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We report on HCFC-22 data acquired by the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) in the reduced spectral resolution nominal observation mode. The data cover the period from January 2005 to April 2012 and the altitude range from the upper troposphere (above cloud top altitude) to about 50 km. The profile retrieval was performed by constrained nonlinear least squares fitting of modelled spectra to the measured limb spectral radiances. The spectral ν4-band at 816.5 ± 13 cm−1 was used for the retrieval. A Tikhonov-type smoothing constraint was applied to stabilise the retrieval. In the lower stratosphere, we find a global volume mixing ratio of HCFC-22 of about 185 pptv in January 2005. The rate of linear growth in the lower latitudes lower stratosphere was about 6 to 7 pptv year−1 in the period 2005–2012. The profiles obtained were compared with ACE-FTS satellite data v3.5, as well as with MkIV balloon profiles and cryosampler balloon measurements. Between 13 and 22 km, average agreement within −3 to +5 pptv (MIPAS – ACE) with ACE-FTS v3.5 profiles is demonstrated. Agreement with MkIV solar occultation balloon-borne measurements is within 10–20 pptv below 30 km and worse above, while in situ cryosampler balloon measurements are systematically lower over their full altitude range by 15–50 pptv below 24 km and less than 10 pptv above 28 km. MIPAS HCFC-22 time series below 10 km altitude are shown to agree mostly well to corresponding time series of near-surface abundances from the NOAA/ESRL and AGAGE networks, although a more pronounced seasonal cycle is obvious in the satellite data. This is attributed to tropopause altitude fluctuations and subsidence of polar winter stratospheric air into the troposphere. A parametric model consisting of constant, linear, quasi-biennial oscillation (QBO) and several sine and cosine terms with different periods has been fitted to the temporal variation of stratospheric HCFC-22 for all 10°-latitude/1-to-2-km-altitude bins. The relative linear variation was always positive, with relative increases of 40–70 % decade−1 in the tropics and global lower stratosphere, and up to 120 % decade−1 in the upper stratosphere of the northern polar region and the southern extratropical hemisphere. Asian HCFC-22 emissions have become the major source of global upper tropospheric HCFC-22. In the upper troposphere, monsoon air, rich in HCFC-22, is instantaneously mixed into the tropics. In the middle stratosphere, between 20 and 30 km, the observed trend is inconsistent with the trend at the surface (corrected for the age of stratospheric air), hinting at circulation changes. There exists a stronger positive trend in HCFC-22 in the Southern Hemisphere and a more muted positive trend in the Northern Hemisphere, implying a potential change in the stratospheric circulation over the observation period.
We report on HCFC-22 data acquired by the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) in reduced spectral resolution nominal mode in the period from January 2005 to April 2012 from version 5.02 level-1b spectral data and covering an altitude range from the upper troposphere (above cloud top altitude) to about 50 km. The profile retrieval was performed by constrained nonlinear least squares fitting of measured limb spectral radiances to modelled spectra. The spectral v4-band at 816.5 ± 13 cm-1 was used for the retrieval. A Tikhonov-type smoothing constraint was applied to stabilise the retrieval. In the lower stratosphere, we find a global volume mixing ratio of HCFC-22 of about 185 pptv in January 2005. The linear growth rate in the lower latitudes lower stratosphere was about 6 to 7 pptv yr-1 in the period 2005–2012. The obtained profiles were compared with ACE-FTS satellite data v3.5, as well as with MkIV balloon profiles and in situ cryosampler balloon measurements. Between 13 and 22 km, average agreement within -3 to +5 pptv (MIPAS–ACE) with ACE-FTS v3.5 pro files is demonstrated. Agreement with MkIV solar occultation balloon-borne measurements is within 10–20 pptv below 30 km and worse above, while in situ cryosampler balloon measurements are systematically lower over their full altitude range by 15– 50 pptv below 24 km and less than 10 pptv above 28 km. Obtained MIPAS HCFC-22 time series below 10 km altitude are shown to agree mostly well to corresponding time series of near-surface abundances from NOAA/ESRL and AGAGE networks, although a more pronounced seasonal cycle is obvious in the satellite data, probably due to tropopause altitude fluctuations and subsidence of polar winter stratospheric air into the troposphere. A parametric model consisting of constant, linear, quasi-biennial oscillation (QBO) and several sine and cosine terms with different periods has been fitted to the temporal variation of stratospheric HCFC-22 for all 10° latitude/1 to 2 km altitude bins. The relative linear variation was always positive, with relative increases of 40–70%decade-1 in the tropics and global lower stratosphere, and up to 120%decade-1 in the upper stratosphere of the northern polar region and the southern extratropical hemisphere. In the middle stratosphere between 20 and 30 km, the observed trend is not consistent with the age of stratospheric air-corrected trend at ground, but stronger positive at the Southern Hemisphere and less strong increasing in the Northern Hemisphere, hinting towards changes in the stratospheric circulation over the observation period.
Highlights
• Constrictional structures range from dome-and-basin folds to coeval folds and boudins.
• Under bulk constriction, the competent layer rotates slower than a passive plane.
• Extension-parallel and –perpendicular folds grow simultaneously.
• Extension-perpendicular folds affect previous boudins.
Abstract
We conducted scaled analogue modelling to show the influence of varying single layer initial orientation on the geometry of folds and boudins in a bulk constrictional strain field. The initial angle between the plane of shortening and the competent layer (θZ(i)) was incrementally increased from 0° to 90° by multiples of 11.25°. While the amount of layer thickening decreased with increasing θZ(i), the deformation structures produced range from pure dome-and-basin folds to coeval folds and boudins. Based on the attitude of fold axes, there are extension-parallel (FEPR) and extension-perpendicular (FEPP) folds, with axes subparallel and subperpendicular to the principal stretching axis (X), respectively. Coeval growth of FEPR folds and boudins occurred when θZ(i) > ca. 25°. The FEPP folds can be subdivided into a first type which affect the entire layer (if θZ(i) ranges between 11.25 and 78.75°) and a second type, referred to as FBEPP folds, which are affecting pre-existing boudins if θZ(i) > 45°. The interlimb angle of all types of folds increases with increasing θZ(i). Folds and boudins similar to the ones produced in this study can be found in salt domes and in tectonites of subduction zones.
Current atmospheric models do not include secondary organic aerosol (SOA) production from gas-phase reactions of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Recent studies have shown that primary semivolatile emissions, previously assumed to be inert, undergo oxidation in the gas phase, leading to SOA formation. This opens the possibility that low-volatility gas-phase precursors are a potentially large source of SOA. In this work, SOA formation from gas-phase photooxidation of naphthalene, 1-methylnaphthalene (1-MN), 2-methylnaphthalene (2-MN), and 1,2-dimethylnaphthalene (1,2-DMN) is studied in the Caltech dual 28-m3 chambers. Under high-NOx conditions and aerosol mass loadings between 10 and 40 microg m-3, the SOA yields (mass of SOA per mass of hydrocarbon reacted) ranged from 0.19 to 0.30 for naphthalene, 0.19 to 0.39 for 1-MN, 0.26 to 0.45 for 2-MN, and constant at 0.31 for 1,2-DMN. Under low-NOx conditions, the SOA yields were measured to be 0.73, 0.68, and 0.58, for naphthalene, 1-MN, and 2-MN, respectively. The SOA was observed to be semivolatile under high-NOx conditions and essentially nonvolatile under low-NOx conditions, owing to the higher fraction of ring-retaining products formed under low-NOx conditions. When applying these measured yields to estimate SOA formation from primary emissions of diesel engines and wood burning, PAHs are estimated to yield 3–5 times more SOA than light aromatic compounds. PAHs can also account for up to 54% of the total SOA from oxidation of diesel emissions, representing a potentially large source of urban SOA.
Current atmospheric models do not include secondary organic aerosol (SOA) production from gas-phase reactions of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Recent studies have shown that primary semivolatile emissions, previously assumed to be inert, undergo oxidation in the gas phase, leading to SOA formation. This opens the possibility that low-volatility gas-phase precursors are a potentially large source of SOA. In this work, SOA formation from gas-phase photooxidation of naphthalene, 1-methylnaphthalene (1-MN), 2-methylnaphthalene (2-MN), and 1,2-dimethylnaphthalene (1,2-DMN) is studied in the Caltech dual 28-m3 chambers. Under high-NOx conditions and aerosol mass loadings between 10 and 40 μg m, the SOA yields (mass of SOA per mass of hydrocarbon reacted) ranged from 0.19 to 0.30 for naphthalene, 0.19 to 0.39 for 1-MN, 0.26 to 0.45 for 2-MN, and constant at 0.31 for 1,2-DMN. Under low-NOx conditions, the SOA yields were measured to be 0.73, 0.68, and 0.58, for naphthalene, 1-MN, and 2-MN, respectively. The SOA was observed to be semivolatile under high-NOx conditions and essentially nonvolatile under low-NOx conditions, owing to the higher fraction of ring-retaining products formed under low-NOx conditions. When applying these measured yields to estimate SOA formation from primary emissions of diesel engines and wood burning, PAHs are estimated to yield 3–5 times more SOA than light aromatic compounds. PAHs can also account for up to 54% of the total SOA from oxidation of diesel emissions, representing a potentially large source of urban SOA.
PolarCAP – A deep learning approach for first motion polarity classification of earthquake waveforms
(2022)
Highlights
• We present PolarCAP, a deep learning model that can classify the polarity of a waveform with a 98% accuracy.
• The first-motion polarity of seismograms is a useful parameter, but its manual determination can be laborious and imprecise.
• We demonstrate that in several cases the model can assign trace polar-ity more accurately than a human analyst.
Abstract
The polarity of first P-wave arrivals plays a significant role in the effective determination of focal mechanisms specially for smaller earthquakes. Manual estimation of polarities is not only time-consuming but also prone to human errors. This warrants a need for an automated algorithm for first motion polarity determination. We present a deep learning model - PolarCAP that uses an autoencoder architecture to identify first-motion polarities of earth-quake waveforms. PolarCAP is trained in a supervised fashion using more than 130,000 labelled traces from the Italian seismic dataset (INSTANCE) and is cross-validated on 22,000 traces to choose the most optimal set of hyperparameters. We obtain an accuracy of 0.98 on a completely unseen test dataset of almost 33,000 traces. Furthermore, we check the model generalizability by testing it on the datasets provided by previous works and show that our model achieves a higher recall on both positive and negative polarities.
The Weissert Event ~133 million years ago marked a profound global cooling that punctuated the Early Cretaceous greenhouse. We present modelling, high-resolution bulk organic carbon isotopes and chronostratigraphically calibrated sea surface temperature (SSTs) based on an organic paleothermometer (the TEX86 proxy), which capture the Weissert Event in the semi-enclosed Weddell Sea basin, offshore Antarctica (paleolatitude ~54 °S; paleowater depth ~500 meters). We document a ~3–4 °C drop in SST coinciding with the Weissert cold end, and converge the Weddell Sea data, climate simulations and available worldwide multi-proxy based temperature data towards one unifying solution providing a best-fit between all lines of evidence. The outcome confirms a 3.0 °C ( ±1.7 °C) global mean surface cooling across the Weissert Event, which translates into a ~40% drop in atmospheric pCO2 over a period of ~700 thousand years. Consistent with geologic evidence, this pCO2 drop favoured the potential build-up of local polar ice.
Biogenic organic precursors play an important role in atmospheric new particle formation (NPF). One of the major precursor species is α-pinene, which upon oxidation can form a suite of products covering a wide range of volatilities. Highly oxygenated organic molecules (HOMs) comprise a fraction of the oxidation products formed. While it is known that HOMs contribute to secondary organic aerosol (SOA) formation, including NPF, they have not been well studied in newly formed particles due to their very low mass concentrations. Here we present gas- and particle-phase chemical composition data from experimental studies of α-pinene oxidation, including in the presence of isoprene, at temperatures (−50 and −30 ∘C) and relative humidities (20 % and 60 %) relevant in the upper free troposphere. The measurements took place at the CERN Cosmics Leaving Outdoor Droplets (CLOUD) chamber. The particle chemical composition was analyzed by a thermal desorption differential mobility analyzer (TD-DMA) coupled to a nitrate chemical ionization–atmospheric pressure interface–time-of-flight (CI-APi-TOF) mass spectrometer. CI-APi-TOF was used for particle- and gas-phase measurements, applying the same ionization and detection scheme. Our measurements revealed the presence of C8−10 monomers and C18−20 dimers as the major compounds in the particles (diameter up to ∼ 100 nm). Particularly, for the system with isoprene added, C5 (C5H10O5−7) and C15 compounds (C15H24O5−10) were detected. This observation is consistent with the previously observed formation of such compounds in the gas phase. However, although the C5 and C15 compounds do not easily nucleate, our measurements indicate that they can still contribute to the particle growth at free tropospheric conditions. For the experiments reported here, most likely isoprene oxidation products enhance the growth of particles larger than 15 nm. Additionally, we report on the nucleation rates measured at 1.7 nm (J1.7 nm) and compared with previous studies, we found lower J1.7 nm values, very likely due to the higher α-pinene and ozone mixing ratios used in the present study.
