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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.
The Late Miocene (∼11.6–5.3 Ma) 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 150 ppmv. 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 the data accurately reflects the Late Miocene climate, and that the Late Miocene palaeogeographic reconstruction used in the model is robust, then results indicate that the proxy-derived precipitation differences between the Late Miocene and modern can be largely accounted for by the palaeogeographic changes alone. However, the proxy-derived temperatures differences between the Late Miocene and modern can only begin to be accounted for if we assume a palaeo-CO2 concentration towards the higher end of the range of estimates.
Sesquiterpenes (C15H24) are semi-volatile organic compounds emitted by vegetation and are of interest in atmospheric research because they influence the oxidative capacity of the atmosphere and contribute to the formation of secondary organic aerosols. However, little is known about their emission pattern and no established parameterisation is available for global emission models. The aim of this study is to investigate a Central European spruce forest and its emission response to meteorological and environmental parameters, looking for a parameterisation that incorporates heat and oxidative stress as the main driving forces of the induced emissions. Therefore, a healthy ca. 80 yr old Norway spruce (Picea abies) tree was selected and a dynamical vegetation enclosure technique was applied from April to November 2011. The emissions clearly responded to temperature changes with small variations in the β-factor along the year (βspring = 0.09 ± 0.01, βsummer = 0.12 ± 0.02, βautumn = 0.11 ± 0.02). However, daily calculated values revealed a vast amount of variability in temperature dependencies ((0.02 ± 0.002) < β < (0.27 ± 0.04)) with no distinct seasonality.
By separating the complete dataset in 10 different ozone regimes, we found that in moderately or less polluted atmospheric conditions the main driving force of sesquiterpene emissions is the temperature, but when ambient ozone mixing ratios exceed a critical threshold of (36.6 ± 3.9) ppbv, the emissions become primarily correlated with ozone. Considering the complete dataset, cross correlation analysis resulted in highest correlation with ambient ozone mixing ratios (CCO3 = 0.63 ± 0.01; CCT = 0.47 ± 0.02 at t = 0 h for temperature) with a time shift 2–4 h prior to the emissions. An only temperature dependent algorithm was found to substantially underestimate the induced emissions (20% of the measured; R2 = 0.31). However, the addition of an ozone dependent term improved substantially the fitting between measured and modelled emissions (81% of the modelled emissions could be explained by the measurements; R2 = 0.63), providing confidence about the reliability of the suggested parameterisation for the spruce forest site investigated.
Sesquiterpenes (C15H24) are semi-volatile organic compounds emitted by vegetation and are of interest in atmospheric research because they influence the oxidative capacity of the atmosphere and contribute to the formation of secondary organic aerosols. However, little is known about their emission pattern and no established parameterization is available for global emission models. The aim of this study is to investigate a Central European spruce forest and its emission response to meteorological and environmental parameters, looking for a parameterization that incorporates heat and oxidative stress as the main driving forces of the induced emissions. Therefore, a healthy ca. 80 yr old Norway spruce (Picea abies) tree was selected and a dynamical vegetation enclosure technique was applied from April to November 2011. The emissions clearly responded to temperature changes with small variations in the β-factor along the year (βspring=0.09 ± 0.01, βsummer=0.12 ± 0.02, βautumn=0.11 ± 0.02). However, daily calculated values revealed a vast amount of variability in temperature dependencies ((0.02 ± 0.002)< β<(0.27 ± 0.04)) with no distinct seasonality.
By separating the complete dataset in 10 different ozone regimes, we found that in moderately or less polluted atmospheric conditions the main driving force of sesquiterpene emissions is the temperature, but when ambient ozone mixing ratios exceed a~critical threshold of (36.6 ± 3.9) ppbv, the emissions become primarily correlated with ozone. Considering the complete dataset, cross correlation analysis resulted in highest correlation with ambient ozone mixing ratios (CCO3=0.63 ± 0.01; CCT=0.47 ± 0.02 at t=0 h for temperature) with a time shift 2–4 h prior to the emissions. An only temperature dependent algorithm was found to substantially underestimate the induced emissions (20 % of the measured; R2=0.31). However, the addition of an ozone dependent term improved substantially the fitting between measured and modeled emissions (81 % of the measured; R2=0.63), providing confidence about the reliability of the suggested parameterization for the spruce forest site investigated.
Opportunities and challenges for paleoaltimetry in "small" orogens: insights from the European Alps
(2020)
Many stable isotope paleoaltimetry studies have focused on paleoelevation reconstructions of orogenic plateaus such as the Tibetan or Andean Plateaus. We address the opportunities and challenges of applying stable isotope paleoaltimetry to “smaller” orogens. We do this using a high‐resolution isotope tracking general circulation model (ECHAM5‐wiso) and explore the precipitation δ18O (δ18Op) signal of Cenozoic paleoclimate and topographic change in the European Alps. Results predict a maximum δ18Op change of 4–5‰ (relative to present day) during topographic development of the Alps. This signal of topographic change has the same magnitude as changes in δ18Op values resulting from Pliocene and Last Glacial Maximum global climatic change. Despite the similar magnitude of the isotopic signals resulting from topographic and paleoclimate changes, their spatial patterns across central Europe differ. Our results suggest that an integration of paleoclimate modeling, multiproxy approaches, and low‐elevation reference proxy records distal from an orogen improve topographic reconstructions.
