverhalten von Klimaelementen, wie Temperatur und Niederschlag, im 20. Jhr. sehr starken Änderungen unterworfen war. Diese Änderungen im Extremen wiederum sind sehr stark von Änderungen des "mittleren" Zustandes dieser Klimaelemente abhängig, welcher durch statistische Charakteristika wie Mittelwert und Standardabweichung (bzw. allgemeiner Lage und Streuung) beschrieben werden kann.
Für eine möglichst vollständige analytische Beschreibung werden in der statistischen Klimatologie beobachtete Klimazeitreihen als Realisation eines stochastischen Prozesses, das heißt als eine Folge von Zufallsvariablen verstanden. Die Zeitreihe soll im wesentlichen durch eine analytische Funktion der Zeit beschrieben werden können und die Beobachtung nur durch Zufallseinflüsse von dieser Funktion abweichen. Diese analytische Funktion setzt sich aus der Summe zeitlich strukturierter Komponenten zusammen, welche aus klimatologischem Blickwinkel interpretierbar erscheinen. Es werden Funktionen zugelassen, die den Jahresgang, Trends, episodische Komponenten und deren Änderung beschreiben. Die Extremereignisse sind als eine besondere weitere Komponente in die Zeitreihenanalyse aufgenommen und als von Änderungen in den Parametern der Verteilung unabhängige, extreme Werte definiert. Die Zufallseinflüsse sollen zunächst als Realisierungen unabhängiger normalverteilter Zufallsvariablen mit dem Erwartungswert Null und im Zeitablauf konstanter Varianz interpretiert werden können. In diesem Fall beschreibt die analytische Funktion der Zeit, die Summe detektierter strukturierter Komponenten, den zeitlichen Verlauf des Mittels. Ein zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich beobachteter Wert kann dann als eine mögliche Realisation einer Zufallsvariablen interpretiert werden, die der Gaußverteilung mit dem Mittelwert µ(t) zur Zeit t und konstanter Varianz genügt. Da die zugrundeliegenden Annahmen, unter Verwendung klimatologisch interpretierbarer Basisfunktionen, in der Analyse von Klimazeitreihen, die nicht die Temperatur betreffen, zumeist nicht erfüllt sind, wird in eine Verallgemeinerung des Konzepts der Zeitreihenzerlegung in einen deterministischen und einen statistischen Anteil eingeführt. Zeitlich strukturierte Änderungen werden nun in verschiedenen Verteilungsparametern frei wählbarer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen gesucht. Die gängige Beschränkung auf die Schätzung einer zeitlich veränderlichen Lokation wird aufgehoben. Skalenschätzer sowie Schätzer fär den Formparameter spielen ebenso relevante Rollen fär die Beschreibung beobachteter Klimavariabilität. Die Klimazeitreihen werden wieder als Realisation eines Zufallprozesses verstanden, jedoch genügen die Zufallsvariablen nun einer frei wählbaren Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion. Die zeitlich strukturierten Änderungen in den Verteilungsparametern werden auf Basis der gesamten Zeitreihe für jeden Zeitpunkt geschätzt. Die aus der Analyse resultierende analytische Beschreibung in Form einer zeitabhängigen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ermöglicht weiterhin die Schätzung von Über- und Unterschreitungswahrscheinlichkeiten beliebig wählbarer Schwellenwerte für jeden Zeitpunkt des Beobachtungszeitraums. Diese Methode erlaubt insbesondere eine statistische Modellierung monatlicher Niederschlagsreihen durch die Zerlegung in einen deterministischen und einen statistischen Anteil. In dem speziellen Fall von 132 Reihen monatlicher Niederschlagssummen deutscher Stationen 1901-2000 gelingt eine vollständige analytische Beschreibung der Reihen durch ihre Interpretation als Realisation einer Gumbel-verteilten Zufallsvariablen mit variablem Lage- und Streuparameter. Auf Basis der gewonnenen analytischen Beschreibung der Reihen kann beispielsweise im Westen Deutschlands auf Verschiebungen der jährlichen Überschreitungsmaxima des 95%-Perzentils von den Sommer- in die Wintermonate geschlossen werden. Sie werden durch relativ starke Anstiege in der Überschreitungswahrscheinlichkeit (bis 10%) in den Wintermonaten und nur geringe Zunahmen oder aber Abnahmen in den Sommermonaten hervorgerufen. Dies geht mit einer Zunahme der Unterschreitungswahrscheinlichkeit in den Winter- und einer Abnahme in den Sommermonaten einher. Monte-Carlo-Simulationen zeigen, daß jahreszeitlich differenzierte Schätzungen von Änderungen im Erwartungswert, also gebräuchliche Trends, auf Basis der Kleinst-Quadrate-Methode systematischen Bias und hohe Varianz aufweisen. Eine Schätzung der Trends im Mittel auf Basis der statistischen Modellierung ist somit ebenso den Kleinst-Quadrate-Schätzern vorzuziehen. Hinsichtlich der Niederschlagsanalysen stellen jedoch aride Gebiete, mit sehr seltenen Niederschlägen zu bestimmten Jahreszeiten, die Grenze der Methode dar, denn zu diesen Zeitpunkten ist eine vertrauenswürdige Schätzung einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion nicht möglich. In solchen Fällen ist eine grundsätzlich andere Herangehensweise zur Modellierung der Reihen erforderlich.
In the Maizuru zone nearly whole the Triassic successions are developed. The Scythian to Aniso-Ladinian strata make a continuous sequence, in which are distinguished three faunizones, Neoschizous-"Bakevellia", Hollandites-"Danubites" and Monophyllites, corresponding to Scythian, lower Anisian and Aniso-Ladinian, respectively. Main portion of the Ladinian series is lacking in this region. The earliest Carnian or Ladino-Carnian Arakuran age is newly proposed founded on the palaeontological and stratigraphical studies on the Arakura formation. In the next Sakawan (not Carnian) Nabae group, two and probably one more, faunizones are recognizable, Palaeopharus-Lima yataensis, Tosapecten-Pseudolimea, and Pleuromya-Neoschizodus. The Sakawan age is classified into two subages better than the three formerly proposed by K. ICHIKAWA. The Norian sediments are probably represented by the Nakaiso conglomerate bed, although barren in fossil. The Rhaetic strata are not found at all like other regions in Japan. From the facies-analysis, the Palaeo-Maizuru Bay during the Scythian to Aniso-Ladinian epochs and the Palaeo-Maizuru Inland Sea during the Carnian epoch are assumed. Finally, the orogenic history of the Triassic period in this zone is briefly stated.
The Tanzawa mountainland consists of a pyroclastic complex chiefly of basic composition which is intruded by a large mass of quartz-diorite at the center. This complex, well-known as the Misaka series, is the products of largescale geosynclinal volcanisms which took place during the period from the latest Oligocene to the middle Miocene in age. As compared with other geologic units, the present complex is characterized by its unusually thick accumulation of pyroclastic rocks, and by the intense hydrothermal alteration of the rocks, furnishing us an excellent section of the so-called green tuff series in the southeastern region of the Fossa Magna. Also the development of the products of interesting metamorphism of the quartz-diorite to the surrounding pyroclastic rocks is a feature uncommon in the other green tuff series of the above region. The crustal movement occurring during the volcanisms, however, make the structure of this complex highly complicate. In addition, the topographically unfavourable condition of this mountainland causes great hindrance to the geological investigation of this complex. Accordingly, the true natures of the complex remain unknown both stratigraphically and petrographically. Since 1948, the writer has been studying on the complex distributed in the eastern region of the Tanzawa massif from the volcano-stratigraphical point of view, some of the results of which have been published as miscellaneous reports. The main scope of this paper is to describe the stratigraphy, petrography, and the tectonic history of this complex. In this paper are also discussed the characteristics of the volcanic activities and the alterations represented by the same complex.