Biogenic organic precursors play an important role in atmospheric new particle formation (NPF). One of the major precursor species is α-pinene, which upon oxidation can form a suite of products covering a wide range of volatilities. Highly oxygenated organic molecules (HOMs) comprise a fraction of the oxidation products formed. While it is known that HOMs contribute to secondary organic aerosol (SOA) formation, including NPF, they have not been well studied in newly formed particles due to their very low mass concentrations. Here we present gas- and particle-phase chemical composition data from experimental studies of α-pinene oxidation, including in the presence of isoprene, at temperatures (−50 and −30 ∘C) and relative humidities (20 % and 60 %) relevant in the upper free troposphere. The measurements took place at the CERN Cosmics Leaving Outdoor Droplets (CLOUD) chamber. The particle chemical composition was analyzed by a thermal desorption differential mobility analyzer (TD-DMA) coupled to a nitrate chemical ionization–atmospheric pressure interface–time-of-flight (CI-APi-TOF) mass spectrometer. CI-APi-TOF was used for particle- and gas-phase measurements, applying the same ionization and detection scheme. Our measurements revealed the presence of C8−10 monomers and C18−20 dimers as the major compounds in the particles (diameter up to ∼ 100 nm). Particularly, for the system with isoprene added, C5 (C5H10O5−7) and C15 compounds (C15H24O5−10) were detected. This observation is consistent with the previously observed formation of such compounds in the gas phase. However, although the C5 and C15 compounds do not easily nucleate, our measurements indicate that they can still contribute to the particle growth at free tropospheric conditions. For the experiments reported here, most likely isoprene oxidation products enhance the growth of particles larger than 15 nm. Additionally, we report on the nucleation rates measured at 1.7 nm (J1.7 nm) and compared with previous studies, we found lower J1.7 nm values, very likely due to the higher α-pinene and ozone mixing ratios used in the present study.
Atmospheric particles play an important role in the radiative balance of the Earth, as well as they affect human health and air quality. Hence, the chemical characterization constitutes a crucial task to determinate their properties, sources and fate. Particularly, the analysis of nanoparticles (d<100 nm) represents an analytical challenge, since these particles are abundant in number but have very little mass.
This accumulative thesis focuses on the chemical characterization of nanoparticles, performed in both laboratory and field studies. Here, I present four manuscripts, two of which are my main project as a lead author.
The first manuscript (Caudillo et al., 2021) focuses on the gas and the particle phase originated from biogenic precursor gases (α-pinene and isoprene). The experiments were performed in the CLOUD chamber at CERN to simulate pure biogenic new particle formation. Both gas and particle phases are measured with a nitrate CI-APi-TOF mass spectrometer, while the TD-DMA is coupled to it for particle-phase measurements, this setup allows a direct comparison as both measurements use the identical chemical ionization and detector. This study demonstrates the suitability of the TD-DMA for measuring newly formed nanoparticles and it confirms that isoprene suppresses new particle formation but contributes to the growth of newly formed particles.
The second manuscript (Caudillo et al., 2022) presents an intercomparison of four different techniques (including the TD-DMA) for measuring the chemical composition of SOA nanoparticles. The measurements were conducted in the CLOUD chamber. The intercomparison was done by contrasting the observed chemical composition, the calculated volatility, and the thermal desorption behavior (for the thermal desorption techniques). The methods generally agreed on the most important compounds that are found in the nanoparticles. However, they did see different parts of the organic spectrum. Potential explanations for these differences are suggested.
The third manuscript (Ungeheuer al., 2022) presents both laboratory and ambient measurements to investigate the ability of lubricant oil to form new particles. These new particles are an important source of ultrafine particles in the areas nearby large airports. The ambient measurements were performed downwind of Frankfurt International Airport, and it was found that the fraction of lubricant oil is largest in the smallest particles. In the laboratory, the main finding was that evaporated lubricant oil nucleates and forms new particles rapidly. The results suggest that nucleation of lubricant oil and subsequent particle growth can occur in the cooling exhaust plumes of aircraft-turbofans.
The fourth manuscript (Wang et al., 2022) is a new particle formation study in the CLOUD chamber at CERN. This study shows that nitric acid, sulfuric acid, and ammonia interact synergistically and rapidly form particles under upper free tropospheric conditions. These particles can grow by condensation (driven by the availability of ammonia) up to CCN sizes and INP particles. The ability of these particles to act as a CCN and INP was also investigated and it was found to be as efficient as for desert dust. This mechanism constitutes an important finding and it can account for previous observations of high concentrations of ammonia and ammonium nitrate over the Asia monsoon region.
Forests are important components of the greenhouse gas balance of Europe. There is considerable uncertainty about how predicted changes to climate and nitrogen deposition will perturb the carbon and nitrogen cycles of European forests and thereby alter forest growth, carbon sequestration and N2O emission. The present study aimed to quantify the carbon and nitrogen balance, including the exchange of greenhouse gases, of European forests over the period 2010–2030, with a particular emphasis on the spatial variability of change. The analysis was carried out for two tree species: European beech and Scots pine. For this purpose, four different dynamic models were used: BASFOR, DailyDayCent, INTEGRATOR and Landscape-DNDC. These models span a range from semi-empirical to complex mechanistic. Comparison of these models allowed assessment of the extent to which model predictions depended on differences in model inputs and structure. We found a European average carbon sink of 0.160 ± 0.020 kgC m−2 yr−1 (pine) and 0.138 ± 0.062 kgC m−2 yr−1 (beech) and N2O source of 0.285 ± 0.125 kgN ha−1 yr−1 (pine) and 0.575 ± 0.105 kgN ha−1 yr−1 (beech). The European average greenhouse gas potential of the carbon source was 18 (pine) and 8 (beech) times that of the N2O source. Carbon sequestration was larger in the trees than in the soil. Carbon sequestration and forest growth were largest in central Europe and lowest in northern Sweden and Finland, N. Poland and S. Spain. No single driver was found to dominate change across Europe. Forests were found to be most sensitive to change in environmental drivers where the drivers were limiting growth, where changes were particularly large or where changes acted in concert. The models disagreed as to which environmental changes were most significant for the geographical variation in forest growth and as to which tree species showed the largest rate of carbon sequestration. Pine and beech forests were found to have differing sensitivities to environmental change, in particular the response to changes in nitrogen and precipitation, with beech forest more vulnerable to drought. There was considerable uncertainty about the geographical location of N2O emissions. Two of the models BASFOR and LandscapeDNDC had largest emissions in central Europe where nitrogen deposition and soil nitrogen were largest whereas the two other models identified different regions with large N2O emission. N2O emissions were found to be larger from beech than pine forests and were found to be particularly sensitive to forest growth.
Environmental change impacts on the C- and N-cycle of European forests: a model comparison study
(2013)
Forests are important components of the greenhouse gas balance of Europe. There is considerable uncertainty about how predicted changes to climate and nitrogen deposition will perturb the carbon and nitrogen cycles of European forests and thereby alter forest growth, carbon sequestration and N2O emission. The present study aimed to quantify the carbon and nitrogen balance, including the exchange of greenhouse gases, of European forests over the period 2010–2030, with a particular emphasis on the spatial variability of change. The analysis was carried out for two tree species: European beech and Scots pine. For this purpose, four different dynamic models were used: BASFOR, DailyDayCent, INTEGRATOR and Landscape-DNDC. These models span a range from semi-empirical to complex mechanistic. Comparison of these models allowed assessment of the extent to which model predictions depended on differences in model inputs and structure. We found a European average carbon sink of 0.160 ± 0.020 kgC m−2 yr−1 (pine) and 0.138 ± 0.062 kgC m−2 yr−1 (beech) and N2O source of 0.285 ± 0.125 kgN ha−1 yr−1 (pine) and 0.575 ± 0.105 kgN ha−1 yr−1 (beech). The European average greenhouse gas potential of the carbon sink was 18 (pine) and 8 (beech) times that of the N2O source. Carbon sequestration was larger in the trees than in the soil. Carbon sequestration and forest growth were largest in central Europe and lowest in northern Sweden and Finland, N. Poland and S. Spain. No single driver was found to dominate change across Europe. Forests were found to be most sensitive to change in environmental drivers where the drivers were limiting growth, where changes were particularly large or where changes acted in concert. The models disagreed as to which environmental changes were most significant for the geographical variation in forest growth and as to which tree species showed the largest rate of carbon sequestration. Pine and beech forests were found to have differing sensitivities to environmental change, in particular the response to changes in nitrogen and precipitation, with beech forest more vulnerable to drought. There was considerable uncertainty about the geographical location of N2O emissions. Two of the models BASFOR and LandscapeDNDC had largest emissions in central Europe where nitrogen deposition and soil nitrogen were largest, whereas the two other models identified different regions with large N2O emission. N2O emissions were found to be larger from beech than pine forests and were found to be particularly sensitive to forest growth.
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 and the perturbed water distribution in the TTL is illustrated and discussed.
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.
Meteorologie
(2016)
Die Wetterkunde setzt sich aus vier Tätigkeitsfeldern zusammen: Datensammlung, Modellentwicklung, Prognostik und Wettersteuerung. Die Vorhersage zukünftiger Wetterereignisse stellt mithin nur eines von mehreren Aufgabengebieten dar. In ihrer Geschichte verlief die Entwicklung der vier Felder lange Zeit weitgehend separat. In den Agrar- und Seefahrergesellschaften der Antike führten Stadtverwaltungen und Tempel kalendarische Aufzeichnungen über alle Arten von Himmelsereignissen. Kosmologische Modelle wurden in der Naturphilosophie entworfen. Aristoteles unterschied dabei den Gegenstandbereich der 'Uranologie', die sich mit feststehenden Körpern wie Fixsternen und sich regelmäßig bewegenden Körpern wie Planeten beschäftigt, von dem der 'Meteorologie', die es mit singulären oder unregelmäßigen Ereignissen wie den Witterungserscheinungen zu tun hat. Für Prognosen in diesem Bereich stützte man sich auf Erfahrungswerte und ein Denken in Wenn-dann-Strukturen: Das Auftreten oder Ausbleiben von Himmelsphänomenen oder ihrer Kombination und das Verhalten von Pflanzen und Tieren zu bestimmten Tageszeiten wurde als Anzeichen für zukünftige Wetterereignisse gedeutet. Dieses Wissen bezog sich allein auf die alltägliche Nutzanwendung und war nicht an Erklärungen interessiert. In der Antike muss deshalb nicht die Meteorologie, sondern die Wetterprophetie als das wetterkundliche Zukunftswissen gelten. Die Mittel zur Beeinflussung des Wetters schließlich bestanden in Zaubern und Gebeten.1 An dieser Trennung der verschiedenen Tätigkeitsfelder der Wetterkunde änderte sich im Mittelalter und in der frühen Neuzeit kaum etwas.
The complete elastic stiffness tensor of thiourea has been determined from thermal diffuse scattering (TDS) using high-energy photons (100 keV). Comparison with earlier data confirms a very good agreement of the tensor coefficients. In contrast with established methods to obtain elastic stiffness coefficients (e.g. Brillouin spectroscopy, inelastic X-ray or neutron scattering, ultrasound spectroscopy), their determination from TDS is faster, does not require large samples or intricate sample preparation, and is applicable to opaque crystals. Using high-energy photons extends the applicability of the TDS-based approach to organic compounds which would suffer from radiation damage at lower photon energies.
The seasonality of transport and mixing of air into the lowermost stratosphere (LMS) is studied using distributions of mean age of air and a~mass balance approach, based on in-situ observations of SF6 and CO2 during the SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion, trace gas transport in the tropopause region) aircraft campaigns. Combining the information of the mean age of air and the water vapour distributions we demonstrate that the tropospheric air transported into the LMS above the extratropical tropopause layer (ExTL) originates predominantly from the tropical tropopause layer (TTL). The concept of our mass balance is based on simultaneous measurements of the two passive tracers and the assumption that transport into the LMS can be described by age spectra which are superposition of two different modes. Based on this concept we conclude that the stratospheric influence on LMS composition is strongest in April with tropospheric fractions (α1) below 20% and that the strongest tropospheric signatures are found in October with (α1 greater than 80%. Beyond the fractions, our mass balance concept allows to calculate the associated transit times for transport of tropospheric air from the tropics into the LMS. The shortest transit times (<0.3 years) are derived for the summer, continuously increasing up to 0.8 years by the end of spring. These findings suggest that strong quasi-horizontal mixing across the weak subtropical jet from summer to mid of autumn and the considerably shorter residual transport time-scales within the lower branch of the Brewer-Dobson circulation in summer than in winter dominates the tropospheric influence in the LMS until the beginning of next year's summer.