Processes occurring in the tropical upper troposphere (UT), the Tropical Transition Layer (TTL), and the lower stratosphere (LS) are of importance for the global climate, for stratospheric dynamics and air chemistry, and for their influence on the global distribution of water vapour, trace gases and aerosols. In this contribution we present aerosol and trace gas (in-situ) measurements from the tropical UT/LS over Southern Brazil, Northern Australia, and West Africa. The instruments were operated on board of the Russian high altitude research aircraft M-55 "Geophysica" and the DLR Falcon-20 during the campaigns TROCCINOX (Araçatuba, Brazil, February 2005), SCOUT-O3 (Darwin, Australia, December 2005), and SCOUT-AMMA (Ouagadougou, Burkina Faso, August 2006). The data cover submicron particle number densities and volatility from the COndensation PArticle counting System (COPAS), as well as relevant trace gases like N2O, ozone, and CO. We use these trace gas measurements to place the aerosol data into a broader atmospheric context. Also a juxtaposition of the submicron particle data with previous measurements over Costa Rica and other tropical locations between 1999 and 2007 (NASA DC-8 and NASA WB-57F) is provided. The submicron particle number densities, as a function of altitude, were found to be remarkably constant in the tropical UT/LS altitude band for the two decades after 1987. Thus, a parameterisation suitable for models can be extracted from these measurements. Compared to the average levels in the period between 1987 and 2007 a slight increase of particle abundances was found for 2005/2006 at altitudes with potential temperatures, theta, above 430 K. The origins of this increase are unknown except for increases measured during SCOUT-AMMA. Here the eruption of the Soufrière Hills volcano in the Caribbean caused elevated particle mixing ratios. The vertical profiles from Northern hemispheric mid-latitudes between 1999 and 2006 also are compact enough to derive a parameterisation. The tropical profiles all show a broad maximum of particle mixing ratios (between theta ~ 340 K and 390 K) which extends from below the TTL to above the thermal tropopause. Thus these particles are a "reservoir" for vertical transport into the stratosphere. The ratio of non-volatile particle number density to total particle number density was also measured by COPAS. The vertical profiles of this ratio have a maximum of 50% above 370 K over Australia and West Africa and a pronounced minimum directly below. Without detailed chemical composition measurements a reason for the increase of non-volatile particle fractions cannot yet be given. However, half of the particles from the tropical "reservoir" contain compounds other than sulphuric acid and water. Correlations of the measured aerosol mixing ratios with N2O and ozone exhibit compact relationships for the tropical data from SCOUT-AMMA, TROCCINOX, and SCOUT-O3. Correlations with CO are more scattered probably because of the connection to different pollution source regions. We provide additional data from the long distance transfer flights to the campaign sites in Brazil, Australia, and West-Africa. These were executed during a time window of 17 months within a period of relative volcanic quiescence. Thus the data represent a "snapshot picture" documenting the status of a significant part of the global UT/LS fine aerosol at low concentration levels 15 years after the last major (i.e., the 1991 Mount Pinatubo) eruption. The corresponding latitudinal distributions of the measured particle number densities are presented in this paper to provide data of the UT/LS background aerosol for modelling purposes.
Processes occurring in the tropical upper troposphere and lower stratosphere (UT/LS) are of importance for the global climate, for the stratospheric dynamics and air chemistry, and they influence the global distribution of water vapour, trace gases and aerosols. The mechanisms underlying cloud formation and variability in the UT/LS are of scientific concern as these still are not adequately described and quantified by numerical models. Part of the reasons for this is the scarcity of detailed in-situ measurements in particular from the Tropical Transition Layer (TTL) within the UT/LS. In this contribution we provide measurements of particle number densities and the amounts of non-volatile particles in the submicron size range present in the UT/LS over Southern Brazil, West Africa, and Northern Australia. The data were collected in-situ on board of the Russian high altitude research aircraft M-55 "Geophysica" using the specialised COPAS (COndensation PArticle counting System) instrument during the TROCCINOX (Araçatuba, Brazil, February 2005), the SCOUT-O3 (Darwin, Australia, December 2005), and SCOUT-AMMA (Ouagadougou, Burkina Faso, August 2006) campaigns. The vertical profiles obtained are compared to those from previous measurements from the NASA DC-8 and NASA WB-57F over Costa Rica and other tropical locations between 1999 and 2007. The number density of the submicron particles as function of altitude was found to be remarkably constant (even back to 1987) over the tropical UT/LS altitude band such that a parameterisation suitable for models can be extracted from the measurements. At altitudes corresponding to potential temperatures above 430 K a slight increase of the number densities from 2005/2006 results from the data in comparison to the 1987 to 2007 measurements. The origins of this increase are unknown. By contrast the data from Northern hemispheric mid latitudes do not exhibit such an increase between 1999 and 2006. Vertical profiles of the non-volatile fraction of the submicron particles were also measured by a COPAS channel and are presented here. The resulting profiles of the non-volatile number density fraction show a pronounced maximum of 50% in the tropical TTL over Australia and West Africa. Below and above this fraction is much lower attaining values of 10% and smaller. In the lower stratosphere the fine particles mostly consist of sulphuric acid which is reflected in the low numbers of non-volatile residues measured by COPAS. Without detailed chemical composition measurements the reason for the increase of non-volatile particle fractions cannot yet be given. The long distance transfer flights to Brazil, Australia and West-Africa were executed during a time window of 17 months within a period of relative volcanic quiescence. Thus the data measured during these transfers represent a "snapshot picture" documenting the status of a significant part of the global UT/LS aerosol (with sizes below 1 μm) at low concentration levels 15 years after the last major (i.e., the 1991 Mount Pinatubo) eruption. The corresponding latitudinal distributions of the measured particle number densities are also presented in this paper in order to provide input on the UT/LS background aerosol for modelling purposes.