Die METEOR-Fahrt 71 umfasst 3 biologisch und biogeochemisch orientierte Fahrtabschnitte mit insgesamt 50 Schiffstagen im östlichen Mittelmeer und hat folgende Ziele: Der Abschnitt METEOR 71-1 dient der physikalischen, biogeochemischen und biologischen Probengewinnung im Bereich der Anaximander Mountains. Es gibt nur einige wenige Seeberge im östlichen Mittelmeeres, die weitgehend isoliert vom übrigen Ozean sind und in einer Region liegen, die sich durch ein im Vergleich zum Weltozean sehr warmes Tiefenwasser von rund 14 °C auszeichnet. Hauptziel der Untersuchungen an einem Gipfel der Anaximander Mountains ist die Beantwortung der Frage, ob sich ein Seeberg-Ökosystem in einer oligotrophen Region mit warmen Tiefenwasser in Bezug auf seinen Einfluß auf das umgebende Strömungs- und Nährstoffregime, die Produktivität und Verteilung der Nahrungsketten, sowie in Bezug auf die Größe der „Sphere of interference“, das heißt dem Einflußbereich des Seamounts auf den umgebenden Wasserkörper, ähnlich verhält wie entsprechende Erhebungen im Nordostatlantik. Die Expedition METEOR 71-2 beschäftigt sich mit der Biodiversität in der Tiefsee des östlichen Mittelmeeres und ihren Steuerungsfaktoren (Tiefe, Küstenabstand, Nahrungsverfügbarkeit). Zum einen geht es um eine möglichst vollständige Erfassung der Artenzusammensetzung in zwei Referenzregionen durch Vielfachbeprobung an der selben Stelle, zum anderen um die Unterschiede des Arteninventars und des Artenreichtums in Abhängigkeit von der Tiefe und vom Küstenabstand. Die Arbeitsgebiete von jeweils 17 sm x 5 sm sind das Ierapetra-Becken südlich Kreta. (> 4000m Tiefe) und ein Gebiet der gleichen Größe weiter südlich (2800 m Tiefe doppelter Abstand zur Küste).Die Untersuchungen berücksichtigen alle Grössenklassen des Benthos (Mega-, Macro-, Meiound Nanofauna), um Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Abhängigkeit der Biodiversität von Ökofaktoren zu erkennen. Damit sollen die Struktur und die Funktion der Lebensgemeinschaften am äußerst oligotrophen Tiefseeboden des levantinischen Beckens besser und detaillierter verstanden werden. Arbeiten der Expedition METEOR 71-3 zielen auf die Klärung der Frage, ob im heutigen Mittelmeer Phosphatverlust und unvollständige Nitratnutzung, oder Stickstoff-Fixierung im ultraoligotrophen östlichen Mittelmeer für isotopisch abgereicherte d15N Signaturen von Sedimenten und Schwebstoffen verantwortlich sind. Ein Nebenziel ist die Gewinnung zusätzlicher Oberflächensedimente, um die Datenbasis für Eichungen des UK´37-Index und Abschätzung der Nährstoffakkumulationsraten in Sedimenten im Mittelmeers zu verbessern. Dazu werden auf Schnitten durch das östliche Mittelmeer Nährstoffprofile beprobt, Proben für Messungen der 15N/14N-Verhältnisse in Nitrat, gelöstem organischem Stickstoff, in Sinkstoffen und Oberflächensedimenten gewonnen, Untersuchungen des Phytoplanktons sowie Messungen von N2-Fixierungsraten durchgeführt. Weiter werden molekulare Techniken eingesetzt, um das Vorhandensein und die Transkription der nifH-Gene für das Nitrogenase-Enzym diazotropher Organismen zu überprüfen. Die Methoden zielen auf das nifHGen und seine Transkripte und geben Aufschluss über das Potential für Stickstofffixierung. Die Ergebnisse werden zeigen, ob das Gen aktiv in der Plankton-Gemeinschaft transkribiert wird. Ferne wird mit der DNA Sequenzanalyse neben der Anwesenheit auch die Diversität der diazotrophen Organismen etabliert. Schließlich wird im Verlauf der Fahrt an einer Station im Rhodos-Becken eine Sedimentfalle ausgebracht.
Die Meteor Expedition M70 erforscht spezielle Tiefenwasserökosysteme am Meeresboden von submarinen Bergen und den Kontinentalrändern des zentralen und östlichen Mittelmeers. Im Rahmen des EU Projekts HERMES werden bathyale Korallenökosysteme im westlichen Tyrrhenischen Meer, dem Ionischen Meer sowie der südlichen Adria untersucht (Fahrtabschnitt M 70/1 unter Leitung Prof. Dr. A. Freiwald). Anschließend werden erst kürzlich entdeckte Ökosysteme an Methanquellen des tiefen Nilfächers in einer gemeinsamen Aktivität des ESF EUROCORES-Projekts MEDIFLUX und des deutschen Geotechnologien-Projekts MUMM II erforscht (Fahrtabschnitt M 70/2 unter Leitung Prof Dr. A. Boetius). Schließlich stehen Prozesse von submarinen Fluidzirkulation an Gas- und Fluidaustritten vor Israel und an den "Anaximander Seebergen" südlich der Türkeiküste im Fordergrund der Forschung (Fahrtabschnitt M70/3 unter Leitung von Prof. Dr. G. Bohrmann). Die Reise wird am 24.09.2006 in La Valetta (Malta) beginnen und am 09.12.2006 in Limassol (Zypern) enden.