The seasonality of transport and mixing of air into the lowermost stratosphere (LMS) is studied using distributions of mean age of air and a mass balance approach, based on in-situ observations of SF6 and CO2 during the SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion, trace gas transport in the tropopause region) aircraft campaigns. Combining the information of the mean age of air and the water vapour distributions we demonstrate that the tropospheric air transported into the LMS above the extratropical tropopause layer (ExTL) originates predominantly from the tropical tropopause layer (TTL). The concept of our mass balance is based on simultaneous measurements of the two passive tracers and the assumption that transport into the LMS can be described by age spectra which are superposition of two different modes. Based on this concept we conclude that the stratospheric influence on LMS composition is strongest in April with extreme values of the tropospheric fractions (alpha1) below 20% and that the strongest tropospheric signatures are found in October with alpha1 greater than 80%. Beyond the fractions, our mass balance concept allows us to calculate the associated transit times for transport of tropospheric air from the tropics into the LMS. The shortest transit times (<0.3 years) are derived for the summer, continuously increasing up to 0.8 years by the end of spring. These findings suggest that strong quasi-horizontal mixing across the weak subtropical jet from summer to mid of autumn and the considerably shorter residual transport time-scales within the lower branch of the Brewer-Dobson circulation in summer than in winter dominates the tropospheric influence in the LMS until the beginning of next year's summer.
In this paper we present evidence that the observed increase in tropical upwelling after the year 2000 may be attributed to a change in the Brewer-Dobson circulation pattern. For this purpose, we use the concept of transit times derived from residual circulation trajectories and different in-situ measurements of ozone and nitrous dioxide. Observations from the Canadian midlatitude ozone profile record, probability density functions of in-situ N2O observations and a shift of the N2O-O3 correlation slopes, taken together, indicate that the increased upwelling in the tropics after the year 2000 appears to have triggered an intensification of tracer transport from the tropics into the extratropics in the lower stratosphere below about 500 K. This finding is corroborated by the fact that transit times along the shallow branch of the residual circulation into the LMS have decreased for the same time period (1993–2003). On a longer time scale (1979–2009), the transit time of the shallow residual circulation branch show a steady decrease of about −1 month/decade over the last 30 years, while the transit times of the deep branch remain unchanged. This highlights the fact that a change in the upwelling across the tropical tropopause is not a direct indicator for changes of the whole Brewer-Dobson circulation.
In this paper we present evidence that the observed increase in tropical upwelling after the year 2000 may be attributed to a change in the Brewer-Dobson circulation pattern. For this purpose, we use the concept of transit times derived from residual circulation trajectories and different in-situ measurements of ozone and nitrous dioxide. Observations from the Canadian midlatitude ozone profile record, probability density functions of in-situ N2O observations and a shift of the N2O-O3 correlation slopes, taken together, indicate that the increased upwelling in the tropics after the year 2000 appears to have triggered an intensification of tracer transport from the tropics into the extratropics in the lower stratosphere below about 500 K. This finding is corroborated by the fact that transit times along the shallow branch of the residual circulation into the LMS have decreased for the same time period (1993–2003). On a longer time scale (1979–2009), the transit time of the shallow residual circulation branch show a steady decrease of about −1 month/decade over the last 30 yr, while the transit times of the deep branch remain unchanged. This highlights that changes in the upwelling across the tropical tropopause are not sufficient as an indicator for changes in the entire Brewer-Dobson circulation.
Im Rahmen des Projektes SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion) als Teil des deutschen Atmosphärenforschungsprogramms AFO 2000 wurden bei 8 Messkampagnen mit insgesamt 36 Flügen innerhalb eines Beobachtungszeitraums von zwei Jahren (Nov. 2001 bis Juli 2003) Spurengasmessungen in dem Breitenbereich zwischen 35°N und 75°N durchgeführt. Für die Messungen der Spurengase N2O, F12, SF6, H2 und CO wurde der vollautomatisierte in-situ GC (Gaschromatograph) GhOST II (Gas Chromatograph for the Observation of Stratospheric Tracers) entwickelt und eingesetzt. Das Ziel dieser Messungen war die Untersuchung der jahreszeitlichen Variabilität der Spurengase in der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (UT/LMS: Upper Troposphere/Lowermost Stratosphere), um die Transport- und Austauschprozesse in der Tropopausenregion besser zu verstehen. Zur Untersuchung von Transport und Mischung in der UT/LMS wurden die Rückwärtstrajektorien entlang der Flugpfade, die Verteilungen der Tracer N2O, F12, SF6, CO und CO2 (MPI für Chemie in Mainz), die Tracer/Tracer-Korrelationen N2O/F12, N2O/O3 F12/O3 und SF6/O3 und die Verteilungen des aus SF6-Messungen berechnete mittlere Alters der Luft herangezogen. Zusätzlich wurden die simultanen Messungen der beiden Alterstracer CO2 und SF6 genutzt, um die Propagation der Amplitude des troposphärischen CO2-Jahresgangs in die LMS zu bestimmen und daraus mit Hilfe eines empirischen Altersspektrums den Eintrag und die mittlere Transportzeit aus der Troposphäre in die unterste Stratosphäre zu quantifizieren. Grundsätzlich muss die LMS in zwei Bereiche eingeteilt werden – die Übergangsschicht („tropopause following layer“) bis etwa 20-30 K über der potentiellen Temperatur der lokalen Tropopause [Hoor et al., 2004] und die freie LMS oberhalb dieser Schicht. Als wesentliche Unterscheidungsmerkmale beider Bereiche wird die mittlere Transportzeit des Eintrags troposphärischer Luft identifiziert. Aus Trajektorienuntersuchungen und Tracerverteilungen (Kap. 3.4) kann gezeigt werden, dass der Transport in die Übergangsschicht und die Mischungsprozesse in diesem Bereich auf der Zeitskala der mesoskaligen troposphärischen Prozesse ablaufen. Im Gegensatz dazu werden aus der Massenbilanz (Kap. 5.3) mittlere Transportzeiten aus der Troposphäre in die freie LMS von einigen Wochen bis zu mehreren Monaten abgeleitet. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass der troposphärische Eintrag in der freien LMS fast ausschließlich auf quasihorizontale isentrope Einmischung aus den Tropen über die Transportbarriere des Subtropenjets zurückzuführen ist. Nur im Sommer und Herbst konnte auch oberhalb der Übergangsschicht für einzelne Messungen ein Einfluss aus der extratropischen Troposphäre beobachtet werden. Die in dieser Arbeit untersuchten Tracerverteilungen und -korrelationen (Kap. 4) und die Verteilung des mittleren Alters (Kap.5.2) in der LMS zeigen einen Jahresgang mit einem maximalen troposphärischen Einfluss im Oktober und einem maximalen stratosphärischen Einfluss im April. Diese saisonale Charakteristik in der freien LMS kann durch die saisonalen Änderungen des Verhältnisses von Abwärtstransport aus der Overworld und quasihorizontalem Transport aus den Tropen und durch die mit den jeweiligen Transportprozessen assoziierte mittlere Transportzeiten erklärt werden, die aus Massenbilanzrechnungen bestimmt wurden. Es wird gezeigt, dass der überwiegende Eintrag von troposphärischer Luft in die LMS im Sommer und Herbst stattfindet, wobei im Mittel die kürzesten mittleren Transitzeiten (unter 0.3 Jahre) für den August und die längsten Transitzeiten (über 0.6 Jahre) für den Mai berechnet werden. Aus den Ergebnissen wird gefolgert, dass ein ausgeprägter isentroper Austauschprozess über den Subtropenjet im Sommer bis in den Herbst hinein der dominierende troposphärische Einfluss in der LMS bis in den Mai ist. Der Vergleich zwischen SPURT und anderen in der UT/LMS im Zeitraum von 1992 bis 1998 durchgeführten Messkampagnen zeigt einen systematischen Unterschied in den N2O/O3-Korrelationen. Die Zunahme von O3 relativ zu N2O in der LMS ist um etwa 6.5 ppb O3 pro 1 ppb N2O bzw. etwa 40% größer als die Zunahme bei jahreszeitlich vergleichbaren früheren Kampagnen. Durch eine weitergehende Analyse der Messungen, z.B. durch den Vergleich der N2O-Verteilungen in der LMS bei verschiedenen Messkampagnen, und zusätzlichen Informationen aus Satelliten- und Ballonmessungen wird abgeleitet, dass diese Änderung der N2O/O3-Korrelationen im Wesentlichen auf einen im Zeitraum von SPURT stärkeren quasihorizontalen Transport aus den Tropen in die Extratropen im Bereich des so genannten „tropical controlled transition layer“ [Rosenlof et al., 1997] zwischen 16-21 km (bzw. Θ ≈ 380-450 K) zurückzuführen ist. In Kooperation mit B. Bregman wurden mit dem Chemie-Transport-Modell TM5 des KNMI die Verteilungen von SF6 und CO2 in der Troposphäre und Stratosphäre, unter den Zielsetzungen Evaluation des Modelltransports und Erweiterung des Datensatzes von SPURT auf globalen Maßstab, für den Zeitraum 1.1.2000 bis 31.12.2002 modelliert. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Modellstudien zur Evaluation des Transports mit Hilfe von Alterstracern nicht nur troposphärisch monoton steigende Tracer wie SF6 sondern auch saisonal variable Tracer wie CO2 verwendet werden müssen. Bei dem Vergleich der Modellergebnisse des TM5 mit ER2- und SPURTMessungen zeigt sich, dass das Modell zum jetzigen Zeitpunkt in der Lage ist, das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre und die SF6- und CO2-Verteilungen in der LMS qualitativ richtig wiederzugeben. Das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre wird um etwa 0.5 bis 1 Jahr in den Tropen über- und in den Extratropen unterschätzt. Die vertikalen Gradienten im Modell für SF6 und CO2 in der LMS sind, insbesondere im Winter und Frühjahr, zu gering. Die Amplitude des CO2-Jahresganges in der oberen Troposphäre und in der LMS wird durch das Modell unterschätzt, während der saisonale Verlauf des Jahresganges richtig wiedergegeben wird. Im Moment wird vermutet, dass eine zu starke isentrope Mischung zwischen Tropen und Extratropen und/oder ein zu geringer Aufwärtstransport in der extratropischen Troposphäre im Sommer und Herbst die Ursachen für die beobachteten Abweichungen zwischen Modell und Messung sind.
Am 27. Januar 1981 verstarb an den Folgen eines tragischen Verkehrsunfalls das Ehrenmitglied des Naturwissenschaftlichen Vereins Osnabrück, Prof. Dr. GERHARD KELLER aus Ibbenbüren in seinem 77. Lebensjahr. Der Naturwissenschaftliche Verein Osnabrück gedenkt des Geologen und Naturwissenschaftlers GERHARD KELLER in seinem weit gespannten wissenschaftlichen Wirkungskreis und der besonderen Hinwendung zur Geologie seiner näheren Heimat, dem Osnabrücker Bergland und Teutoburger Wald.
This thesis is focusing on the impact of Paratethys and Mediterranean water bodies over the Eurasian climate and the interplay between climate, tectonics and biosphere during the late Miocene. This target was the interval between 12.7 and 7.65 Ma for Paratethys, following the Eastern Paratethys restriction and isolation, and 7.2−6.5 Ma (the early Messinian) in Mediterranean, zooming on the effects of gateway restrictions over the eastern Mediterranean and the new born Aegean domain. In both cases restriction is overlapping with large scale climatic changes and tectonic reconfiguration, leading a sort of symbiotic relationship.
Paratethys was a giant epicontinental sea that covered a large part of Eurasia since Paleogene. Due to the Eurasia-Afro-Arabia collision and formation of the Alpine-Himalayan belt (Rögl, 1999; Popov et al., 2006), the Paratethys was divided during the late Miocene in smaller basins that in time were isolated of each other. The protracted isolation and intense continentalisation of paratethyan realm led to changes in humidity distribution, basin connectivity, sediment sources and salinity. These changes had in turn major consequences over water circulation, water availability, vegetation cover and biota. These changes are more intense after 11.6 Ma, when the Eastern Paratethys lost any sustained marine connection, evolving into an enclosed system with endemic fauna (Harzhauser and Piller, 2007).