Verdunstungsstudien
(1930)
Mit Hilfe von Apparaten wird es wohl niemals gelingen, die tatsachliche Verdunstung bestimmter Landflächen zu bestimmen, so wichtig eine derartige Ermittlung im Hinblick auf Klimaforschung, Wasserhaushalt der Erde und dergleichen sein mag. Es wurde daher schon aud die verschiedensten Arten versucht, wenigstens ein relatives Maß der Verdunstung - die sogenannte Verdunstungskraft zu bestimmen. Freie Wasserflächen für eine derartige Untersuchung zu verwenden, wäre das Einfachste ; jedoch sind hierbei die Möglichkeiten einer Störung besonders groß infolge von Einflüssen, die die gemessene Verdunstungskraft verändern, und so Fälschungen der Messungen verursachen. Es seien hier nur die Störiingon durch Regen, den Rand der Schale, Verunreinigungen der Oberflache und durch Wellenbildung erwähnt. Darum scheint es vorteilhafter, wie bereits Babinetl 1848 vorschlug, für derartige Messungen statt der freien Wasserfläche einen porösen Tonkörper zu verwenden. Mitscherlich und Livingstone begannen dann ziemlich gleichzeitig 1904 mit derartigen Tonkörpern zu arbeiten, und Livingstone trat bald mit seinen vor allem für die Botanik wichtigen Ergebnissen hervor. Aufgabe des Meteorologen ist, eine Methode zu schaffen, die eine stets wiederholbare Messung ermöglicht; jedoch muß man sich dessen befaßt sein, daß solche Messungen keinesfalls die Verdunstungswerte der Erdoberfläche mit oder ohne Vegetation oder die Wasserabgabe des Menschen angeben. Das Verhältnis dieser, der "natürlichen" Verdunstungswerte, zu dem durch jene im folgenden erörterte - Methode gefundenen "physikalischen" Werte bedarf noch der Ermittlung. Über die Sondergebiete der Verdunstung liegen bereits zahlreiche Arbeiten vor. In dieser Arbeit wird zuerst die verwendete Apparatur und die Meßanordnung besprochen, dann der Einfluß des Windes, der Temperatur und des äußeren Dampfdruckes auf die Verdunstung untersucht. Darauf wird die durch die Verdunstung selbst erzeugte Ventilation, die "Grundventilation" behandelt. Es schließt sich die Ermittliing des Strahlungseinflusses und die Eignung des Apparates zu Strahlungsmessungen an, und zum Schluß werden Vergleichsmessungen mit anderen Apparaten angeführt.
Ein Finite-Volumen-Modell des differentiell geheizten rotierenden Annulus wird verwendet, um die spontane Schwerewellenabstrahlung durch die großskalige, von baroklinen Wellen beherrschte Strömung zu untersuchen. Bei diesem Vorgang bilden barokline Wellen und der durch sie abgelenkte und verzerrte Strahlstrom, die sich näherungsweise im hydrostatischen und geostrophischen Gleichgewicht befinden, durch ihre Dynamik Ungleichgewichte aus, die sich als Schwerewellen ausbreiten. Neben der Anregung von Schwerewellen durch Prozesse wie Gebirgsüberströmung, Konvektion und Frontogenese, bildet dieser Vorgang vermutlich eine weitere wichtige Quelle von Schwerewellen in der Atmosphäre. Anders als für orographisch und konvektiv angeregte Schwerewellen gibt es für die spontane Schwerewellenabstrahlung bislang keine befriedigende Parametrisierung in Wettervorhersage- und Klimamodellen, die diesen Prozess nicht auflösen können. Die Durchführung von Messungen zur spontanen Schwerewellenabstrahlung in der Atmosphäre ist üblicherweise sehr aufwendig, sodass die Untersuchung dieses Vorganges in einem wiederholbaren und steuerbaren Laborexperiment reizvoll erscheint. Ob dafür möglicherweise das Experiment des differentiell geheizten rotierenden Annulus infrage kommt, untersuchen wir mit einem eigens dafür entwickelten numerischen Modell, dessen Tauglichkeit wir zunächst im Rahmen einer Validierung durch den Vergleich mit Labormessungen überprüfen. Damit die Ergebnisse zur Schwerewellendynamik im Annulus auf die Atmosphäre übertragbar sind, verwenden wir eine neue, atmosphärenähnliche Annuluskonfiguration. Im Gegensatz zu den klassischen Annuluskonfigurationen ist in der neuen Konfiguration die Brunt-Väisälä-Frequenz größer als der Coriolis-Parameter, sodass die Schwerewellen ein ähnliches Ausbreitungsverhalten zeigen sollten wie in der Atmosphäre. Deutliche Hinweise auf eine Schwerewellenaktivität in der atmosphärenähnlichen Konfiguration geben die horizontale Geschwindigkeitsdivergenz und eine Normalmodenzerlegung der kleinräumigen Strukturen der simulierten Strömung. Um der Herkunft der beobachteten Schwerewellen auf den Grund zu gehen, zerlegen wir die Strömung in den schwerewellenfreien quasigeostrophischen Anteil und den schwerewellenenthaltenden ageostrophischen Anteil. Bereiche innerhalb der baroklinen Welle, in denen ein erhöhter spontaner Antrieb des ageostrophischen Anteils durch die quasigeostrophische Strömung beobachtet wird, fallen mit Bereichen erhöhter Schwerewellenaktivität zusammen. Dies deutet darauf hin, dass die spontane Schwerewellenabstrahlung auch im Annulus zum Schwerewellenfeld beiträgt, sodass dieses Experiment als Labormodell dieser Schwerewellenquelle für deren weitere Erforschung geeignet erscheint.