Die Insel Zante
(1891)
Die zweite Reise des FS MARIA S. MERIAN setzt sich aus physikalisch-ozeanographischen und biologischen Programmen zusammen. Der erste Fahrtabschnitt (Leitung Lherminier) führt ein französisches Langzeitprogramm zur Erfassung der atlantischen Umwälzbewegung (OVIDE) fort, bei dem ein hydrographischer Schnitt mit einem umfangreichen Tracerprogramm zwischen Portugal und dem südlichen Grönland aufgenommen wird. Der zweite Abschnitt (Leitung Meincke) ist ein Beitrag zum Hamburger Sonder-forschungsbereich 512, Teilprojekt „Der Ostgrönlandstrom – Indikator niederfrequenter Veränderlichkeit des Ausstroms aus dem System Arktischer Ozean/Europäisches Nordmeer“ und zum Grundprogramm des Alfred-Wegener-Institutes zum Thema „Langzeit-variabilität von Konvektion und Transporten in der Grönlandsee“. Auf dem dritten Abschnitt (Leitung Freiwald) werden neben einer polarforschungshistorischen Studie auf Spitsbergen biosedimentäre Systeme polarer Karbonatvorkommen auf den Schelfen Svalbards im Zusammenhang mit rezenter Klimavariabilität analysiert. Im letzten Abschnitt (Leitung Schauer) werden Langzeitmessungen zum Wassermassenaustausch zwischen Nordatlantik und dem Nordpolarmeer durch die Framstraße und zur Ökologie der polaren Tiefsee fortgeführt. MSM02/1 Im Rahmen eines 2002 begonnenen Langzeitprogramms OVIDE zur Erfassung der atlantischen Umwälzbewegung wird alle 2 Jahre ein hydrographischer Schnitt zwischen Portugal und dem südlichen Grönland aufgenommen. Der Schnitt besteht aus 95 CTD-Stationen und einem umfangreichen Tracer-Programm Begleitet werden die Messungen durch direkte Strömungsmessungen mit ADCPs, - einem im Schiff verankerten sowie einem mit der Rosette gefierten Gerät. Das Programm ist Teil des französischen Programms PNEDC und des inter-nationalen Programms CLIVAR. MSM02/2 Der Fahrtabschnitt MSM02 dient der Fortführung von zwei längerfristigen physikalisch-ozeanographischen Beobachtungsprogrammen der Universität Hamburg und des Alfred-Wegener-Institutes für Polar- und Meeresforschung. Mit Hilfe von in situ Messungen und realitätsnaher Model-lierung soll die saisonale bis zwischenjährliche Veränderlichkeit der Wassermassenzusammensetzung und –transporte sowohl des oberflächennahen und tiefen Ostgrönlandstromes als auch des Grönlandsee-Wirbels untersucht werden. Sie liefern die Daten zur Rolle der Prozesse im Europäischen Nordmeer, die den Eintrag von oberflächennahem Süßwasser und tiefen Overflows in den Nordatlantischen Ozean kontrollieren und damit die für das europäische Klima wichtige atlantische thermohaline Umwälzzirkulation steuern. MSM02/3 Die wissenschaftliche Zielsetzung der Reise MSM02/3 widmet sich der postglazialen Entwicklung benthischer Lebensgemeinschaften auf den Schelfen um Spitzbergen. Die Integration geologischer, biologischer, meeres-chemischer und ozeanographischer Fragestellungen ist durch die Expertise der Fahrtteilnehmer gesichert. Zusätzlich wird das Schicksal der gescheiterten Deutschen Arktis Expedition und ihrer Rettungsexpedition in den Jahren 1912 und 1913 erforscht und ein wichtiges, wenngleich tragisches Kapitel in der deutschen Polarforschung geschlossen. MSM02/4 Das Programm dient ozeanographischen und biologischen Langzeitstudien in der Framstraße. Im Rahmen des EU-geförderten Programms „DAMOCLES“ wird der ozeanische Austausch zwischen dem Nordatlantik und dem Nord-polarmeer bestimmt. Dazu wird seit 1997 auf 79°N ein Verankerungsarray betrieben, das jährlich ausgetauscht wird. Um die räumlichen Skalen besser aufzulösen, werden parallel dazu CTD-Messungen durchgeführt. Über den gleichen Zeitraum währen multidisziplinäre Untersuchungen im Bereich der Tiefsee-Langzeitstation AWI-„Hausgarten“. Neben einem zentralen Experimentierfeld in 2500 m Wassertiefe werden Stationen entlang zweier Transekte in 1000 - 5500 m Wassertiefe aufgesucht, um in biologischen, geochemischen und sedimentologischen Untersuchungen saisonale und mehrjährige Veränderungen identifizieren zu können. Dabei werden neben schiffsgebundenen Proben-nahmegeräten Lander und Verankerungen eingesetzt. Im Rahmen des DFG-Projekts “Biodiversity and ecology of deepsea copepods in polar seas – speciation processes and ecological niches in the homogeneous environment of the pelagic realm” werden die Biodiversität und die Ernährungsökologie dominanter Cope-podenarten der arktischen Tiefsee untersucht.
This thesis deals with the analysis of “presolar” silicates and oxides by high resolution mass spectrometry and electron microscopy techniques. This “stardust” was identified by its extreme oxygen isotopic anomalies, which point to nucleosynthetic reactions in stellar interiors, in the carbonaceous chondrite Acfer 094. Isotopic, chemical and mineralogical studies on these stardust grains therefore allow the testing of astrophysical questions on Earth, which are otherwise only accessible by spectroscopy and theoretical models. The class of presolar silicates has been identified only six years ago in 2002, although it was known already from spectroscopic observations that silicates represent the most abundant type of dust in the galaxy. The development of the “NanoSIMS” was a crucial step in this respect, because this ion probe with its superior spatial resolution of only 50 nm allowed the detection of the typically 300 nm sized presolar silicates. A total of 142 presolar silicates and 20 presolar oxides were identified within Acfer 094, whose matrix therefore contains 163 ± 14 ppm presolar silicates and 26 ± 6 ppm presolar oxides. This is among the highest amounts reported so far for any primitive solar system material. The majority of detected stardust grains derive from asymptotic giant branch stars of 1 – 2.5 Msun and close-to-solar or slightly lower-than-solar metallicity. However, by measuring the Si isotopic compositions of some enigmatic grains, it could be shown that there is a sub-class of presolar silicates characterized by an extreme enrichment of 17O and a moderate enhancement of 30Si relative to solar, whose origins might be explained by formation in binary stellar systems. About 10% of all grains exhibit an enrichment in 18O and some of them also of 28Si relative to solar, which most likely point to an origin in type II supernova explosions. The Si isotopic measurements also allowed to quantify the effect of the s-process on the Si isotopes in low-mass asymptotic giant branch stars. The results agree well with theoretical predictions. The grains were furthermore characterized by SEM and the chemistries of about half of the grains were determined by Auger electron spectroscopy. The majority of grain morphologies are consistent with what is expected from condensation experiments. However, a lot of grains are altered by Fe-rich minerals, which are either of primary condensation or of secondary ISM or solar nebula origin. Furthermore, complex presolar grains consisting of refractory Al-rich grains attached to silicate material could be identified, which have been predicted by condensation theory and observational evidence. Nine presolar silicates were analyzed by combined NanoSIMS/TEM studies. The majority of grains are Mg-rich and amorphous, which is in contrast to astrophysical evidence, which mainly postulate crystalline Mg-rich and amorphous Fe-rich circumstellar condensates. However, the grains might have been rendered amorphous by secondary processes in the ISM or could have condensed under non-equilibrium, low-temperature conditions in the circumstellar outflow. The grains are more likely characterized by a variable, pyroxene-like chemistry, which could be a result of sputtering in the ISM, which preferentially removes Mg. The detected crystalline presolar silicates in this study and in other work are all olivines, whereas grains with a pyroxene stoichiometry are all amorphous except one. This supports astrophysical models which point to different formation pathways for these two types of grains and therefore different crystallinity. However, the relatively high Fe content of three detected presolar olivines in this study and in other work is in contrast to astrophysical evidence and theoretical considerations, which predict essentially Fe-free crystalline grains. It is therefore possible that the infrared spectra might also be compatible with less Mg-rich olivines. The only crystalline presolar silicate with a pyroxene-like stoichiometry is the unusual grain 1_07: although it is chemically enstatite, the electron diffraction pattern could only be indexed to silicate perovskite, which is stable above ~23 GPa. The discovery of a high-pressure phase of presolar origin shows that dust grains encountering interstellar shocks might not necessarily be completely destroyed. In astrophysical models it is in principle also possible that a fraction of larger grains might survive such a shock wave encounter as a high-pressure modification, which is supported by this discovery.