Mediterranean Sea is a Mezozoic oceanic relic squeezed between Africa, Europe, Anatolia and Arabia, as Africa continued to subduct beneath the European plate. As opposed to Paratethys, it maintained the open connection with the ocean until Messinian, when the two Atlantic gateways (Betic and Rifian corridors) closed for a short time, isolating the basin. The cut off resulted in a dramatic drop down and onset of evaporitic precipitation in marginal basins, the event receiving the name of Messinian Salinity Crisis (5.97−5.55). The restriction affected all marine ecosystems, due to changes in salinity and stratification of water column.
The main objectives of this thesis were:
(1) build valid paleo-temperatures records for both basins based on biomarkers;
(2) reconstruct the hydrology for the late Miocene time interval;
(3) identify vegetation composition and changes;
(4) identify paleo-fires in the late Miocene sediment records;
(5) identify the biotic response to the overall climate and tectonic changes.
All the above objectives were attained with results published in specific journals (Chapters 5−7).
Based on Panagia section (Taman Peninsula, Russia) the longest Paratethys temperature record was completed (~5 Myr), covering the interval between 12.7 and 7.65 Ma. A comprehensive SST and MAT records was obtained, as well as soil pH and carbon (δ13C) and hydrogen (δ2H) stable isotopic compositions on n-alkanes and alkenones. The main findings are concentrated around three prolonged periods with severe droughts affecting the late Miocene circum-Paratethys region peaking at 9.65, 9.4 and 7.9 Ma, associated with a transition towards open land vegetation, intensification of fire activity and enhanced evaporation and aridity.
The time intervals with dryer conditions recorded in Panagia coincide with periods of mammal turnover and dispersal in Eurasia indicating that major environmental changes occurred in the circum-Paratethys region and Paratethys fragmentation had a great impact on the terrestrial ecosystems, when periods of prolonged droughts generated biotic crises and animal displacements across the Eurasian continent. The δ13CC29n-alkane values and charcoal morphologies from Panagia indicate an increased contribution of C4 plants adapted to drier conditions at 9.66 Ma. Similarly high δ13CC29n-alkane values continue until 9.4 Ma, when in Western Europe increased seasonality accelerated the demise of the evergreen subtropical woodlands and expansion of grasslands from Anatolia and Middle East to Europe.
As a result of basin fragmentation and climatic stress, the Eastern Paratethys sub-basins progressively lost their marine properties and turned into brackish-fresh water bodies fed primarily by riverine input. The shallower areas became in time emerged, obstructing connections and isolating the biota, inducing rapid adjusting or extinctions. Thus, the Paratethys harbored a highly endemic fauna (Rögl, 1999), such as dwarf whales, dolphins, seals (among mammals), as well as fish and other taxa (mollusks, ostracods, diatoms, foraminifera, algae, etc.).
Collectively the data structured and analyzed in chapter five support a model in which the Eastern Paratethys evolved as a largely (en)closed system, registering paleoenvironmental signals that are governed by interbasinal connectivity (or lack of it) and regional climate changes in the basin catchment. Acting as an important source of humidity for Western and Central Asia, the size and areal extent of the Paratethys water body is likely to have had a major impact on hydroclimate patterns in the Eurasian interior, with the cumulative fluctuations in both hydrology and surface temperature enhancing the aridity and seasonality, with different partition of moisture over the year. Our combined data suggests a decoupling of Paratethys from the global system as isolation advanced, dominated by regional tectonics and ultimately the Paratethys volume and areal extent reduction.
Der oder das (noch nicht im letzten Rechtschreibduden verzeichnete) "Geotop" ist ein erhaltens- und schutzwürdiges Objekt der geologischen Erdgeschichte bzw. "Geotope" sind erdgeschichtliche Bildungen der unbelebten Natur, die Erkenntnisse über die Entwicklung der Erde oder des Lebens vermitteln. Sie umfassen Aufschlüsse von Gesteinen, Böden, Mineralen und Fossilien sowie einzelne Naturschöpfungen oder natürliche Landschaftsteile" (S.ll).
Diamant hat besondere physikalische und optische Eigenschaften sowie eine starke Resistenz gegenüber Strahlenschädigung. Diese Eigenschaften ermöglichen eine vielfältige Anwendung von Diamant in Wissenschaft und Technik, wie zum Beispiel als Sensormaterial in Strahlungsdetektoren.
Kubisches Zirconiumdioxid (ZrO2) wird aufgrund seiner mechanisch und optisch ähnlichen Eigenschaften unter anderem an Stelle von Diamant eingesetzt. Es ist ebenfalls ein geeignetes Material für viele technische Anwendungen und wird durch seine Strahlenresistenz in Strahlungsumgebungen verwendet. Da beide Materialien in diesem Anwendungsbereich hoher energetischer Strahlung ausgesetzt sind, sind Reaktionen auf die Bestrahlung wie etwa strukturelle Veränderungen oder die Änderungen von Materialeigenschaften von großem Interesse.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Morphologie, Struktur und physikalischen Eigenschaften von Diamant und Yttriumoxid-stabilisiertem kubischem ZrO2 nach der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen und 1.6 GeV Au-Ionen untersucht. Die durch die Bestrahlung verursachten Veränderungen der Oberflächen und der bestrahlten Volumina wurden mit diversen komplementären analytischen Methoden charakterisiert, bewertet und für die verschiedenen Materialien und Ionenenergien verglichen.
Mittels Röntgenfluoreszenzmessungen wurde die Verteilung und Menge an implantiertem Au semi-quantitativ ermittelt. Die Oberflächen der Proben wurden mit optischer Mikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenreflektometrie und Elektronenrückstreubeugung untersucht. Strukturelle Veränderungen wurden mit Raman-Spektroskopie analysiert. Der elektrische Widerstand, die Dichte, die Härte sowie das Ätzverhalten der bestrahlten Proben wurden ermittelt und geben Auskunft über die Änderung physikalischer Eigenschaften der Materialien.
Diamant und kubisches ZrO2 reagieren sehr unterschiedlich auf die Bestrahlung mit Au-Ionen gleicher Energien und Fluenzen. Die Diamantproben zeigen nach der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen deutliche Veränderungen und Schädigungen der Oberfläche sowie des bestrahlten Volumens. Es wird eine Änderung der Struktur, der Dichte, der Härte, des elektrischen Widerstands sowie des Ätzverhaltens der Proben beobachtet, was auf die Amorphisierung von Diamant zurückgeführt wird. Kubisches ZrO2 ist deutlich strahlungsresistenter gegenüber der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen. Es werden keine signifikanten strukturellen Änderungen im getesteten Fluenzbereich beobachtet.
Die mit 1.6 GeV Au-Ionen bestrahlten Diamanten zeigen nur geringe Schädigungen und keine deutliche Änderung der Struktur oder der physikalischen Eigenschaften. Die kubischen ZrO2 Proben sind als Folge der Bestrahlung mit 1.6 GeV Au-Ionen zerbrochen, was auf hohe interne Spannung durch Defektbildung zurückgeführt wird.
Development of a Bioaerosol single particle detector (BIO IN) for the Fast Ice Nucleus CHamber FINCH
(2010)
In this work we present the setup and first tests of our new BIO IN detector. This detector was constructed to classify atmospheric ice nuclei (IN) for their biological content. It is designed to be coupled to the Fast Ice Nucleus CHamber FINCH. If one particle acts as an ice nucleus, it will be at least partly covered with ice at the end of the development section of the FINCH chamber. The device combines an auto-fluorescence detector and a circular depolarization detector for simultaneous detection of biological material and discrimination between water droplets, ice crystals and non activated large aerosol particles. The excitation of biological material with UV light and analysis of auto-fluorescence is a common principle used for flow cytometry, fluorescence microscopy, spectroscopy and imaging. The detection of auto-fluorescence of airborne single particles demands some more experimental effort. However, expensive commercial sensors are available for special purposes, e.g. size distribution measurements. But these sensors will not fit the specifications needed for the FINCH IN counter (e.g. high sample flow of up 10 LPM). The newly developed -low cost- BIO IN sensor uses a single high-power UV LED for the electronic excitation instead of much more expensive UV lasers. Other key advantages of the new sensor are the low weight, compact size, and the little effect on the aerosol sample, which allows it to be coupled with other instruments for further analysis. The instrument will be flown on one of the first missions of the new German research aircraft "HALO" (High Altitude and LOng range).
In this work we present the setup and first tests of our new BIO IN detector. This detector is designed to classify atmospheric ice nuclei (IN) for their biological content. Biological material is identified via its auto-fluorescence (intrinsic fluorescence) after irradiation with UV radiation. Ice nuclei are key substances for precipitation development via the Bergeron–Findeisen process. The level of scientific knowledge regarding origin and climatology (temporal and spatial distribution) of IN is very low. Some biological material is known to be active as IN even at relatively high temperatures of up to –2°C (e.g. pseudomonas syringae bacteria). These biological IN could have a strong influence on the formation of clouds and precipitation. We have designed the new BIO IN sensor to analyze the abundance of IN of biological origin. The instrument will be flown on one of the first missions of the new German research aircraft ''HALO'' (High Altitude and LOng Range).
Das Ziel dieser Arbeit wurde eingangs über den Begriff der erweiterten Schließung der optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel definiert. Hierunter versteht man das Zusammenfügen von verschiedenen Messungen zu einem konsistenten Bild der betrachteten Partikeleigenschaften. Darüber hinaus sollen die Messungen auch in anderen Teilgebieten der Aerosolphysik verwendbar sein, um so das konsistente Bild zu erweitern. Dieses so umschriebene Ziel konnte für die mikrophysikalischen und optischen Messergebnisse, die während des LACE 98 Experimentes, einem vom Bundesministerium für Forschung und Bildung (Bmb f) geförderten Schließungsexperiment, in Lindenberg (Brandenburg) rund 50 km südöstlich von Berlin im Juli und August 1998 erfasst wurden, erreicht werden. Die Messungen wurden erfolgreich zu einem konsistenten Datensatz und einem "Bild" der Partikeleigenschaften zusammengefügt. Unter dem Begriff "Bild" subsummiert sich hierbei nicht nur eine Charakterisierung der Variabilität und Abhängigkeit der Partikeleigenschaften, z.B. von der rel. Luftfeuchte, sondern darüber hinaus auch eine Charakterisierung der Beeinflussung verschiedener von den Eigenschaften der Partikel abhängiger Größen. Hierzu zählen Strahlungshaushaltsgrößen (Erwärmungsrate der Luft durch Absorption solarer Strahlung und die Volumenabsorption solarer Strahlung durch Partikel), wolkenphysikalische Größen (maximale Übersättigung der Wolkenluft während der Wolkenentstehung und Anzahlkonzentration der wachsenden Wolkentropfen), die massengewichtete mittlere Sedimentationsgeschwindigkeit von Partikeln und nicht zuletzt gesundheitsrelevante Größen, wie z.B. die vom Menschen beim Atmen aufgenommene und eingelagerte Partikelmasse. Nachfolgende Zusammenstellung soll nochmals die erzielten Ergebnisse zusammenfassen. Für eine detaillierte Darstellung der in den einzelnen Kapiteln erzielten Ergebnisse soll hier nur auf die jeweiligen Zusammenfassungen der einzelnen Kapitel verwiesen werden. . Im Rahmen der direkten Schließung, wurden unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der optischen Eigenschaften der Partikel erfolgreich miteinander verglichen. Beteiligt waren bei diesem Vergleich folgende Methoden: Partikel im trockenen Zustand: -- Aerosolphotometer (alle optischen Eigenschaften, ) -- Nephelometer (Streukoeffizient) -- PSAP (Absorptionskoeffizient) -- IPMethode (Absorptionskoeffizient) -- Telephotometer (Extinktionskoeffizient) Partikel bei Umgebungsfeuchte: -- Telephotometer (Extinktionskoeffizient) -- horizontales Lidar (Extinktionskoeffizient) Es zeigte sich, dass sich das Aerosolphotometer mit seinem schon aus der Theorie des Messverfahrens her begründeten konsistenten Satz aller optischen Eigenschaften als Referenzmethode während LACE 98 bewährte. Mit seiner Hilfe konnte nun auch die Gültigkeit einer empirischen Korrektur des PSAP nach Bond et al. [1999] für natürliche Aerosolpartikel bestätigt werden. Dem Anwender dieses Gerätes, das mit einer hervorragenden zeitlichen Auflösung von wenigen Minuten den Absorptionskoeffizienten bestimmt, stehen somit zwei unabhängig voneinander gewonnene Kalibrierungsfunktionen zur Verfügung, die innerhalb der Fehlergrenzen auch mit einander im Einklang stehen. . Im Rahmen der indirekten Schließung wurde ein Modell entwickelt, mit dem auf Basis eines Kugelschalenmodells der Partikel aus Messungen der mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel den Extinktions, den Streu- und den Absorptionskoeffizienten sowie die Single Scattering Albedo berechnet wurden. Mit Hilfe dieses Modells wurde der Feuchteeffekt der oben genannten optischen Eigenschaften berechnet. Mit diesen Ergebnissen konnten dann die Messwerte des Telephotometers feuchtekorrigiert, und mit den Messungen des Aerosolphotometers verglichen werden, wo bei eine gute Übereinstimmung der Messreihen festgestellt werden konnte. Die beobachteten Unterschiede konnten auf Ernteaktivitäten, die nur die Messungen des Telephotometers beeinflussten, zurückgeführt werden. Ein Vergleich der mit Hilfe des Modells auch direkt berechenbaren optischen Eigenschaften mit den direkten Messwerten der beteiligten Verfahren fiel ebenfalls positiv aus. Anhand aller Modellrechnungen wurde eine physikalisch motivierte Näherungsfunktion für den Feuchteeffekt des Extinktions- und des Streukoeffizienten als Funktion des Aktivierungsparameters bereit gestellt. In Klimamodellen kann mit Hilfe der vorgestellten Näherungsfunktionen der Feuchteeffekt auf einfache Weise parametrisiert werden. Wenn man allerdings konkrete Messergebnisse miteinander vergleichen möchte, ist man auf eine vollständige Erfassung der mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel angewiesen. . Im Teil IV der Arbeit wurden auf der Basis des zuvor vorgestellten Datensatzes und der hierfür entwickelten Verfahren (Algorithmen) weitere Auswertungen zu unterschiedlichen, für die Meteorologie interessanten Themengebieten, vorgestellt und ihre Ergebnisse charakterisiert. . In Kapitel 6.1 wurde mit Hilfe von Auswertegleichungen aus den in dieser Arbeit erstellten Messungen des Sieben-Sensor-Bilanzphotometers und den Messungen des Aerosolphotometers die Volumenabsorptionsrate solarer Strahlung der bodennahen Partikel und die daraus resultierende Erwärmungsrate der Luft berechnet. Die Ergebnisse wurden mit Literaturwerten anderer Messkampagnen verglichen. Insbesondere konnte ein interessantes Ergebnis von Hänel
Soil water potential is crucial to plant transpiration and thus to carbon cycling and biosphere–atmosphere interactions, yet it is difficult to measure in the field. Volumetric and gravimetric water contents are easy and cheap to measure in the field, but can be a poor proxy of plant-available water. Soil water content can be transformed to water potential using soil moisture retention curves. We provide empirically derived soil moisture retention curves for seven soil types in the Kruger National Park, South Africa. Site-specific curves produced excellent estimates of soil water potential from soil water content values. Curves from soils derived from the same geological substrate were similar, potentially allowing for the use of one curve for basalt soils and another for granite soils. It is anticipated that this dataset will help hydrologists and ecophysiologists understand water dynamics, carbon cycling and biosphere–atmosphere interactions under current and changing climatic conditions in the region.