Desert dust is one of the most abundant ice nucleating particle types in the atmosphere. Traditionally, clay minerals were assumed to determine the ice nucleation ability of desert dust and constituted the focus of ice nucleation studies over several decades. Recently some feldspar species were identified to be ice active at much higher temperatures than clay minerals, redirecting studies to investigate the contribution of feldspar to ice nucleation on desert dust. However, so far no study has shown the atmospheric relevance of this mineral phase.
For this study four dust samples were collected after airborne transport in the troposphere from the Sahara to different locations (Crete, the Peloponnese, Canary Islands, and the Sinai Peninsula). Additionally, 11 dust samples were collected from the surface from nine of the biggest deserts worldwide. The samples were used to study the ice nucleation behavior specific to different desert dusts. Furthermore, we investigated how representative surface-collected dust is for the atmosphere by comparing to the ice nucleation activity of the airborne samples. We used the IMCA-ZINC setup to form droplets on single aerosol particles which were subsequently exposed to temperatures between 233 and 250 K. Dust particles were collected in parallel on filters for offline cold-stage ice nucleation experiments at 253–263 K. To help the interpretation of the ice nucleation experiments the mineralogical composition of the dusts was investigated. We find that a higher ice nucleation activity in a given sample at 253 K can be attributed to the K-feldspar content present in this sample, whereas at temperatures between 238 and 245 K it is attributed to the sum of feldspar and quartz content present. A high clay content, in contrast, is associated with lower ice nucleation activity. This confirms the importance of feldspar above 250 K and the role of quartz and feldspars determining the ice nucleation activities at lower temperatures as found by earlier studies for monomineral dusts. The airborne samples show on average a lower ice nucleation activity than the surface-collected ones. Furthermore, we find that under certain conditions milling can lead to a decrease in the ice nucleation ability of polymineral samples due to the different hardness and cleavage of individual mineral phases causing an increase of minerals with low ice nucleation ability in the atmospherically relevant size fraction. Comparison of our data set to an existing desert dust parameterization confirms its applicability for climate models. Our results suggest that for an improved prediction of the ice nucleation ability of desert dust in the atmosphere, the modeling of emission and atmospheric transport of the feldspar and quartz mineral phases would be key, while other minerals are only of minor importance.
Desert dust is one of the most abundant ice nucleating particle types in the atmosphere. Tra ditionally, clay minerals were assumed to determine the ice nucleation ability of desert dust and constituted the focus of ice nucleation studies. Only recently some feldspar species were identified to be ice-active at much higher temperatures than clay minerals, redirecting studies to investigate the contribution of feldspar to ice nucleation on desert dust. However, so far no study has shown the atmospheric relevance of this mineral phase.
For this study four dust samples were collected after airborne transport in the troposphere from the Sahara to different locations (Crete, the Peloponnese, Canary Islands and the Sinai Peninsula). Additionally, eleven dust samples were collected from the surface from nine of the biggest deserts worldwide. The samples were used to study the ice nucleation behavior specific to different desert dusts. Furthermore we investigated how representative ice nucleation on surface-collected dust is for that in the atmosphere by comparing to the ice nucleation activity of the airborne samples. We used the IMCA-ZINC set-up to form droplets on single aerosol particles which were subsequently exposed to temperatures between 233 - 250 K. Dust particles were collected in parallel on filters for offline cold stage ice nucleation experiments at 253 - 263 K. To help the interpretation of the results from the ice nucleation experiments the mineralogical composition of the dusts was investigated.We found that a higher ice nucleation activity in a given sample can be attributed at 253 K to the K-feldspar content present in this sample whereas at temperatures between 238 - 245 K it is attributed to the sum of feldspar and quartz content present. A high clay content on the other hand is associated with a lower ice nucleation activity of a sample. This confirms the importance of feldspar at T > 250 K and the role of quartz and feldspars determining the ice nucleation activities at lower T as found by earlier studies for monomineral dust surrogates. Furthermore, we find that milling may lead to a decrease in the ice nucleation ability of polymineral samples due to a change in mineralogical composition in the atmospherically relevant size fraction arising from the different hardness and cleavage of individual mineral phases. Comparison of our comprehensive data set to an existing desert dust parameterization confirms its applicability for climate models. Our results suggest that for an improved prediction of the ice nucleation ability of desert dust in the atmosphere, the modelling of emission and atmospheric transport of the feldspar and quartz mineral phases would be key while other minerals are only of minor importance.