The present study was elaborated within the scope of the INTAFERE (Integrated Analysis of Mobile Organic Foreign Substances in Rivers) project which investigates the occurrence of xenobiotics in small freshwater streams with particular consideration of social impact factors. The aim of this study is to investigate the seasonal and spatial variance of organic micropollutants in small fresh water streams and to identify possible sources and sinks. Therefore four small freshwater river systems in Hesse, Germany, have been investigated with respect to common organic pollutants such as: the organophosphates tri-n-butyl phosphate (TBP), tris(2-butoxyethyl)phosphate (TBEP), tris(2-chloroethyl)phosphate (TCEP), tris(1-chloro-2-propyl)phosphate (TCPP), and tris(1,3-dichloro-2-propyl)phosphate (TDCPP), the synthetic musk fragrances 1,3,4,6,7,8-hexahydro-4,6,6,7,8,8-hexa-methylcyclopenta-[g]-2-benzopyran (HHCB) and 7-acetyl-1,1,3,4,4,6-hexamethyl-1,2,3,4-tetrahydronaphthalene (AHTN), the endocrine disruptors bisphenol A (BPA), 4-tert-octylphenol (OP) and the technical isomer mixture of 4-nonylphenol (NP), the herbicide terbutryn [2-(t-butylamino)-4-(ethylamino)-6-(methylthio)-s-triazine] as well as the insect repellent N,N-diethyl-m-toluamide (DEET). Water samples were collected in the time span from September 2003 to September 2006 at 26 sampling locations. The samples were extracted with solid phase extraction (SPE) and analyzed by coupled gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). For quantification the internal standard method was used. The results of the study showed an ubiquitous occurrence of organic pollutants in the fresh water streams of the study area. The organophosphates have been detected in 90 % of the water samples with mean concentrations of 502 ng/l (TCPP), 276 ng/l (TBP), 183 ng/l (TBEP), 118 ng/l (TCEP) and 117 ng/l (TDCPP). Sewage treatment plant (STP) effluents were identified as the dominating source for the chlorinated organophosphates as well as for the synthetic musk fragrances and the insect repellent DEET in the river systems. Consequently the highest concentrations were observed in the Schwarzbach system characterized by the highest proportion of waste water compared to the other river systems. Mean concentration levels of the synthetic musk fragrances HHCB and ATHN were 141 ng/l and 46 ng/l, respectively and 124 ng/l in case of DEET. The synthetic musk fragrances showed a clear seasonal trend with significantly lower concentrations in summer times compared to winter times, which is ascribed to stronger photodegradation and volatization during summer times. In contrast, mean DEET concentrations and loads were significantly higher in summer than in autumn, winter and spring, in parallel with the main insect season. The concentrations of the endocrine disruptors BPA, NP and OP in the river water samples ranged from <20 ng/l to 1927 ng/l, <10 ng/l to 770 ng/l, and <10 ng/l to 420 ng/l, respectively. Whereas OP was present in about 2/3 of the samples, NP and BPA could only be detected in 56% and 13% of the water samples, respectively. BPA levels exceeded in two samples the predicted no-effect concentration (PNEC) for water organisms. In case of NP, highest concentrations and loads were found in September 2003 and decreased significantly since then. In contrast, concentrations and loads of OP which serves in a similar application field remained nearly constant during the sampling period. The decrease of NP can be attributed to the implementation of the European Directive 2003/53/EG, which restricts the use of nonylphenols and nonylphenol ethoxylates since January 2005. However, at the end of the sampling period in September 2006, NP could still be detected at mean concentrations of 18 ng/l in the river waters of the sampling area. Furthermore, absence of NP in several samples from associated STP effluents indicate that the STPs cannot be the only sources for NP found in the river water. The herbicide terbutryn was present in the rivers during the whole sampling period from September 2003 to September 2006 despite a ban on its use as a herbicide from January 2004 on. Terbutryn levels ranged from < 4 ng/l to 5600 ng/l, showing a clear spatial pattern with high terbutryn concentrations in the Weschnitz and Modau river systems and significantly lower terbutryn levels in Schwarzbach and Winkelbach. Results from the analysis of two STP effluents discharging into the Weschnitz and the Modau, respectively, indicate that terbutryn enters the rivers from this source. Furthermore, terbutryn concentrations and loads showed a clear seasonal trend with significantly higher levels in summer and autumn. Obviously, the ban on agricultural use of terbutryn at the end of 2003 had no discernable influence on terbutryn concentration in the rivers because there was no trend of decreasing.
Die Meteor-Reise 60 besteht aus 5 Fahrtabschnitten im subtropischen Wirbel des Nordatlantiks von den Azoren bzw. Madeira bis zum tropischen Westatlantik. Fahrtabschnitt 1 konzentriert sich auf die Ökologie und Biogeochemie von sogenannten „Seamounts“ im östlichen Atlantik im Rahmen eines EU-Projektes; Fahrtabschnitt 2 umfasst, in Zusammenarbeit mit französischen Kollegen, detailierte seismische und geophysikalische Untersuchungen eines aktiven Segments des Mittelatlantischen Rückens; Fahrtabschnitt 3 ist eine multidisziplinäre (geologisch, biologisch und chemisch) Untersuchung über die Auswirkungen der hydrothermalen Zirkulation am Mittelatlantischen Rücken im Rahmen eines DFG-Schwerpunkt-programms; Fahrtabschnitt 4 ist einer physikalisch-ozeanographische Studie der langfristigen Variation der thermohalien Zirkulation in westlichen Becken des Atlantiks im Kontext des BMBF-CLIVAR programms gewidmet; und Fahrtabschnitt 5 schließlich, ist eine multidisziplinäre (chemisch/biologisch) Untersuchung über die CO2-Aufnahme und die biologische Pumpe in der Wassersäule des nordatlantischen Subtropenwirbels (DFG-Sonderforschungsbereich 460). Der erste Fahrtabschnitt der Reise M 60 dient der physikalischen, biogeochemischen und biologischen Probengewinnung im Rahmen des EU- Projektes OASIS (OceAnic Seamounts: an Integrated Study). OASIS ist ein interdisziplinäres Projekt mit 9 Partnern aus 5 europäischen Ländern und untersucht die funktionale Charakteristik von Seamount-Ökosystemen. Basierend auf 2 Fallstudien werden die Prozesse, die Seamount-Ökosysteme charakterisieren, und ihre Einflüsse auf den umgebenden Ozean beschrieben. Die wissenschaftlichen Ergebnisse, zusammengeführt in einem konzeptionellen Ökosystemmodell, werden Ausgangsbasis für die Entwicklung von generellen und ortspezifischen Managementplänen sein. Das primäre Ziel von OASIS, eine holistische Erfassung von Seamount-Ökosystemen, wird durch die Integration folgender Sachgebiete erreicht: a) Identifikation und Beschreibung der physikalischen Einflußkräfte auf Seamount-Ökosysteme b) Erfassung der Herkunft, Qualität und Dynamik partikulärer organischer Substanz in der Wassersäule und an der Sedimentoberfläche c) Beschreibung von Aspekten der Biodiversität und Ökologie von Seamount-Lebensgemeinschaften und Erfassung ihrer Dynamik und Produktionsmechanismen d) Modellierung der trophischen Ökologie von Seamount-Ökosystemen e) Anwendung der wissenschaftlichen Ergebnisse auf den Naturschutz. Ein weiteres Ziel der Fahrt ist die Erprobung eines neu entwickelten Drucklabors zur Untersuchung von Tiefseeorganismen unter in situ-Druckbdingenungen von bis zu 500 bar.