The timing and duration of leaf deployment strongly regulate earth-atmosphere interactions and biotic processes. Leaf dynamics therefore have major implications for life on earth, including the global energy balance, carbon and water cycles, feedbacks to climate, species extinction risk and agriculture. Evidence of shifts in the timing of leaf deployment and senescence (leaf phenology) as a result of climate change has been accumulating over the past decades, particularly in relation to spring phenology in the northern hemisphere. However, leaf phenological change in other parts of the world has received less attention. This thesis quantifies global phenological change over the past three decades using remotely sensed data. Phenological change was found to be widespread and severe, also in the southern hemisphere. While the detected change testifies of the phenological plasticity of many plant species, it is not clear if the duration of leaf deployment (leaf habit) is equally sensitive to environmental change. Since evergreen and deciduous leaf habits are often distinctly sorted along environmental gradients, ecologists have hypothesised that these patterns result from natural selection for an optimal leaf habit, under a given environmental regime. Such evolutionary convergence can be examined by testing if the physiological niche that is occupied by a particular leaf habit (evergreen or deciduous) is similar among regions with distinct evolutionary histories. Using a process-based model of plant growth and a constructed map of evergreen and deciduous vegetation, the physiological niche of leaf habits was quantified in four global biogeographic realms. Substantial niche overlap was found between the same leaf habit in different realms, suggesting evolutionary convergence of the physiological niche. This implies a sensitivity of leaf habit to environmental change, as environmental variables determine the geographic space where the physiological niche allows a positive carbon balance, and therefore occurrence of the leaf habit. Since the physiological niche consists of the integrated effects of physiological traits and trade-offs, environmental dependencies and leaf habit and phenology, an understanding of the carbon economy of individual plants requires decomposing the physiological niche into its components. Using empirical data on leaf phenology, leaf habit and physiological processes from woody species in a seasonally dry African savanna, a simple carbon balance model was parametrised. Carbon gain varied considerably between species as a result of substantial variation in leaf habit, leaf phenology and physiological traits. The multiple lines of evidence in this thesis therefore suggest that, while convergent selective forces may determine the dominant leaf habit in a particular environment, inter-specific variation is substantial, potentially as a consequence of historical contingencies or competitive interactions.
Als Voraussetzung für die experimentellen Arbeiten wurde am Mineralogischen Institut in Frankfurt eine Hochdruckpresse mit einer Multi-Anvil-Apparatur vom Walker-Typ aufgebaut und kalibriert. Diese Arbeiten nahmen einen beträchtlichen Teil der Promotionszeit ein. In einer Reihe von Hochdruck-Experimenten wurde dann die maximale Löslichkeit von Aluminium und den Seltenerd-Elementen Lanthan, Gadolinium und Lutetium in den Phasen des CaSiO3-Systems im Druckbereich zwischen 2.0 und 13.0 GPa untersucht. Unsere Experimente ergaben eine Zunahme der maximalen Löslichkeit mit steigendem Druck, von Wollastonit über Ca-Walstromit, Larnit + Si-Titanit bis Ca-Perowskit. Ca-Perowskit zeigt extrem hohe SEE-Konzentrationen mit einem Maximum bei den mittleren SEE. In den anderen Phasen nimmt die Löslichkeit mit zunehmender Kompatibilität der SEE zu. Innerhalb der Stabilitätsfelder zeigte sich keine signifikante Druck- oder Temperatur-Abhängigkeit der maximalen Löslichkeit. Anhand der Mikrosonden-Analysen konnte gezeigt werden, dass der Einbau von Al und SEE in Ca-Walstromit nicht über eine gekoppelte Substitution erfolgt, sondern wahrscheinlich über eine Defektstruktur. Dies deckt sich mit unseren TEM-Untersuchungen an diesen synthetischen Produkten, die eine hohe Dichte an planaren Baufehlern mit leicht erhöhten SEE-Konzentrationen ergaben. In allen Ca-Silikat-Phasen lag die maximale Löslichkeit der Seltenen Erden höher als die Konzentration in natürlichen Proben. Damit steht fest, dass die in Einschlüssen gemessenen SEE-Gehalte „primär“ sind und sich nicht durch etwaige Entmischungen im Zuge einer Anpassung der Kristallstruktur an die veränderten P,T-Bedingungen verändert haben. Entmischungen in Form einer SEE-reichen Phase würden eine an LSEE extrem angereicherte Quelle voraussetzen. Ein Vergleich unserer Subsolidus-Experimente mit CaSiO3-Einschlüssen in Diamanten aus Guinea zeigt, dass einige mit bis zu 0.13 Gew.% Al2O3 an Aluminium gesättigt sind. Diese Tatsache ist besonders interessant bei der Interpretation Alhaltiger Einschlussphasen. Neben absoluten Spurenelement-Konzentrationen sind Verteilungskoeffizienten äußerst wertvolle Hilfsmittel bei der Bewertung natürlicher Proben. Die in der Literatur bestehenden Datensätze wurden mit unseren Kristall/Schmelz-Verteilungskoeffizienten bzw. Verteilungskoeffizienten zwischen Ca-Silikatphasen erweitert. Verteilungskoeffizienten der Seltenerd-Elemente zwischen Ca-Walstromit und Karbonat sind um eine Größenordnung höher als Ca-Walstromit/Schmelz-Verteilungskoeffizienten und zeigen eine größere Steigung zwischen den MSEE und den SSEE (Lu/Gd). Die Seltenen Erden verhalten sich sowohl in Larnit als auch in Si-Titanit inkompatibel, wobei DX/L La für Larnit etwa 0.1 und für CaSi2O5 etwa 0.002 ist, d.h. auch, dass die LSEE im Vergleich zu Si-Titanit bevorzugt in Larnit eingebaut werden. Al verhält sich in Si-Titanit Zusammenfassung 147 kompatibel (DX/LAl=4) und in Larnit leicht inkompatibel. Diese Ergebnisse decken sich mit Analysen an natürlichen Proben. Die SEE-Verteilungskoeffizienten zwischen Ca-Perowskit und Schmelze liegen mit Ausnahme von La über eins und zeigen in Übereinstimmung mit Literaturdaten ein Maximum bei Gd. Für Granat konnte gezeigt werden, dass der Einbau der SEE und Si in MgO-haltigen Kristallen in Abhängigkeit von Druck und Startzusammensetzung über eine Ca SEE2 Mg2 Si3O12- Komponente bzw. über eine Ca3 MgSi Si3O12-Komponente mit 6-fach koordiniertem Silizium erfolgt. In zahlreichen Experimenten kristallisierte eine neue Ca-SEE-Silikat-Phase mit Feldspat-Stöchiometrie. Dabei handelt es sich offenbar um ein Mischkristallsystem mit einem Endglied, in das vorwiegend die leichten SEE eingebaut werden und in einem zweiten mit vorwiegend schweren SEE. Ab einem Druck von etwa 10.0 GPa trennt ein Solvus die beiden Endglieder voneinander. In der Literatur ist bisher nur ein CaLa2Si2O8-Endglied beschrieben worden. In einigen Experimenten mit P und Li wurde zusätzlich untersucht, ob diese Elemente zur Rekonstruktion der Bildungsbedingungen von Diamanten verwendet werden können. Dabei zeigte sich, dass die max. Löslichkeit von Li in CaSiO3 näher an den natürlichen Probenzusammensetzungen liegt und damit möglicherweise Potential für die Rekonstruktion von Bildungsbedingungen hat. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde die Kinetik retrograder Reaktionen im CaSiO3-System untersucht. Die für die In-Situ-Experimente mit Synchrotron-Strahlung notwendigen Versuchsaufbauten wurden von uns entwickelt und die entsprechenden Entwicklungsschritte und technischen Probleme ausführlich beschrieben. Anhand von Entlastungsexperimenten wurden die Disproportionierung von Ca-Perowskit zu Larnit + Si-Titanit und die Rekombination zu Ca-Walstromit bei unterschiedlichen Temperaturen und unter dem Einfluss von Wasser untersucht. Aufgrund der wenigen verwertbaren Daten, die uns vorliegen, konnten zwar keine Aktivierungsenergien berechnet werden, es sind aber aufgrund unser Beobachtungen folgende Feststellungen zu treffen: Die Reaktion von Ca-Perowskit zu Larnit + Si-Titanit erfolgt bei gleicher Temperatur offenbar um Größenordnungen schneller als die sich bei niedrigen Drucken anschließende Rekombination zu Ca-Walstromit. Dies deckt sich mit Beobachtungen an natürlichen Proben, bei denen Larnit und Si-Titanit teilweise unvollständig zu Ca-Walstromit reagierten. Dadurch erscheint es eher unwahrscheinlich, dass amorphes CaSiO3 in Diamanten ein direktes Umwandlungsprodukt von Ca-Perowskit ist. Aber auch für die in der Literatur beschriebene Amorphisierung von Ca-Walstromit-Einschlüssen (Stachel 2000) noch innerhalb des umgebenden Diamanten ließ sich durch unsere In-Situ-Entlastungsexperimente nicht stützen. Eine Amorphisierung von Ca-Walstromit beobachteten wir nur bei einer Untersuchung am TEM, wo die Phase sehr instabil war und selbst in einem Kryohalter rasch unter dem Einfluss der Elektronenstrahls amorphisierte. Die Beugungs-Spektren, die nach einer Druckentlastung im Ca-Walstromit-Stabilitätsfeld aufgenommen wurden, unterschieden sich trotz der CaSiO3-Chemie der neu gebildeten Phase deutlich von unseren Ca-Walstromit-Referenz-Spektren, so dass die Umwandlung möglicherweise über eine metastabile Zwischenstufe erfolgt. Vor dem Hintergrund von unterschiedlichen, in der Literatur beschriebenen Strukturtypen von Ca-Walstromit wäre eine systematische Untersuchung der Struktur innerhalb des gesamten Stabilitätsfeldes wichtig.