In this study we report the set-up of a novel twin chamber technique that uses the comparative method and establishes an appropriate connection of atmospheric and laboratory methods to broaden the tools for investigations. It is designed to study the impact of certain parameters and gases on ambient processes, such as particle formation online, and can be applied in a large variety of conditions. The characterisation of both chambers proved that both chambers operate identically, with a residence time xT (COMPASS1) = 26.5 ± 0.3 min and xT (COMPASS2) = 26.6 ± 0.4 min, at a typical flow rate of 15 L min−1 and a gas leak rate of (1.6 ± 0.8) × 10−5 s−1. Particle loss rates were found to be larger (due to the particles' stickiness to the chamber walls), with an extrapolated maximum of 1.8 × 10−3 s−1 at 1 nm, i.e. a hundredfold of the gas leak rate. This latter value is associated with sticky non-volatile gaseous compounds, too. Comparison measurement showed no significant differences. Therefore operation under atmospheric conditions is trustworthy. To indicate the applicability and the benefit of the system, a set of experiments was conducted under different conditions, i.e. urban and remote, enhanced ozone and terpenes as well as reduced sunlight. In order to do so, an ozone lamp was applied to enhance ozone in one of two chambers; the measurement chamber was protected from radiation by a first-aid cover and volatile organic compounds (VOCs) were added using a small additional flow and a temperature-controlled oven. During the elevated ozone period, ambient particle number and volume increased substantially at urban and remote conditions, but by a different intensity. Protection of solar radiation displayed a clear negative effect on particle number, while terpene addition did cause a distinct daily pattern. E.g. adding β pinene particle number concentration rose by 13% maximum at noontime, while no significant effect was observable during darkness. Therefore, the system is a useful tool for investigating local precursors and the details of ambient particle formation at surface locations as well as potential future feedback processes.
The anthropogenic influence on climate and environment has increased strongly since industrialization about 150 yr ago. The consequences for the atmosphere became more and more apparent and nowadays affect our life quality on Earth progressively. Because of that it is very important to understand the atmospheric processes, on which these effects are based on, in detail. In this study we report the set-up of a novel twin chamber technique that uses the comparative method and establishes an appropriate connection of atmospheric and laboratory methods to broaden the tools for investigations. It is designed to study the impact of certain parameters and gases on ambient processes such as particle formation online and can be applied in a large variety of conditions. The characterisation of both chambers proved that both chambers operate identically with a residence time (xT (COMPASS 1) = 26.5 ± 0.3 min and xT (COMPASS 2) = 26.6 ± 0.4 min) at a typical flow rate of 15 L min−1 and a deposition rate (1.6 ± 0.8) × 10−5 s−1. Comparison measurement showed no significant differences. Therefore operation under atmospheric conditions is trustworthy. To indicate the applicability and the benefit of the system a set of experiments was conducted at different conditions, i.e. urban and remote, enhancing ozone and terpenes as well as reducing sunlight. In the ozone enhanced ambient particle number and volume increased substantially at urban and remote conditions in a different strength. Solar radiation displayed a clear positive effect on particle number as well as terpene addition did at remote conditions. Therefore the system is a useful tool to investigate local precursors, the details of ambient particle formation at surface locations as well as future feedback processes.
Atmospheric new particle formation is a general phenomenon observed over coniferous forests. So far nucleation is described as a function of gaseous sulfuric acid concentration only, which is unable to explain the observed seasonality of nucleation events at different measurement sites. Here we introduce a new nucleation parameter including ozone and water vapor concentrations as well as UV-B radiation as a proxy for OH radical formation. Applying this new parameter to field studies conducted at Finnish and German measurement sites it is found capable to predict the occurrence of nucleation events and their seasonal and annual variation indicating a significant role of organics. Extrapolation to possible future conditions of ozone, water vapor and organic concentrations leads to a significant potential increase in nucleation event number.
Atmospheric new particle formation is a general phenomenon observed over coniferous forests. So far nucleation is either parameterised as a function of gaseous sulphuric acid concentration only, which is unable to explain the observed seasonality of nucleation events at different measurement sites, or as a function of sulphuric acid and organic molecules. Here we introduce different nucleation parameters based on the interaction of sulphuric acid and terpene oxidation products and elucidate the individual importance. They include basic trace gas and meteorological measurements such as ozone and water vapour concentrations, temperature (for terpene emission) and UV B radiation as a proxy for OH radical formation. We apply these new parameters to field studies conducted at conducted at Finnish and German measurement sites and compare these to nucleation observations on a daily and annual scale. General agreement was found, although the specific compounds responsible for the nucleation process remain speculative. This can be interpreted as follows: During cooler seasons the emission of biogenic terpenes and the OH availability limits the new particle formation while towards warmer seasons the ratio of ozone and water vapour concentration seems to dominate the general behaviour. Therefore, organics seem to support ambient nucleation besides sulphuric acid or an OH-related compound. Using these nucleation parameters to extrapolate the current conditions to prognosed future concentrations of ozone, water vapour and organic concentrations leads to a significant potential increase in the nucleation event number.