The purpose of this study was to reconstruct the depositional environment, the genesis and the composition of Miocene coals in the Kutai Basin, East Kalimantan, Indonesia and to improve our understanding of the factors controlling the organic and inorganic composition, variation of biomarkers, and the peat forming vegetation of the coals. To achieve the aim methods belonging to three different disciplines were applied: 1. Coal petrology (chapter 3) 2. Inorganic geochemistry: sulfur, pyrite and mineral matter distributions (chapter 4) 3. Organic geochemistry of saturated, aromatic hydrocarbon fractions and stable carbon isotopic composition (chapter 5 and 6) Coal petrology Coal developes from peat deposited in mires, mainly in swamps and raised bogs. It is therefore necessary to consider how peat was formed in the past. Coal contains a variety of plant tissues in different degrees of preservation. Tissues of distinct origin are microscopically identifiable and can frequently be related to certain parts of the plant, such as cuticles, woody structures, spores, algal, resin, etc. Together with the particles of less certain origin they are termed macerals which are the petrographic components of coal. During and after deposition of plant remains in sedimentary basins, the organic matter will undergo a sequence of physical, biochemical and chemical changes, which finally results in the formation of coals of increasing rank depending mainly on the temperature influence. The process of coalification begins with practically unaltered plant material and peat, and continues with increasing rank through brown coal, bituminous coal, and finally to anthracite as well as graphite. Coal petrography provides valuable of data of maceral and mineral percentages with reflectance values, which can be used to reconstruct the depositional environment and the coalification processes. In lower rank coals, the material is represented by a group of macerals called huminite, and in bituminous and anthracite coals by a group of macerals called vitrinite. Coal petrography analyses have been carried out on samples from some Miocene coal seams from Kutai Basin. The study has shown that huminite reflectance values of coal samples from ...
Die Talsedimente in den ausgedehnten Überflutungsebenen tropischer Flusssysteme stellen ein wertvolles Archiv für die Paläoumweltforschung dar. Die Untersuchung von Sedimentlagen aus zahlreichen Bohr- und Aufschlussprofilen ergibt für das im NW der Zentralafrikanischen Republik liegende Sandsteinplateau von Gadzi-Carnot Hinweise auf mittel- bis jungholozäne Klimawandel an der landschaftsökologisch sensitiven Vegetationsgrenze zwischen Regenwald und Savanne. Die mit konventionellen landschaftskundlichen sowie geomorphologischen und pedologischen Arbeitstechniken durchgeführten Analysen an den mächtigen Alluvionen des tief in das Plateau eingeschnittenen Mbaéré-Flusses und den Schwemmfächer-Sedimenten des Mbaéré-Tributärs Sadika zeigen, dass die rezenten naturräumlichen Zusammenhänge relevante Hinweise für das Verständnis der landschaftshistorischen Prozesse liefern. Der Vergleich von Sedimenten aus beiden fluvialen Systemen verdeutlicht dabei vor allem die Bedeutung der kleinräumigen Variabilität von petrographischen, reliefbedingten, hydrologischen und anthropogenen Rahmenbedingungen auf die morphodynamischen Prozesse und den potentiellen Erhalt auswertbarer Sedimentkörper. Vor dem Hintergrund des geringen Oberflächenabflusses auf den Sandsteinen des Plateaus und der relativen hydrologischen Gunst des Mbaéré-Tals wird durch Auswertung der Befunde für die Plateauregion deutlich, dass nacheiszeitliche Klimawandel hin zu trockeneren Verhältnissen vor allem zu einer Ausdehnung von Savannen auf den Plateauhöhen und einem Rückzug der Regenwald-Vegetation in die tieferen Lagen der weiten Talebene geführt haben. Deren überwiegend sandige Verfüllungen stellen rezent ein enormes Wasserreservoir dar, das unter den derzeitigen tropisch-wechselfeuchten Verhältnissen einer ausgedehnten Überflutungswald-Vegetation ideale Wuchsbedingungen liefert. Vor dem Hintergrund der Diskussion um hochglazialzeitliche Rückzugsgebiete des Tieflands-Regenwaldes impliziert die für das Untersuchungsgebiet postulierte Landschaftsdynamik, dass es sich bei dem Mbaéré-Tal um das wahrscheinlich nördlichste „fluviale Refugium“ im Kongo-Einzugsgebiet im Sinne der „core area“-Konzeptionen von COLYN et al. (1991) und MALEY (1995) handelt.
NE Mount Kenya is characterised by dense population and small scale farming is the main form of land use. In the region, continual pressure on the forest resources as result of land use is a continuing problem. The NE Mount Kenya Forest Reserves (Imenti Forest Reserve, Mount Kenya Forest Reserve) play an important role in the livelihood of the neighbouring communities. However population pressure, reserve management policies, economic changes, an ineffective land tenure system and poverty are socio-economic factors contributing to land use changes and an intensification of agriculture. Illegal factors like clearing forest vegetation for firewood and grazing areas, at the expense of the protected forest areas, are present. This study focuses on an interdisplinary approach to analyse socio-economic and ecological factors in NE Mount Kenya relevant to land degradation. This includes remote sensing data (interpretation of satellite images Landsat TM 1987 and ETM 2000) combined with interviews from the land user’s perspective. Ethnographic research of this type on this topic has not been done in the region before. This entailed applying both a qualitative (giving farmers the opportunity to identify factors they perceived as important in regard to land use) and a quantitative method of data analysis. The Mount Kenya Forest region is distinguished by high elevation and a humid to sub-humid climate, while the Imenti Forest region lies lower and is characterised by semi-humid and transitional zones. Land use in the Mount Kenya Forest region is mainly perennial thus eliminating seasonal land use changes. In the Imenti Forest region, 30% of the farmers said they had gone through major land use changes within the last 20 years. The major land use change consisted of a shift from residential farming in the protected areas which offered more farming and grazing areas, to being restricted to individual farm plots which consequently led to the intensification of cultivation thus contributing to land degradation. The satellite images in the same region show a clear decrease in coverage of forest vegetation and an increase in open areas in the Imenti Forest region which the farmers explain influences the tentative land use changes in the region. On the other hand, in the Mount Kenya forest region, there has been an increase in forest vegetation cover which is also evident in the satellite images. Areas that were plantation and cultivated regions in 1987 have forest cover in 2000, which the farmers stated was as a result of their afforestation initiatives. Nevertheless, indicators of degradation e.g. rill and gully erosion are evident and correlated to the intensified land use in both forest regions. The population impact in the region apparently intensifies land use therefore the identified socio-economic factors in the region should be given priority in integrating development projects that are directly beneficial to park-adjacent communities according to the needs of the particular agro-ecological zone (AEZ). Location specific research can better enhance the understanding of the socio-economic factors influencing land use change. Furthermore, promoting alternative income generating activities, besides the present livestock and crop farming, can help reduce the risks of land degradation.
Vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels und der Diskussion menschlicher Einflussnahme („anthropogener Treibhauseffekt“) ist anhand von Beobachtungsdaten der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlags untersucht worden, welche Strukturen die Klimaveränderungen in Hessen erkennen lassen. Dabei umfasst das betrachtete Gebiet den Bereich 49°- 52° Nord / 7°-11° Ost und schließt somit auch Teilgebiete der angrenzenden Bundesländer mit ein. Zeitlich lag der Schwerpunkt der Betrachtung auf dem Intervall 1951-2000, da aus dieser Zeit bei weitem die meisten Daten verfügbar sind (Temperatur 53, Niederschlag 674 Stationen). Darüber hinaus wurden aber auch Untersuchungen für die Zeit 1901 bis 2000 bzw. 2003 sowie für 30-jährige Subintervalle durchgeführt. Die Analysemethodik umfasst die Berechnung linearer Trends, einschließlich ihrer räumlichen Strukturen (Trendkarten), Aufdeckung von Fluktuationen (spektrale Varianzanalyse), Extremwertanalysen und die Diskussion natürlicher bzw. anthropogener Einflussfaktoren (Signalanalyse mittels multipler schrittweiser Regression). Die aus Tages-, Monats-, jahreszeitlichen und jährlichen Daten gewonnenen Ergebnisse sind überaus vielfältig und heterogen. Für das Flächenmittel Hessen ergibt sich 1951-2000 insgesamt (Jahresdaten) ein Temperaturanstieg von 0,9 °C mit dem Schwerpunkt im Winter (1,6 °C) und der geringsten Erwärmung im Herbst (0,2 °C). 1901-2003 liegen an den erfassten Stationen die jährlichen Erwärmungen bei 0,7 bis 1,8 °C; 30-jährig treten zum Teil auch Abkühlungen auf, insbesondere wenn die regional-jahreszeitlichen bzw. monatlichen Strukturen erfasst werden. Diese Strukturen sind beim Niederschlag noch weit ausgeprägter. Im Flächenmittel Hessen beträgt 1951-2000 der jährliche Niederschlagsanstieg 8,5 %, mit Maxima im Herbst (25 %) und Winter (22 %; Frühling 20%), während im Sommer ein Rückgang um 18 % eingetreten ist (mit Schwerpunkten im Juni und insbesondere August). Bei den Fluktuationen dominieren mittlere Perioden von ca. 2,2, 3,3, 5,5 und 7,5-8 Jahren, beim Niederschlag auch ca. 4,5 Jahre. Der Sonnenfleckenzyklus spiegelt sich in den analysierten Klimadaten nicht wider. Zusammen mit den Extremwerten sorgen diese Fluktuationen für zeitliche Instabilitäten der Klimatrends, insbesondere wenn relativ kurze (z.B. 30-jährige) Zeitabschnitte betrachtet werden. Die wiederum sehr vielfältigen und unterschiedlichen Ergebnisse der Extremwertanalyse spiegeln bei der Temperatur weitgehend die Trends wider, da sich die Streuung der Daten kaum verändert hat: d.h. Zunahme der Überschreitungswahrscheinlichkeit extrem warmer Ereignisse (insbesondere Frühling, überwiegend auch Sommer und Winter, am wenigsten im Herbst) und Abnahme der Unterschreitungswahrscheinlichkeit extrem kalter Ereignisse (dies im Winter bei den Tagesdaten jedoch sehr uneinheitlich). Beim Niederschlag sind die Abnahme extrem feuchter Monate im Sommer und die Zunahme extrem feuchter Tage im Herbst und Winter am auffälligsten. Langfristig folgen daraus ganz markante Änderungen der Jährlichkeiten. So ist beispielsweise 1901-2001 in Alsfeld die Jährlichkeit eines extrem feuchten Winters von 100 auf 5,6 Jahre zurückgegangen, die entsprechende Jährlichkeit eines extrem feuchten Sommers in Bad Camberg dagegen fast bis zur Unmöglichkeit angestiegen. Bei der Ursachendiskussion lässt sich in den Temperaturdaten ein deutlicher anthropogener Einfluss („Treibhauseffekt“) ausfindig machen. Abschließend wird diskutiert, inwieweit es sinnvoll ist, die beobachteten Trends, im Vergleich mit Modellprojektionen, in die Zukunft zu extrapolieren.
Vorwort zur 1. Auflage Klima ist vor allem deswegen nicht nur von wissenschaftlichem, sondern auch von öffentlichem Interesse, weil es veränderlich ist und weil solche Änderungen gravierende ökologische sowie sozioökonomische Folgen haben können. Im Detail weisen Klimaänderungen allerdings komplizierte zeitliche und räumliche Strukturen auf, deren Erfassung und Interpretation alles andere als einfach ist. Bei den zeitlichen Strukturen stehen mit Recht vor allem relativ langfristige Trends sowie Extremereignisse im Blickpunkt, erstere, weil sie den systematischen Klimawandel zum Ausdruck bringen und letztere wegen ihrer besonders brisanten Auswirkungen. Hier geht es um den erstgenannten Aspekt, zu dem nun noch die räumlichen Strukturen treten. Der relativ langfristige und somit systematische Klimawandel läuft nämlich regional sehr unterschiedlich ab, was am besten in Trendkarten zum Ausdruck kommt. Solche regionalen, zum Teil sehr kleinräumigen Besonderheiten sind insbesondere beim Niederschlag sehr ausgeprägt. Schließlich sind die räumlichen Trendstrukturen auch jahreszeitlich bzw. monatlich sehr unterschiedlich. In unserer Arbeitsgruppe hat sich Jörg Rapp im Rahmen seiner Diplom- und insbesondere Doktorarbeit intensiv mit diese Problem beschäftigt, was zur Publikation des „Atlas der Niederschlags- und Temperaturtrends in Deutschland 1891-1990“ (Rapp und Schönwiese, 2. Aufl. 1996) sowie des „Climate Trend Atlas of Europe – Based on Observations 1891-1990“ (Schönwiese und Rapp, 1997) geführt hat. Die große Beachtung, die insbesondere der Klimatrendatlas Deutschland gefunden hat, ließ es schon lange als notwendig erscheinen, eine Aktualisierung vorzunehmen. Dieser Aufgabe hat sich in Form eines Fortgeschrittenenpraktikums Herr Reinhard Janoschitz gewidmet und die Aktualisierung für die Zeit 1901-2000, einschließlich Subintervallen, vorgenommen. Zudem hat er für 1951-2000 noch das Klimaelement Sonnenscheindauer hinzugenommen. Zur Zeit ist er im Rahmen seiner Diplomarbeit mit einer Neubearbeitung des Europäischen Klimatrendatlas befasst. Mit der Publikation des hier vorliegenden „Klimatrend-Atlas Deutschland 1901-2000“ werden in insgesamt 178 Karten (davon 20 Karten auch in Farbdarstellung in den Text integriert) wieder umfangreiche Informationen zum Klimawandel in Deutschland vorgelegt, und zwar mit Hilfe einer linearen Trendanalyse hinsichtlich der boden-nahen Lufttemperatur, des Niederschlags und der Sonnenscheindauer für die Zeit 1901-2000 sowie für die Subintervalle 1931-1960, 1961-1990 und 1971-2000 – Sonnenscheindauer allerdings nur 1951-2000 und 1971-2000 –, jeweils aufgrund der jährlichen, jahreszeitlichen und monatlichen Beobachtungsdaten. Die Signifikanz der Trends ist im (schwarz/weiß wiedergegebenen) Kartenteil durch Rasterung markiert. Methodisch lehnt sich die Analyse somit eng an die oben zitierte Arbeit von Rapp und Schönwiese (1996) an, wo auch ausführliche textliche Erläuterungen zu finden sind (ebenso in Rapp, 2000); deswegen wurde hier der Textteil sehr knapp gehalten. Hingewiesen sei schließlich auf ebenfalls für Deutschland durchgeführte Analysen klimatologischer Extremereignisse, die ebenfalls in der Reihe unserer Instituts-mitteilungen publiziert sind (Jonas et al., 2005; Trömel, 2005). Frankfurt a.M., im Herbst 2005 Christian-D. Schönwiese Vorwort zur 2. Auflage Das erfreulich große Interesse hat eine 2. Auflage erforderlich gemacht, die neben kleineren redaktionellen Verbesserungen bzw. Aktualisierungen vor allem die Erweiterung der in Kap. 4 vorgestellten Zeitreihen und einen ergänzenden Tabellenanhang jeweils bis 2007 enthält. So erfüllt dieser Atlas hoffentlich auch weiterhin seinen Informations-zweck. Im übrigen ist der im Vorwort zur 1. Auflage erwähnte „Klima-Trendatlas Europa“ mittlerweile als Nr. 7 (2008) der Reihe unserer Institutsberichte erschienen. Frankfurt a.M., im Sommer 2008 Christian-D. Schönwiese
Goethes Beschäftigung mit der Erdgeschichte ist von großen Gesten bestimmt, leidenschaftlicher Parteinahme, ästhetischem Anspruch. Sie wird ihm zu einem grundlegenden Baustein der eigenen "Welterschaffung", deren Widerschein sich im zweiten Teil des "Faust" und in der Figur des Montan in "Wilhelm Meisters Wanderjahren" spiegelt. Aber auch unmittelbare Experimentierlust zeichnet die Geschichte seiner Bemühungen um "das Studium des Inneren der Erde" aus - der Erdforscher begibt sich in die Hexenküche des Laboratoriums, etwa um Versuche zu den "metallischen Vegetationen" des "Arbor dianae" durchzuführen, wo es um die Erzeugung von Kristallbildungen von Metallen auf chemischem Weg geht: sie weisen eine gewisse Ähnlichkeit mit baum- und pflanzen ähnlichen Formen auf. Seine Arbeit ist erfüllt von der Freude an der Empirie, aber bei allzu langem Verweilen beim Steineschlagen im Feld stellt sich auch bald Langeweile ein.