In old and heavily weathered soils, the availability of P might be so small that the primary production of plants is limited. However, plants have evolved several mechanisms to actively take up P from the soil or mine it to overcome this limitation. These mechanisms involve the active uptake of P mediated by mycorrhiza, biotic de-occlusion through root clusters, and the biotic enhancement of weathering through root exudation. The objective of this paper is to investigate how and where these processes contribute to alleviate P limitation on primary productivity. To do so, we propose a process-based model accounting for the major processes of the carbon, water, and P cycle including chemical weathering at the global scale. We use simulation experiments to assess the relative importance of the different uptake mechanisms to alleviate P limitation on biomass production. Implementing P limitation on biomass synthesis allows the assessment of the efficiencies of biomass production across different ecosystems.
We find that active P-uptake is an essential mechanism for sustaining P availability on long time scales, whereas biotic de-occlusion might serve as a buffer on time scales shorter than 10 000 yr. Although active P uptake is essential for reducing P losses by leaching, humid lowland soils reach P limitation after around 100 000 yr of soil evolution. Given the generalized modeling framework, our model results compare reasonably with observed or independently estimated patterns and ranges of P concentrations in soils and vegetation. Furthermore, our simulations suggest that P limitation might be an important driver of biomass production efficiency (the fraction of the gross primary productivity used for biomass growth), and that vegetation on older soils becomes P-limited leading to a smaller biomass production efficiency.
With this study, we provide a theoretical basis for investigating the responses of terrestrial ecosystems to P availability linking geological and ecological time scales under different environmental settings.
In old and heavily weathered soils, the availability of P might be so small that the primary production of plants is limited. However, plants have evolved several mechanisms to actively take up P from the soil or mine it to overcome this limitation. These mechanisms involve the active uptake of P mediated by mycorrhiza, biotic de-occlusion through root clusters, and the biotic enhancement of weathering through root exudation. The objective of this paper is to investigate how and where these processes contribute to alleviate P limitation on primary productivity. To do so, we propose a process-based model accounting for the major processes of the carbon, water, and P cycles including chemical weathering at the global scale. Implementing P limitation on biomass synthesis allows the assessment of the efficiencies of biomass production across different ecosystems. We use simulation experiments to assess the relative importance of the different uptake mechanisms to alleviate P limitation on biomass production. We find that active P uptake is an essential mechanism for sustaining P availability on long timescales, whereas biotic de-occlusion might serve as a buffer on timescales shorter than 10 000 yr. Although active P uptake is essential for reducing P losses by leaching, humid lowland soils reach P limitation after around 100 000 yr of soil evolution. Given the generalized modelling framework, our model results compare reasonably with observed or independently estimated patterns and ranges of P concentrations in soils and vegetation. Furthermore, our simulations suggest that P limitation might be an important driver of biomass production efficiency (the fraction of the gross primary productivity used for biomass growth), and that vegetation on old soils has a smaller biomass production rate when P becomes limiting. With this study, we provide a theoretical basis for investigating the responses of terrestrial ecosystems to P availability linking geological and ecological timescales under different environmental settings.
In Sandgruben am Piesberg bei Osnabrück sind Vorschütt-Sedimente, Grundmoräne und Nachschütt-Sedimente der Saale-Eiszeit erschlossen. Einregelungsmessungen länglicher Gerölle in der Grundmoräne ergeben ein differenziertes Bild der Eisbewegung bei der Hauptvorstoßrichtung von N nach S. Die Geröllanalyse zeigt einen dominierenden heimischen Bestand in den Vorschütt-Sedimenten und der Lokal-Grundmoräne sowie einen höheren nordischen Anteil in den Nachschütt-Sedimenten. Bildungen einer Toteislandschaft mit Verzahnungen von Nachschütt-Sedimenten und Grundmoräne werden diskutiert.
Aerosolpartikel sind in der Atmosphäre insbesondere für die Strahlungsübertragung und die Wolkenbildung von wichtiger Bedeutung. Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer, der Variabilität ihrer Quellen und Senken und ihrer Einbindung in den atmosphärischen Wasserkreislauf sind Partikel in allen ihren Eigenschaften sehr veränderlich. Die Zusammenhänge dieser Variabilität mit den meteorologischen Bedingungen und ihre Auswirkungen in der meteorologischen Anwendung sind bisher nur ungenügend durch Meßdaten belegt, so daß die Ergebnisse von Modellen, in denen die meteorologischen Wirkungen von Partikeln berücksichtigt werden (z.B. Klimamodelle), mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Ziel dieser Arbeit war es, auf der Grundlage von Messungen einen Beitrag zur Charakterisierung der bodennahen troposphärischen Aerosolpartikel zu leisten. Im Hinblick auf die meteorologischen Anwendungen wurden die chemische Zusammensetzung und die Masse der Partikel in Abhängigkeit von ihrer Größe gemessen, da sie wesentliche Einflußgrößen für die Strahlungswirkung von Partikeln und die Wasserdampfkondensation in der Atmosphäre sind. Auf der Basis eines Datensatzes der physikalisch-chemischen Partikeleigenschaften und meteorologischer Meßgrößen wurde zunächst die Abhängigkeit der Partikeleigenschaften und ihrer Variabilität von den meteorologischen Umgebungsbedingungen analysiert sowie die Bedeutung der Variabilität der Partikeleigenschaften in der meteorologischen Anwendung untersucht. Dazu wurden Absorptionskoeffizienten der Partikel und Erwärmungsraten durch Absorption solarer Strahlung durch Partikel sowie das Wachstum der Partikel mit der relativen Feuchte in Abhängigkeit von ihrer chemischen Zusammensetzung berechnet. Die Messungen fanden während fünf drei- bis achtwöchiger Meßkampagnen 1991, 1993 und 1994 in Melpitz bei Torgau (Sachsen) und 1993 und 1994 auf dem Hohen Peißenberg (Oberbayern) statt. Mit einem Berner-Impaktor wurden die Partikel gesammelt. Es wurden die Konzentrationen der Gesamtmasse der Partikel sowie der Ionen in Abhängigkeit von ihrer Größe bestimmt. Die Rußkonzentrationen wurden mit einem Aethalometer gemessen. Parallel zu den Partikelmessungen fanden Messungen von Temperatur, relativer Feuchte, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Globalstrahlung und diffuser Himmelsstrahlung statt. Die Messungen liefern folgende Ergebnisse: Bei allen Messungen waren Nitrat, Sulfat und Ammonium die Hauptkomponenten der kleinen Partikel, und die Massenkonzentrationen der kleinen Partikel (0,04 µm < aed < 1,72 µm) waren wesentlich größer als die der großen Partikel (1,72 µm < aed < 21µm). Die Partikel sind also überwiegend anthropogener Herkunft. Die großen Partikel enthielten zusätzlich Natrium und Kalzium, lediglich bei einzelnen Messungen in Melpitz wurde auch Chlorid als Hinweis auf Seesalzpartikel gefunden. Die Massenkonzentrationen aller Partikelbestandteile waren in Melpitz in der Regel etwas größer als auf dem Hohen Peißenberg, da die Partikelkonzentrationen mit zunehmender Höhe abnehmen und da Melpitz näher an Ballungsräumen liegt als der Hohe Peißenberg. Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Meßkampagnen an einem Ort sind jedoch größer als die zwischen den beiden Orten. Die Variabilität sowohl der Massenkonzentrationen der Partikelbestandteile als auch der Gesamtmasse liegt im Bereich von zwei Größenordnungen und ist damit wesentlich größer als die Unterschiede zwischen den Meßkampagnen. Der mittlere Anteil der löslichen Masse an der Gesamtmasse beträgt für die kleinen Partikel 57 %, für die großen 30 %. Dieser Anteil variiert sehr stark (10-100 % bzw. 5-80 %). Ruß hat einen mittleren Anteil von 5 % an der Gesamtmasse (1-18 %). Wesentliche Parameter, die zu Veränderungen der Partikeleigenschaften führen, sind: - Luftmassen unterschiedlicher Herkunft und Geschichte - Veränderungen der Mächtigkeit und Struktur der atmosphärischen Grenzschicht - Emissionen lokaler Quellen - lokale meteorologische Parameter (Temperatur, Windrichtung, -geschwindigkeit) Die unterschiedliche Häufigkeit und Ausprägung dieser Einflußfaktoren führt zu Unterschieden zwischen den Ergebnissen der einzelnen Meßkampagnen. Die einzelnen Faktoren sind nicht voneinander unabhängig, da durch die großräumige Wettersituation und die Luftmassen die Ausprägung der lokalen Parameter bestimmt wird. Um eine Zusammenfassung von Messungen unter vergleichbaren meteorologischen Bedingungen zu erreichen, wurde eine Klassifikation der Daten auf der Basis von Rückwärtstrajektorien vorgenommen. Es wurden fünf Klassen unterschieden: vier Klassen umfassen Richtungssektoren mit jeweils 90 ° um die Haupthimmelsrichtungen (Nord, Ost, Süd, West), einer fünften (X) werden kurze Trajektorien zugeordnet. Dieser Ansatz wurde gewählt, weil ähnliche Luftmassen und damit meteorologische Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Feuchte, Stabilität und Luftbeimengungen meistens durch ähnliche Trajektorien gekennzeichnet sind, die eine Aussage über die Herkunft und den Weg der Luft ermöglichen, die wiederum für die Ausprägung der Partikeleigenschaften maßgeblich sind. Eine weitere Unterteilung nach Tageszeiten (morgens, mittags, abends) wurde vorgenommen, da einige Meßgrößen deutliche Tagesgänge zeigten. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die Klassifikation der meteorologischen Meßgrößen liefert sowohl im Hinblick auf die Charakterisitika der Trajektorienklassen (Herkunft der Luft) als auch für die Tagesgänge meteorologisch sinnvolle Ergebnisse. Die Lage der Stationen in einer Ebene und auf einem Berg führt zu einer unterschiedlichen Ausprägung von Tagesgängen der Temperatur und der Windgeschwindigkeit besonders während stabiler Hochdruckwetterlagen. Es zeigt sich, daß bedingt durch die Entwicklung der Grenzschicht auf dem Hohen Peißenberg vor allem bei Hochdruckwetterlagen im Tagesverlauf in zwei verschiedenen Atmosphärenschichten gemessen wird. Die starke Streuung der lokalen Windrichtungen innerhalb einer Trajektorienklasse führt dazu, daß der Einfluß lokaler bzw. regionaler Quellen durch die Klassifikation nur bedingt erfaßt wird, und liefert einen Hinweis auf die lokale Wetterlage. Die Klassifikation der Partikelmeßdaten liefert meteorologisch sinnvolle Ergebnisse, da die Konzentrationsunterschiede zwischen den einzelnen Klassen mit der Wetterlage und dem Einfluß regionaler Quellen zu begründen waren. Die Absolutwerte ließen sich allerdings nicht vergleichen, und es wurden im Detail meßkampagnenspezifische Begründungen gefunden. Es ergab sich jedoch für alle Meßkampagnen die Unterteilung in Klassen mit antizyklonalen Wetterlagen und kontinentaler Luft mit hohen Konzentrationen (Klassen Ost, Süd, West) und zyklonalen Wetterlagen und maritimer Luft mit geringeren Konzentrationen (Klassen Nord, West). Abweichungen von dieser Einteilung waren vor allem mit der geographischen Lage der Meßorte zu begründen. Ausgeprägte Tagesgänge mit Maxima bei den Morgenmessungen ergaben sich nur für Nitrat, bei einigen Messungen auch für Chlorid in den kleinen Partikeln durch temperaturabhängige Gleichgewichtsreaktionen instabiler Partikelkomponenten mit der Gasphase sowie für Ruß durch die Anreicherung von Emissionen lokaler Quellen bei geringer Grenzschichthöhe. Während sich die mittleren absoluten Konzentrationen in den einzelnen Klassen erheblich unterscheiden, ist die mittlere relative chemische Zusammensetzung der Partikel in allen Klassen ähnlich; die Variabilität der Anteile ist aber ebenfalls sehr groß. Mit Ausnahme der Advektion von Seesalzpartikeln sowie der temperaturbedingten Verschiebung der Anteile von Nitrat und Sulfat, lassen sich Unterschiede zwischen den Klassen nicht mit den durch die Klassifikation erfaßten Einflußfaktoren oder geographischen Besonderheiten begründen. Durch die Klassifikation nimmt die Variabilität sowohl der meteorologischen Meßgrößen als auch der Partikeleigenschaften ab. Für die meteorologischen Meßgrößen verringert sich die Variabilität durch die Klassifikation nach Trajektorien weniger als durch die nach Tageszeiten, für die Konzentrationen der Partikelbestandteile und der Masse führt hingegen die Klassifikation nach Trajektorien zu einer größeren Verminderung der Variabilität als die nach Tageszeiten. Die Anwendung beider