The link between atmospheric radicals and newly formed particles at a spruce forest site in Germany
(2013)
It has been claimed for more than a century that atmospheric new particle formation is primarily influenced by the presence of sulphuric acid. However, the activation process of sulphuric acid related clusters into detectable particles is still an unresolved topic. In this study we focus on the PARADE campaign measurements conducted during August/September 2011 at Mt. Kleiner Feldberg in central Germany. During this campaign a set of radicals, organic and inorganic compounds and oxidants and aerosol properties were measured or calculated. We compared a range of organic and inorganic nucleation theories, evaluating their ability to simulate measured particle formation rates at 3 nm in diameter (J3) for a variety of different conditions. Nucleation mechanisms involving only sulphuric acid tentatively captured the observed noon-time daily maximum in J3, but displayed an increasing difference to J3 measurements during the rest of the diurnal cycle. Including large organic radicals, i.e. organic peroxy radicals (RO2) deriving from monoterpenes and their oxidation products in the nucleation mechanism improved the correlation between observed and simulated J3. This supports a recently proposed empirical relationship for new particle formation that has been used in global models. However, the best match between theory and measurements for the site of interest was found for an activation process based on large organic peroxy radicals and stabilized Criegee intermediates (sCI). This novel laboratory derived algorithm simulated the daily pattern and intensity of J3 observed in the ambient data. In this algorithm organic derived radicals are involved in activation and growth and link the formation rate of smallest aerosol particles with OH during daytime and NO3 during nighttime. Because of the RO2s lifetime is controlled by HO2 and NO we conclude that peroxy radicals and NO seem to play an important role for ambient radical chemistry not only with respect to oxidation capacity but also for the activation process of new particle formation. This is supposed to have significant impact of atmospheric radical species on aerosol chemistry and should to be taken into account when studying the impact of new particles in climate feedback cycles.
The link between atmospheric radicals and newly formed particles at a spruce forest site in Germany
(2014)
It has been claimed for more than a century that atmospheric new particle formation is primarily influenced by the presence of sulfuric acid. However, the activation process of sulfuric acid related clusters into detectable particles is still an unresolved topic. In this study we focus on the PARADE campaign measurements conducted during August/September 2011 at Mt Kleiner Feldberg in central Germany. During this campaign a set of radicals, organic and inorganic compounds and oxidants and aerosol properties were measured or calculated. We compared a range of organic and inorganic nucleation theories, evaluating their ability to simulate measured particle formation rates at 3 nm in diameter (J3) for a variety of different conditions. Nucleation mechanisms involving only sulfuric acid tentatively captured the observed noon-time daily maximum in J3, but displayed an increasing difference to J3 measurements during the rest of the diurnal cycle. Including large organic radicals, i.e. organic peroxy radicals (RO2) deriving from monoterpenes and their oxidation products, in the nucleation mechanism improved the correlation between observed and simulated J3. This supports a recently proposed empirical relationship for new particle formation that has been used in global models. However, the best match between theory and measurements for the site of interest was found for an activation process based on large organic peroxy radicals and stabilised Criegee intermediates (sCI). This novel laboratory-derived algorithm simulated the daily pattern and intensity of J3 observed in the ambient data. In this algorithm organic derived radicals are involved in activation and growth and link the formation rate of smallest aerosol particles with OH during daytime and NO3 during night-time. Because the RO2 lifetime is controlled by HO2 and NO we conclude that peroxy radicals and NO seem to play an important role for ambient radical chemistry not only with respect to oxidation capacity but also for the activation process of new particle formation. This is supposed to have significant impact of atmospheric radical species on aerosol chemistry and should be taken into account when studying the impact of new particles in climate feedback cycles.
In this survey paper, we present a multiscale post-processing method in exploration. Based on a physically relevant mollifier technique involving the elasto-oscillatory Cauchy–Navier equation, we mathematically describe the extractable information within 3D geological models obtained by migration as is commonly used for geophysical exploration purposes. More explicitly, the developed multiscale approach extracts and visualizes structural features inherently available in signature bands of certain geological formations such as aquifers, salt domes etc. by specifying suitable wavelet bands.
Residual circulation trajectories and transit times into the extratropical lowermost stratosphere
(2010)
Transport into the extratropical lowermost stratosphere (LMS) can be divided into a slow part (time-scale of several months to years) associated with the global-scale stratospheric residual circulation and a fast part (time-scale of days to a few months) associated with (mostly quasi-horizontal) mixing (i.e. two-way irreversible transport, including stratosphere-troposphere exchange). The stratospheric residual circulation can be considered to consist of two branches: a deep branch more strongly associated with planetary waves breaking in the middle to upper stratosphere, and a shallow branch more strongly associated with synoptic-scale waves breaking in the subtropical lower stratosphere. In this study the contribution due to the stratospheric residual circulation alone to transport into the LMS is quantified using residual circulation trajectories, i.e. trajectories driven by the (time-dependent) residual mean meridional and vertical velocities. This contribution represents the advective part of the overall transport into the LMS and can be viewed as providing a background onto which the effect of mixing has to be added. Residual mean velocities are obtained from a comprehensive chemistry-climate model as well as from reanalysis data. Transit times of air traveling from the tropical tropopause to the LMS along the residual circulation streamfunction are evaluated and compared to recent mean age of air estimates. A clear time-scale separation with much smaller transit times into the mid-latitudinal LMS than into polar LMS is found that is indicative of a clear separation of the shallow from the deep branch of the residual circulation. This separation between the shallow and the deep circulation branch is further manifested in a clear distinction in the aspect ratio of the vertical to meridional extent of the trajectories as well as the integrated mass flux along the residual circulation trajectories. The residual transit time distribution reproduces qualitatively the observed seasonal cycle of youngest air in the extratropical LMS in fall and oldest air in spring.