Chemical ozone loss in winter 1991–1992 is recalculated based on observations of the HALOE satellite instrument, Version 19, ER-2 aircraft measurements and balloon data. HALOE satellite observations are shown to be reliable in the lower stratosphere below 400 K, at altitudes where the measurements are most likely disturbed by the enhanced sulfate aerosol loading, as a result of the Mt.~Pinatubo eruption in June 1991. Significant chemical ozone loss (13–17 DU) is observed below 380 K from Kiruna balloon observations and HALOE satellite data between December 1991 and March 1992. For the two winters after the Mt. Pinatubo eruption, HALOE satellite observations show a stronger extent of chemical ozone loss towards lower altitudes compared to other Arctic winters between 1991 and 2003. In spite of already occurring deactivation of chlorine in March 1992, MIPAS-B and LPMA balloon observations indicate that chlorine was still activated at lower altitudes, consistent with observed chemical ozone loss occurring between February and March and April. Large chemical ozone loss of more than 70 DU in the Arctic winter 1991–1992 as calculated in earlier studies is corroborated here.
During the APE-THESEO mission in the Indian Ocean the Myasishchev Design Bureau stratospheric research aircraft M55 Geophysica performed a flight over and within the inner core region of tropical cyclone Davina. Measurements of total water, water vapour, temperature, aerosol backscattering, ozone and tracers were made and are discussed here in comparison with the averages of those quantities acquired during the campaign time frame. Temperature anomalies in the tropical tropopause layer (TTL), warmer than average in the lower part and colder than average in the upper TTL were observed. Ozone was strongly reduced compared to its average value, and thick cirrus decks were present up to the cold point, sometimes topped by a layer of very dry air. Evidence for meridional transport of trace gases in the stratosphere above the cyclone was observed and perturbed water distribution in the TTL was documented. The paper discuss possible processes of dehydration induced by the cirrus forming above the cyclone, and change in the chemical tracer and water distribution in the lower stratosphere 400–430 K due to meridional transport from the mid-latitudes and link with Davina. Moreover it compares the data prior and after the cyclone passage to discuss its actual impact on the atmospheric chemistry and thermodynamics.
Appropriate precautions in the case of flood occurrence often require long lead times (several days) in hydrological forecasting. This in turn implies large uncertainties that are mainly inherited from the meteorological precipitation forecast. Here we present a case study of the extreme flood event of August 2005 in the Swiss part of the Rhine catchment (total area 34 550 km2). This event caused tremendous damage and was associated with precipitation amounts and flood peaks with return periods beyond 10 to 100 years. To deal with the underlying intrinsic predictability limitations, a probabilistic forecasting system is tested, which is based on a hydrological-meteorological ensemble prediction system. The meteorological component of the system is the operational limited-area COSMO-LEPS that downscales the ECMWF ensemble prediction system to a horizontal resolution of 10 km, while the hydrological component is based on the semi-distributed hydrological model PREVAH with a spatial resolution of 500 m. We document the setup of the coupled system and assess its performance for the flood event under consideration. We show that the probabilistic meteorological-hydrological ensemble prediction chain is quite effective and provides additional guidance for extreme event forecasting, in comparison to a purely deterministic forecasting system. For the case studied, it is also shown that most of the benefits of the probabilistic approach may be realized with a comparatively small ensemble size of 10 members.
The main objective of the study presented in this paper was to develop an evaluation scheme which is suitable for spatially explicit groundwater vulnerability assessment according to the Water Framework Directive (WFD). Study area was the Hase river catchment, an area of about 3 000 km2 in north-west Germany which is dominated by livestock farming, in particular pig and poultry production. For the Hase river catchment, the first inventory of the WFD led to the conclusion that 98% of the catchment area is "unclear/unlikely" to reach a good groundwater status due to diffuse nitrogen emissions from agriculture. The groundwater vulnerability assessment was embedded in the PartizipA project ("Participative modelling, Actor and Ecosystem Analysis in Regions with Intensive Agriculture", www.partizipa.net), within which a so-called actors´ platform was established in the study area. The objective of the participatory process was to investigate the effects of the WFD on agriculture as well as to discuss groundwater protection measures which are suitable for an integration in the programme of measures. The study was conducted according to the vulnerability assessment concept of the Intergovernmental Panel on Climate Change, considering sensitivity, exposure and adaptive capacity. Sensitivity was computed using the DRASTIC index of natural groundwater pollution potential. Exposure (for a reference scenario) was computed using the STOFFBILANZ nutrient model. Several regional studies were analysed to evaluate the adaptive capacity. From these studies it was concluded that the adaptive capacity in the Hase river catchment is very low due to the economic importance of the agricultural sector which will be significantly affected by groundwater protection measures. As a consequence, the adaptive capacity was not considered any more in the vulnerability assessment. A groundwater vulnerability evaluation scheme is presented which enjoys the advantage that both exposure and sensitivity can be operationalized in a spatially resolved manner (500×500 m grid) by the two models mentioned above. The evaluation scheme was applied in the Hase river catchment. 21% of the catchment was classified as highly vulnerable, another 73% as medium vulnerable. Only 6% of the Hase river catchment has low vulnerability. Grid cells of the high vulnerability class are considered as priority areas for groundwater protection measures in the programme of measures of the WFD. Measures will be particularly effective in the north-eastern part of the catchment where groundwater vulnerability is mainly due to high nitrogen emissions.