Klassifikationskriterien führt zu einer Abnahme der Variabilität um im Mittel 55 % für die meteorologischen Meßgrößen und um 50 % bzw. 25 % für die Konzentrationen der Bestandteile und der Masse der kleinen bzw. der großen Partikel. Die Variabilität der Werte in einer Klasse bleibt jedoch auch nach Klassifikation größer als Unterschiede zwischen den Klassen. Sie wird vor allem durch die spezifische meteorologische Situation bedingt. Um die Auswirkungen der Variabilität der Partikeleigenschaften in meteorologischen Anwendungen abschätzen zu können, wurden aus den Meßdaten der Absorptionskoeffizient der Partikel und die daraus resultierenden Erwärmungsraten sowie das Partikelwachstum mit der relativen Feuchte berechnet und wie die Meßdaten klassifiziert. Die Ergebnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Für die Absorptionskoeffizienten der trockenen Partikel wurden Werte zwischen 0,1·10-6/m und 97·10-6/m berechnet. Für die beiden Meßkampagnen im Herbst (Melpitz 1993 und 1994) ergaben sich etwa um den Faktor 2 größere mittlere Absorptionskoeffizienten als für die Meßkampagnen im Sommer, die maximalen Absorptionskoeffizienten waren in Melpitz aufgrund der starken lokalen Quellen um den Faktor 2-3 größer als auf dem Hohen Peißenberg. Für die maximalen Erwärmungsraten wurden Werte zwischen 0,003 und 0,128 K/h, für die Gesamterwärmung über die Tageslichtperiode zwischen 0,02 K und 0,81 K berechnet. Die Partikel liefern in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen selbst während Meßkampagnen an zwei ländlichen Orten in Mitteleuropa einen vernachlässigbar geringen bis deutlichen Beitrag zum Strahlungsantrieb. In Melpitz waren sowohl die maximalen Erwärmungsraten als auch die Gesamterwärmung im Mittel um den Faktor 1,5 geringer als auf dem Hohen Peißenberg, da die maximalen Absorptionskoeffizienten zu einer Zeit bestimmt wurden, als das Strahlungsangebot noch gering war, während auf dem Hohen Peißenberg die Maxima von Absorptionskoeffizient und Strahlungsangebot zeitlich näher zusammenliegen. Die Klassifikation nach Rückwärtstrajektorien ergab deutliche Unterschiede (Faktor 3-5) zwischen den einzelnen Klassen, da in Klassen mit den höchsten Rußkonzentrationen auch das Strahlungsangebot am höchsten war und in Klassen mit niedrigen Rußkonzentrationen meistens starke Bewölkung vorherrschte. Zwischen maximaler Erwärmungsrate und Gesamterwärmung über die Tageslichtperiode wird ein linearer Zusammenhang gefunden, der sich aber aufgrund der verschiedenen Tagesgänge des Absorptionskoeffizienten für die Meßkampagnen in Melpitz und auf dem Hohen Peißenberg unterscheidet. Sowohl für den exponentiellen Massenzuwachskoeffizienten bei unendlicher Verdünnung als auch für das Partikelwachstum bei fester relativer Feuchte ergeben sich im Mittel nur geringe Unterschiede zwischen kleinen und großen Partikeln sowie einzelnen Klassen durch die chemische Zusammensetzung des wasserlöslichen Anteils der Partikel. Unterschiede sind vielmehr durch den Anteil der wasserlöslichen Masse an der Gesamtmasse bedingt. Es ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem exponentiellen Massenzuwachskoeffizienten bei unendlicher Verdünnung und dem Anteil der wasserlöslichen Masse an der Gesamtmasse der Partikel. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Klassen lassen sich nicht auf einzelne meteorologische oder geographische Einflußfaktoren zurückführen. Sowohl für die Absorption solarer Strahlung als auch für das Wachstum der Partikel mit der relativen Feuchte ist die Variabilität der abgeleiteten Größen geringer als die der Ausgangsgrößen, sie ist aber immer noch mindestens so groß wie die Unterschiede zwischen den einzelnen Klassen. Zusammenfassend läßt sich festhalten, daß in dieser Arbeit ein Datensatz aus Messungen von meteorologischen Parametern und Partikeleigenschaften zusammengestellt wurde, der zusammen mit der Klassifikationsmethode nach Rückwärtstrajektorien und Tageszeiten eine Untersuchung der Zusammenhänge zwischen der Variabilität der Meßgrößen und den meteorologischen Bedingungen ermöglicht und eine Abschätzung der Auswirkungen der Variabilität der Partikeleigenschaften, insbesondere der chemischen Zusammensetzung, in meteorologischen Anwendungen zuläßt. Der Klassifikationsansatz nach Rückwärtstrajektorien ist prinzipiell geeignet, um die Abhängigkeit der Partikeleigenschaften von den meteorologischen Bedingungen zu beschreiben. Es ist jedoch nicht möglich, einen Einflußfaktor als den wichtigsten hervorzuheben oder sogar quantitative Beziehungen zwischen Partikeleigenschaften und meteorologischen Parametern herzustellen. Die Herkunft der Luft liefert einen Hinweis auf die zu erwartenden meteorologischen Bedingungen und Partikeleigenschaften, die lokale meteorologische Situation bestimmt jedoch die genaue Ausprägung der Meßgrößen. Eine Berücksichtigung des Einflusses der lokalen Wetterlage sowie lokaler bzw. regionaler Quellen könnte durch die Einbeziehung der Windrichtung vorgenommen werden. Auf der Basis längerer Meßreihen sollte überprüft werden, ob die Unterteilung in fünf Trajektorienklassen modifiziert werden muß. Der große Einfluß der spezifischen Wetterlage auf die Meßergebnisse führt dazu, daß die Ergebnisse von Meßkampagnen weder für einen längeren Zeitraum noch für ein größeres Gebiet repräsentativ sein können. Ebenso ist die Verwendung von Mittelwerten über längere Zeiträume ist nicht sinnvoll, da die Variabilität der Meßgrößen während eines Tages sowie von Tag zu Tag sehr groß ist. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge zwischen Partikeleigenschaften und meteorologischen Bedingungen erscheint es unbedingt nötig, längere Meßreihen aller wichtigen Aerosoleigenschaften durchzuführen, damit statistisch belastbare Daten über eine hinreichend große Zahl von Messungen unter verschiedensten meteorologischen Bedingungen zu allen Jahreszeiten vorliegen, die Aussagen über Zusammenhänge mit Witterungsbedingungen, Tagesgänge, Jahresgänge aber auch die Vertikalverteilung der Partikeleigenschaften zulassen. Dabei ist es wichtig, alle interessierenden Größen gleichzeitig zu messen, da nur dann eine Untersuchung des Einflusses der Variabilität verschiedener Parameter auf die für die Anwendung wichtigen Größen möglich ist.
Convection-permitting climate model are promising tools for improved representation of extremes, but the number of regions for which these models have been evaluated are still rather limited to make robust conclusions. In addition, an integrated interpretation of near-surface characteristics (typically temperature and precipitation) together with cloud properties is limited. The objective of this paper is to comprehensively evaluate the performance of a ‘state-of-the-art’ regional convection-permitting climate model for a mid-latitude coastal region with little orographic forcing. For this purpose, an 11-year integration with the COSMO-CLM model at Convection-Permitting Scale (CPS) using a grid spacing of 2.8 km was compared with in-situ and satellite-based observations of precipitation, temperature, cloud properties and radiation (both at the surface and the top of the atmosphere). CPS clearly improves the representation of precipitation, in especially the diurnal cycle, intensity and spatial distribution of hourly precipitation. Improvements in the representation of temperature are less obvious. In fact the CPS integration overestimates both low and high temperature extremes. The underlying cause for the overestimation of high temperature extremes was attributed to deficiencies in the cloud properties: The modelled cloud fraction is only 46 % whereas a cloud fraction of 65 % was observed. Surprisingly, the effect of this deficiency was less pronounced at the radiation balance at the top of the atmosphere due to a compensating error, in particular an overestimation of the reflectivity of clouds when they are present. Overall, a better representation of convective precipitation and a very good representation of the daily cycle in different cloud types were demonstrated. However, to overcome remaining deficiencies, additional efforts are necessary to improve cloud characteristics in CPS. This will be a challenging task due to compensating deficiencies that currently exist in ‘state-of-the-art’ models, yielding a good representation of average climate conditions. In the light of using the CPS models to study climate change it is necessary that these deficiencies are addressed in future research.
It is common practice to use a 30-year period to derive climatological values, as recommended by the World Meteorological Organization. However this convention relies on important assumptions, of which the validity can be examined by deriving the uncertainty inherent to using a limited time-period for deriving climatological values. In this study a new method, aiming at deriving this uncertainty, has been developed with an application to precipitation for a station in Europe (Westdorpe) and one in Africa (Gulu). The weather generator framework is used to produce synthetic daily precipitation time-series that can also be regarded as alternative climate realizations. The framework consists of an improved Markov model, which shows good performance in reproducing the 5-day precipitation variability. The sub-seasonal, seasonal and the inter-annual signals are introduced in the weather generator framework by including covariates. These covariates are derived from an empirical mode decomposition analysis with an improved stability and significance assessment. Introducing covariates was found to substantially improve the monthly precipitation variability for Gulu. From the weather generator, 1,000 synthetic time-series were produced. The divergence between these time-series demonstrates an uncertainty, inherent to using a 30-year period for mean precipitation, of 11 % for Westdorpe and 15 % for Gulu. The uncertainty for precipitation 10-year return levels was found to be 37 % for both sites.
Convection-permitting models (CPMs) have proven their usefulness in representing precipitation on a sub-daily scale. However, investigations on sub-hourly scales are still lacking, even though these are the scales for which showers exhibit the most variability. A Lagrangian approach is implemented here to evaluate the representation of showers in a CPM, using the limited-area climate model COSMO-CLM. This approach consists of tracking 5‑min precipitation fields to retrieve different features of showers (e.g., temporal pattern, horizontal speed, lifetime). In total, 312 cases are simulated at a resolution of 0.01 ° over Central Germany, and among these cases, 78 are evaluated against a radar dataset. The model is able to represent most observed features for different types of convective cells. In addition, the CPM reproduced well the observed relationship between the precipitation characteristics and temperature indicating that the COSMO-CLM model is sophisticated enough to represent the climatological features of showers.
Lightning climate change projections show large uncertainties caused by limited empirical knowledge and strong assumptions inherent to coarse-grid climate modeling. This study addresses the latter issue by implementing and applying the lightning potential index parameterization (LPI) into a fine-grid convection-permitting regional climate model (CPM). This setup takes advantage of the explicit representation of deep convection in CPMs and allows for process-oriented LPI inputs such as vertical velocity within convective cells and coexistence of microphysical hydrometeor types, which are known to contribute to charge separation mechanisms. The LPI output is compared to output from a simpler flash rate parameterization, namely the CAPE × PREC parameterization, applied in a non-CPM on a coarser grid. The LPI’s implementation into the regional climate model COSMO-CLM successfully reproduces the observed lightning climatology, including its latitudinal gradient, its daily and hourly probability distributions, and its diurnal and annual cycles. Besides, the simulated temperature dependence of lightning reflects the observed dependency. The LPI outperforms the CAPE × PREC parameterization in all applied diagnostics. Based on this satisfactory evaluation, we used the LPI to a climate change projection under the RCP8.5 scenario. For the domain under investigation centered over Germany, the LPI projects a decrease of 4.8% in flash rate by the end of the century, in opposition to a projected increase of 17.4% as projected using the CAPE × PREC parameterization. The future decrease of LPI occurs mostly during the summer afternoons and is related to (i) a change in convection occurrence and (ii) changes in the microphysical mixing. The two parameterizations differ because of different convection occurrences in the CPM and non-CPM and because of changes in the microphysical mixing, which is only represented in the LPI lightning parameterization.