Residual circulation trajectories and transit times into the extratropical lowermost stratosphere
(2011)
Transport into the extratropical lowermost stratosphere (LMS) can be divided into a slow part (time-scale of several months to years) associated with the global-scale stratospheric residual circulation and a fast part (time-scale of days to a few months) associated with (mostly quasi-horizontal) mixing (i.e. two-way irreversible transport, including extratropical stratosphere-troposphere exchange). The stratospheric residual circulation may be considered to consist of two branches: a deep branch more strongly associated with planetary waves breaking in the middle to upper stratosphere, and a shallow branch associated with synoptic and planetary scale waves breaking in the subtropical lower stratosphere. In this study the contribution due to the stratospheric residual circulation alone to transport into the LMS is quantified using residual circulation trajectories, i.e. trajectories driven by the (time-dependent) residual mean meridional and vertical velocities. This contribution represents the advective part of the overall transport into the LMS and can be viewed as providing a background onto which the effect of mixing has to be added. Residual mean velocities are obtained from a comprehensive chemistry-climate model as well as from reanalysis data. Transit times of air traveling from the tropical tropopause to the LMS along the residual circulation streamfunction are evaluated and compared to recent mean age of air estimates. A time-scale separation with much smaller transit times into the mid-latitudinal LMS than into polar LMS is found that is indicative of a separation of the shallow from the deep branch of the residual circulation. This separation between the shallow and the deep circulation branch is further manifested in a distinction in the aspect ratio of the vertical to meridional extent of the trajectories, the integrated mass flux along the residual circulation trajectories, as well as the stratospheric entry latitude of the trajectories. The residual transit time distribution reproduces qualitatively the observed seasonal cycle of youngest air in the extratropical LMS in fall and oldest air in spring.
Der Cornbrash (sandige Fazies des Bathonien) setzt sich im zentralen Teil des Niedersächsischen Beckens aus insgesamt 5 Teilschüttungen zusammen. Zwei Sandschüttungen erfolgten im Unter-Bathonien (Obere Württembergica-Sandsteine); im Ober-Bathonien können insgesamt drei Sandschüttungen ausgehalten werden (Aspidoides-Sandsteine). Während der Einschüttung der Württembergica-Sandsteine sowie der unteren Abteilung des Aspidoides-Sandsteins bildete der Bereich etwa östlich der Linie Steinhuder Meer-Minden eine stabile Plattform, auf der sich von Osten nach Westen Deltas vorbauten (obere Abteilung des Oberen Württembergica-Sandsteins) bzw. hochenergetische Sandplaten zur Ablagerung kamen (untere Abteilung des Oberen Württembergica-Sandsteins sowie des Aspidoides-Sandsteins). Westlich dieser Plattform kam es im Bereich des Wesertroges dagegen zu einem phasenweisen Absinken des Untergrundes. Dementsprechend wechselhaft ist hier die Sedimentation: tonige Schelfablagerungen, deckenförmige Sande eines flach-tiefen Subtidals, hochenergetische Sandplatenbildungen sowie tonige, Bryozoen- und Onkoiden-führende Tone eines geschützten Litorals bilden im höheren Dogger insgesamt 3 regressive Sedimentationszyklen ab. Den insgesamt N-S verlaufenden Beckenkonturen entsprechend war im offenen Schelfbereich (Weser-Wiehengebirge) während des Bathonien ein zum Beckenrand parallel vertautendescnach Norden gerichtetes - Meeresströmungssystem ausgebildet. In Beckenrandbereichen (Süntel) erzeugte dagegen die auflaufende Gezeitenwelle ein senkrecht zum Beckenrand orientiertes, E-W gerichtetes Strömungsmuster. Im höheren Ober-Bathonien erfolgte eine tiefgreifende Umgestaltung der südlichen Beckenteile. Verstärkte Hebungsvorgänge im Bereich der Westfälisch-Lippischen Schwelle führten zu Sandeinschüttungen aus südlichen Richtungen, gleichzeitig verloren die östlichen Liefergebiete an Bedeutung. Sandschüttungen aus Norden, die vermutlich während des gesamten Bathonien erfolgten, haben den Südrand des Niedersächsischen Beckens zu keiner Zeit erreicht.
We have sampled atmospheric ice nuclei (IN) and aerosol in Germany and in Israel during spring 2010. IN were analyzed by the static vapor diffusion chamber FRIDGE, as well as by electron microscopy. During the Eyjafjallajökull volcanic eruption of April 2010 we have measured the highest ice nucleus number concentrations (>600 l−1) in our record of 2 yr of daily IN measurements in central Germany. Even in Israel, located about 5000 km away from Iceland, IN were as high as otherwise only during desert dust storms. The fraction of aerosol activated as ice nuclei at −18 °C and 119% rhice and the corresponding area density of ice-active sites per aerosol surface were considerably higher than what we observed during an intense outbreak of Saharan dust over Europe in May 2008.