Strong perturbations of the Arctic stratosphere during the winter 2002/2003 by planetary waves led to enhanced stretching and folding of the vortex. On two occasions the vortex in the lower stratosphere split into two secondary vortices that re-merged after some days. As a result of these strong disturbances the role of transport in and out of the vortex was stronger than usual. An advection and mixing simulation with the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS) utilising a suite of inert tracers tagging the original position of the air masses has been carried out. The results show a variety of synoptic and small scale features in the vicinity of the vortex boundary, especially long filaments peeling off the vortex edge and being slowly mixed into the mid latitude environment. The vortex folding events, followed by re-merging of different parts of the vortex led to strong filamentation of the vortex interior. During January, February, and March 2003 flights of the Russian high-altitude aircraft Geophysica were performed in order to probe the vortex, filaments and in one case the merging zone between the secondary vortices. Comparisons between CLaMS results and observations obtained from the Geophysica flights show in general good agreement. Several areas affected by both transport and strong mixing could be identified, allowing explanation of many of the structures observed during the flights. Furthermore, the CLaMS simulations allow for a quantification of the air mass exchange between mid latitudes and the vortex interior. The simulation suggests that after the formation of the vortex was completed, its interior remaind relatively undisturbed. Only during the two re-merging events were substantial amounts of extra-vortex air transported into the polar vortex. When in March the vortex starts weakening additional influence from lower latitudes becomes apparent in the model results. In the lower stratosphere export of vortex air leads only to a fraction of about 5% polar air in mid latitudes by the end of March. An upper limit for the contribution of ozone depleted vortex air on mid-latitude ozone loss is derived, indicating that the maximum final impact of dilution is on the order of 50%.
From July 2002 to March 2004 the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) aboard the European Space Agency´s Environmental Satellite (Envisat) measured nearly continuously mid infrared limb radiance spectra. These measurements are utilised to retrieve the global distribution of the chlorofluorocarbon CFC-11 by applying a new fast forward model for Envisat MIPAS and an accompanying optimal estimation retrieval processor. A detailed analysis shows that the total retrieval errors of the individual CFC-11 volume mixing ratios are typically below 10% in the altitude range 10 to 25 km and that the systematic components dominate. Contribution of a priori information to the retrieval results are less than 5 to 10% and the vertical resolution of the observations is about 3 to 4 km in the same vertical range. The data are successfully validated by comparison with several other space experiments, an air-borne in-situ instrument, measurements from ground-based networks, and independent Envisat MIPAS analyses. The retrieval results from 425 000 Envisat MIPAS limb scans are compiled to provide a new climatological data set of CFC-11. The climatology shows significantly lower CFC-11 abundances in the lower stratosphere compared with the Reference Atmospheres for MIPAS (RAMstan V3.1) climatology. Depending on the atmospheric conditions the differences between the climatologies are up to 30 to 110 ppt (45 to 150%) at 19 to 27 km altitude. Additionally, time series of CFC-11 mean abundance and variability for five latitudinal bands are presented. The observed CFC-11 distributions can be explained by the residual mean circulation and large-scale eddy-transports in the upper troposphere and lower stratosphere. The new CFC-11 data set is well suited for further scientific studies.
Global distributions of profiles of sulphur hexafluoride (SF6) have been retrieved from limb emission spectra recorded by the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) on Envisat covering the period September 2002 to March 2004. Individual SF6 profiles have a precision of 0.5 pptv below 25 km altitude and a vertical resolution of 4–6 km up to 35 km altitude. These data have been validated versus in situ observations obtained during balloon flights of a cryogenic whole-air sampler. For the tropical troposphere a trend of 0.230±0.008 pptv/yr has been derived from the MIPAS data, which is in excellent agreement with the trend from ground-based flask and in situ measurements from the National Oceanic and Atmospheric Administration Earth System Research Laboratory, Global Monitoring Division. For the data set currently available, based on at least three days of data per month, monthly 5° latitude mean values have a 1 o standard error of 1%. From the global SF6 distributions, global daily and monthly distributions of the apparent mean age of air are inferred by application of the tropical tropospheric trend derived from MIPAS data. The inferred mean ages are provided for the full globe up to 90° N/S, and have a 1 o standard error of 0.25 yr. They range between 0 (near the tropical tropopause) and 7 years (except for situations of mesospheric intrusions) and agree well with earlier observations. The seasonal variation of the mean age of stratospheric air indicates episodes of severe intrusion of mesospheric air during each Northern and Southern polar winter observed, long-lasting remnants of old, subsided polar winter air over the spring and summer poles, and a rather short period of mixing with midlatitude air and/or upward transport during fall in October/November (NH) and April/May (SH), respectively, with small latitudinal gradients, immediately before the new polar vortex starts to form. The mean age distributions further confirm that SF6 is destroyed in the mesosphere to a considerable degree. Model calculations with the Karlsruhe simulation model of the middle atmosphere (KASIMA) chemical transport model agree well with observed global distributions of the mean age only if the SF6 sink reactions in the mesosphere are included in the model.
This study presents an evaluation of a pulse height condensation particle counter (PH-CPC) and an expansion condensation particle counter (E-CPC) in terms of measuring ambient and laboratory-generated molecular and ion clusters. Ambient molecular cluster concentrations were measured with both instruments as they were deployed in conjunction with an ion spectrometer and other aerosol instruments in Hyytiälä, Finland at the SMEAR II station between 1 March and 30 June 2007. The observed cluster concentrations varied and ranged from some thousands to 100 000 cm -3. Both instruments showed similar (within a factor of ~5) concentrations. An average size of the detected clusters was approximately 1.8 nm. As the atmospheric measurement of sub 2-nm particles and molecular clusters is a challenging task, we conclude that most likely we were unable to detect the smallest clusters. Nevertheless, the reported concentrations are the best estimates to date for minimum cluster concentrations in a boreal forest environment.
We report the first atmospheric observations of the Chlorofluorocarbons (CFCs) trifluorochloroethene, 3-chloropentafluoropropene and 4,4-dichlorohexafluoro-1-butene by means of Gas Chromatography with Electron Capture and Mass Spectrometric detection (GC-ECD-MS) in air samples taken at the Taunus Observatory operated by the University of Frankfurt (Main) and the Jungfraujoch High Altitude Research Station in Switzerland. These substances belong to a class of CFCs containing a double bond and are suspected to originate from the production and thermal degradation of widely used fluoropolymers like polychlorotrifluoroethene (PCTFE). Their atmospheric lifetimes are expected to be rather short. A quantitative calibration could only be derived for trifluorochloroethene but not for the other species by now. Thus, we use a relative sensitivity method to get a first indication of the observed atmospheric abundances. Identification was possible because of an air plume containing high concentrations of these substances. We suggest that the abundances found on this occasion originated from a local source. However, we have also observed the novel CFCs in air masses representative of background conditions, though with much lower concentrations. These species and some of their degradation products are toxic and could also be relevant for stratospheric and tropospheric ozone depletion.
Assessment of ecologically relevant hydrological change in China due to water use and reservoirs
(2008)
As China’s economy booms, increasing water use has significantly affected hydro-geomorphic processes and thus the ecology of surface waters. A large variety of hydrological changes arising from human activities such as reservoir construction and management, water abstraction, water diversion and agricultural land expansion have been sustained throughout China. Using the global scale hydrological and water use model WaterGAP, natural and anthropogenically altered flow conditions are calculated, taking into account flow alterations due to human water consumption and 580 large reservoirs. The impacts resulting from water consumption and reservoirs have been analyzed separately. A modified “Indicators of Hydrologic Alteration” approach is used to describe the human pressures on aquatic ecosystems due to anthropogenic alterations in river flow regimes. The changes in long-term average river discharge, average monthly mean discharge and coefficients of variation of monthly river discharges under natural and impacted conditions are compared and analyzed. The indicators show very significant alterations of natural river flow regimes in a large part of northern China and only minor alterations in most of southern China. The detected large alterations in long-term average river discharge, the seasonality of flows and the inter-annual variability in the northern half of China are very likely to have caused significant ecological impacts.