A satellite-based climate record of monthly mean surface solar irradiance (SIS) is investigated with regard to possible inhomogeneities in time. The data record is provided by the European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT) Satellite Application Facility on Climate Monitoring (CM SAF) for the period of 1983 to 2005, covering a disk area between ±70° in latitude and longitude. The Standard Normal Homogeneity Test (SNHT) and two other homogeneity tests are applied with and without the use of reference SIS data (from the Baseline Surface Radiation Network (BSRN) and from the ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) ERA -Interim reanalysis. The focus is on the detection of break-like inhomogeneities, which may occur due to satellite or SIS retrieval algorithm changes. In comparison with the few suitable BSRN SIS observation series with limited extension in time (no data before 1992), the CM SAF SIS time series do not show significant inhomogeneities, even though slight discrepancies in the surface measurements appear. The investigation of the full CM SAF SIS domain reveal inhomogeneities related to most of the documented satellite and retrieval changes, but only for relatively small domain fractions (especially in mountainous desert-like areas in Africa). In these regions the retrieval algorithm is not capable of adjusting for the changes of the satellite instruments. For other areas, e.g., Europe, no such breaks in the time series are found. We conclude that the CM SAF SIS data record has to be further assessed and regionally homogenized before climate trend investigations can be conducted.
We conducted measurements of up to the five important short-lived brominated species in the marine boundary layer (MBL) of the mid-latitudes (List/Sylt, North Sea) in June 2009 and of the tropical Western Pacific during the TransBrom ship campaign in October 2009. For the one-week time series in List mean mixing ratios of 2.0, 1.1, 0.2, 0.1 ppt were analysed for CHBr3, CH2Br2, CHBr2Cl and CH2BrCl, with maxima of 5.8 and 1.6 ppt for the two main components CHBr3 and CH2Br2. Along the cruise track in the Western Pacific (between 41° N and 13° S) mean mixing ratios of 1.0, 0.9, 0.2, 0.1 and 0.1 ppt for CHBr3, CH2Br2, CHBrCl2, CHBr2Cl and CH2BrCl were determined. Air samples with coastal influence showed considerably higher mixing ratios than the samples with open ocean origin. Correlation analyses of the two datasets yielded strong linear relationships between the mixing ratios of four of the five species (except for CH2BrCl). Using a combined dataset from the two campaigns, rough estimates of the molar emission ratios between the correlated substances were derived as follows: 9/1/0.3/0.3 for CHBr3/CH2Br2/CHBrCl2/CHBr2Cl. Additional measurements were made in the tropical tropopause layer (TTL) above Teresina (Brazil, 5.07° S, 42.87° W) in June 2008, using balloon-borne cryogenic whole air sampling technique. Near the level of zero clear-sky net radiative heating (LZRH) at 14.8 km about 2.25 ppt organic bromine was bound to the five short-lived species, making up 13 % of total organic bromine (17.82 ppt). CH2Br2 (1.45 ppt) and CHBr3 (0.56 ppt) accounted for 90 % of the budget of short-lived compounds in that region. Near the tropopause (at 17.5 km) organic bromine from short-lived substances was reduced to 1.35 ppt, with 1.07 ppt and 0.12 ppt attributed to CH2Br2 and CHBr3 respectively.
We conducted measurements of the five important short-lived organic bromine species in the marine boundary layer (MBL). Measurements were made in the Northern Hemisphere mid-latitudes (Sylt Island, North Sea) in June 2009 and in the tropical Western Pacific during the TransBrom ship campaign in October 2009. For the one-week time series on Sylt Island, mean mixing ratios of CHBr3, CH2Br2, CHBr2Cl and CH2BrCl were 2.0, 1.1, 0.2, 0.1 ppt, respectively. We found maxima of 5.8 and 1.6 ppt for the two main components CHBr3 and CH2Br2. Along the cruise track in the Western Pacific (between 41° N and 13° S) we measured mean mixing ratios of 0.9, 0.9, 0.2, 0.1 and 0.1 ppt for CHBr3, CH2Br2, CHBrCl2, CHBr2Cl and CH2BrCl. Air samples with coastal influence showed considerably higher mixing ratios than the samples with open ocean origin. Correlation analyses of the two data sets yielded strong linear relationships between the mixing ratios of four of the five species (except for CH2BrCl). Using a combined data set from the two campaigns and a comparison with the results from two former studies, rough estimates of the molar emission ratios between the correlated substances were: 9/1/0.35/0.35 for CHBr3/CH2Br2/CHBrCl2/CHBr2Cl. Additional measurements were made in the tropical tropopause layer (TTL) above Teresina (Brazil, 5° S) in June 2008, using balloon-borne cryogenic whole air sampling technique. Near the level of zero clear-sky net radiative heating (LZRH) at 14.8 km about 2.25 ppt organic bromine was bound to the five short-lived species, making up 13% of total organic bromine (17.82 ppt). CH2Br2 (1.45 ppt) and CHBr3 (0.56 ppt) accounted for 90% of the budget of short-lived compounds in that region. Near the tropopause (at 17.5 km) organic bromine from these substances was reduced to 1.35 ppt, with 1.07 and 0.12 ppt attributed to CH2Br2 and CHBr3, respectively.
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.
Im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie und der Goethe-Universität Frankfurt fand in Kooperation mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD) eine umfassende Studie zum konvektiven Unwetterpotential über Thüringen statt. Unwetterereignisse, die durch konvektive Prozesse in der Atmosphäre verursacht werden, besitzen ein nicht unerhebliches Schadenspotential, obwohl sie oftmals eine räumlich eng begrenzte Ausdehnung aufweisen. Aufgrund ihrer Charakteristik ist sowohl die Vorhersage solcher Ereignisse, als auch eine vollständige, systematische Erfassung für eine detaillierte Auswertung längerer Zeitreihen noch immer eine Herausforderung. Zusätzliches Interesse besteht in der Abschätzung der durch den Klimawandel abhängigen Entwicklung des zukünftigen Gefährdungspotentials konvektiver Unwetter. Für eine gezielte Untersuchung des Themenkomplexes ist eine Vielzahl unterschiedlicher Daten und Methoden verwendet worden. Mit Hilfe von Fernerkundungsdatensätzen wird ein räumlich differenziertes Gefährdungspotential über Thüringen nachgewiesen. Bedingt durch das Relief ist das Auftreten von Konvektion am häufigsten und intensivsten über dem südlichen Thüringer Wald und dessen Ostrand zu beobachten, während Nordthüringen eine deutlich geringere Aktivität solcher Unwetterereignisse aufweist. Eine Abschätzung mittels globaler Klimamodelle und daraus abgeleiteten Wetterlagen zeigt unter Berücksichtigung des RCP8.5 Klimaszenarios für die nahe Zukunft (2016-2045) eine Zunahme des Gefährdungspotentials durch konvektive Unwetter. Aufgrund des Anstiegs feuchter Wetterlagen (49 % auf 82 %) erhöht sich die Zunahme der Gefährdung für den Zeitraum 2071-2100 noch deutlicher. Im Vergleich zu diesem statistischen Ansatz nimmt die projizierte Gefährdung durch extreme Ereignisse erheblich zu (Faktor 6), wenn die Ergebnisse expliziter Simulationen konvektiver Ereignisse mit einem regionalen Klimamodell (mit horizontaler Gitterdistanz von 1 km) und eine Zunahme der Tage mit konvektiven Extremereignissen berücksichtigt werden. Ein Anstieg der Gefährdung durch konvektive Unwetter in der Zukunft ist wahrscheinlich. Eine Quantifizierung bleibt jedoch unsicher.
Aus 4 Profilen durch den Laerer Sinterkalk wurden 33 Proben pollenanalytisch untersucht. Zwei Zähltabellen geben für jede einzelne dieser Proben den Gehalt an Pollen und Sporen. Zwei Diagramme stellen die Ergebnisse dieser qualitativen und quantitativen Analysen graphisch dar. Neben den Pollenkörnern der gebräuchlichen 11 Baumarten wurden 24 verschiedene Nichtbaumpollen-Gruppen ausgewertet. Als ältester Zeitabschnitt ließ sich die mindestens 10000 Jahre alte sog. "Jüngste Dryaszeit" feststellen, gekennzeichnet durch eine subarktische Tundra. Die darauf folgenden Zeitabschnitte Präboreal, Boreal, Atlantikum, Subboreal und Subatlantikum konnten in einem oder mehreren der Profile gefaßt werden. In günstig gelagerten Fällen wurden darüber hinaus Beziehungen angedeutet, die zwischen der Bildung dieses Sinterkalklagers und der Besiedlung durch den Menschen bestehen.
We have developed and characterized the novel PTR3, a proton transfer reaction-time-of-flight mass spectrometer (PTR-TOF) using a new gas inlet and an innovative reaction chamber design. The reaction chamber consists of a tripole operated with rf voltages generating an electric field only in the radial direction. An elevated electrical field is necessary to reduce clustering of primary hydronium (H3O+) and product ions with water molecules present in the sample gas. The axial movement of the ions is achieved by the sample gas flow only. Therefore, the new design allows a 30-fold longer reaction time and a 40-fold increase in pressure compared to standard PTR-TOF-MS. First calibration tests show sensitivities of up to 18000 counts per second/parts per billion and volume (cps/ppbv) at a mass resolution of >8000 m/Δm (fwhm). The new inlet using center-sampling through a critical orifice reduces wall losses of low volatility compounds. Therefore, the new PTR3 instrument is sensitive to VOC typically present in the ppbv range as well as to semivolatile organic compounds (SVOC) and even highly oxidized organic molecules (HOMs) present in the parts per quadrillion per volume (ppqv) range in the atmosphere.
Responses of southern ocean seafloor habitats and communities to global and local drivers of change
(2021)
Knowledge of life on the Southern Ocean seafloor has substantially grown since the beginning of this century with increasing ship-based surveys and regular monitoring sites, new technologies and greatly enhanced data sharing. However, seafloor habitats and their communities exhibit high spatial variability and heterogeneity that challenges the way in which we assess the state of the Southern Ocean benthos on larger scales. The Antarctic shelf is rich in diversity compared with deeper water areas, important for storing carbon (“blue carbon”) and provides habitat for commercial fish species. In this paper, we focus on the seafloor habitats of the Antarctic shelf, which are vulnerable to drivers of change including increasing ocean temperatures, iceberg scour, sea ice melt, ocean acidification, fishing pressures, pollution and non-indigenous species. Some of the most vulnerable areas include the West Antarctic Peninsula, which is experiencing rapid regional warming and increased iceberg-scouring, subantarctic islands and tourist destinations where human activities and environmental conditions increase the potential for the establishment of non-indigenous species and active fishing areas around South Georgia, Heard and MacDonald Islands. Vulnerable species include those in areas of regional warming with low thermal tolerance, calcifying species susceptible to increasing ocean acidity as well as slow-growing habitat-forming species that can be damaged by fishing gears e.g., sponges, bryozoan, and coral species. Management regimes can protect seafloor habitats and key species from fishing activities; some areas will need more protection than others, accounting for specific traits that make species vulnerable, slow growing and long-lived species, restricted locations with optimum physiological conditions and available food, and restricted distributions of rare species. Ecosystem-based management practices and long-term, highly protected areas may be the most effective tools in the preservation of vulnerable seafloor habitats. Here, we focus on outlining seafloor responses to drivers of change observed to date and projections for the future. We discuss the need for action to preserve seafloor habitats under climate change, fishing pressures and other anthropogenic impacts.
In the original manuscript, Figs. 7–16 included fonts which were not correctly embedded in the file. As such, unless certain propriety software (ArcGIS) is installed on the viewing platform, the figures will appear corrupted. In this Corrigendum, Figs. 7–16 and their captions are reproduced with the fonts correctly embedded. Please find the correct figures below.
The late Miocene palaeorecord provides evidence for a warmer and wetter climate than that of today, and there is uncertainty in the palaeo-CO2 record of at least 200 ppm. We present results from fully coupled atmosphere-ocean-vegetation simulations for the late Miocene that examine the relative roles of palaeogeography (topography and ice sheet geometry) and CO2 concentration in the determination of late Miocene climate through comprehensive terrestrial model-data comparisons. Assuming that these data accurately reflect the late Miocene climate, and that the late Miocene palaeogeographic reconstruction used in the model is robust, then results indicate that:
1. Both palaeogeography and atmospheric CO2 contribute to the proxy-derived precipitation differences between the late Miocene and modern reference climates. However these contributions exibit synergy and so do not add linearly.
2. The vast majority of the proxy-derived temperature differences between the late Miocene and modern reference climates can only be accounted for if we assume a palaeo-CO2 concentration towards the higher end of the range of estimates.