Pure volcanic ash accounts for at least 53–68% of the 239 individual ice nucleating particles that we collected in aerosol samples from the event and analyzed by electron microscopy. Volcanic ash samples that had been collected close to the eruption site were aerosolized in the laboratory and measured by FRIDGE. Our analysis confirms the relatively poor ice nucleating efficiency (at −18 °C and 119% ice-saturation) of such "fresh" volcanic ash, as it had recently been found by other workers. We find that both the fraction of the aerosol that is active as ice nuclei as well as the density of ice-active sites on the aerosol surface are three orders of magnitude larger in the samples collected from ambient air during the volcanic peaks than in the aerosolized samples from the ash collected close to the eruption site. From this we conclude that the ice-nucleating properties of volcanic ash may be altered substantially by aging and processing during long-range transport in the atmosphere, and that global volcanism deserves further attention as a potential source of atmospheric ice nuclei.
Explosive volcanism affects weather and climate. Primary volcanic ash particles which act as ice nuclei (IN) can modify the phase and properties of cold tropospheric clouds. During the Eyjafjallajökull volcanic eruption we have measured the highest ice nucleus number concentrations (>600 L) in our record of 2 years of daily IN measurements in central Germany. Even in Israel, located about 5000 km away from Iceland, IN were as high as otherwise only during desert dust storms. These measurements are the only ones available on the properties of IN in the Eyjafjallajökull plume. The measured high concentrations and high activation temperature (−8 °C) point to an important impact of volcanic ash on microphysical and radiative properties of clouds through enhanced glaciation.
In Memoriam: Kurt Kimpel †
(1950)
In vorliegender Untersuchung wurde der Rißlöß zwischen der 1. und 2. fossilen Parabraunerde anhand schwächerer Bodenbildungen und eingeschalteter Abtragungsphasen zu gliedern versucht. Im jüngeren Riß herrschte starke Lößsedimentation vor, wobei es in mindestens 6 kaltfeuchten Abschnitten zur Ausbildung schwacher periglazialer Naßböden kam. Die Naßbodenserie wurde als Bruchköbeler Böden (B) bezeichnet. Im jüngsten Rißlöß ist wenige dm unter dem Eemboden als tephrochronologischer Leithorizont der Krifteler Tuff (vgl. SEMMEL 1968) eingeschaltet. Den mittleren Profilbereich im Rißlöß zeichnen feuchtere Klimaabschnitte mit starken Verschwemmungsphasen aus, die in den meisten Profilen zu erheblichen Diskordanzen geführt haben. An der Basis der wenigen kompletten Rißlöß-Profile treten vorwiegend in Hessen über der zumeist gekappten 2. fossilen Parabraunerde maximal zwei Schwarzerden auf, die von SEMMEL (1968) als Weilbacher Humuszonen bezeichnet werden. Unmittelbar über diesen Schwarzerden folgt die Ostheimer Zone, eine Fließerde aus aufgearbeitetem Solumaterial der liegenden Böden. Insgesamt zeigt die aus den Rißböden rekonstruierte Klimaabfolge — neben geringfügigen Abweichungen — überraschende Parallelen zur paläopedologisch-klimatischen Gliederung der Würmkaltzeit.
The current study tested the assumption that floristic and functional diversity patterns are negatively related to soil nitrogen content. We analyzed 20 plots with soil N-contents ranging from 0.63% to 1.06% in a deciduous forest near Munich (Germany). To describe species adaptation strategies to different nitrogen availabilities, we used a plant functional type (PFT) approach. Each identified PFT represents one realized adaptation strategy to the current environment. These were correlated, next to plant species richness and evenness, to soil nitrogen contents. We found that N-efficient species were typical for low soil nitrogen contents, while N-requiring species occur at high N-contents. In contrast to our initial hypotheses, floristic and functional diversity measures (number of PFTs) were positively related to nitrogen content in the soil. Every functional group has its own adaptation to the prevailing environmental conditions; in consequence, these functional groups can co-exist but do not out-compete one another. The increased number of functional groups at high N-contents leads to increased species richness. Hence, for explaining diversity patterns we need to consider species groups representing different adaptations to the current environmental conditions. Such co-existing ecological strategies may even overcome the importance of competition in their effect on biodiversity.
ucleation experiments starting from the reaction of OH radicals with SO2 have been performed in the IfT-LFT flow tube under atmospheric conditions at 293±0.5 K for a relative humidity of 13–61%. The presence of different additives (H2, CO, 1,3,5-trimethylbenzene) for adjusting the OH radical concentration and resulting OH levels in the range (4–300)·105 molecule cm−3 did not influence the nucleation process itself. The number of detected particles as well as the threshold H2SO4 concentration needed for nucleation was found to be strongly dependent on the counting efficiency of the used counting devices. High-sensitivity particle counters allowed the measurement of freshly nucleated particles with diameters down to about 1.5 nm. A parameterization of the experimental data was developed using power law equations for H2SO4 and H2O vapour. The exponent for H2SO4 from different measurement series was in the range of 1.7–2.1 being in good agreement with those arising from analysis of nucleation events in the atmosphere. For increasing relative humidity, an increase of the particle number was observed. The exponent for H2O vapour was found to be 3.1 representing a first estimate. Addition of 1.2·1011 molecule cm−3 or 1.2·1012 molecule cm−3 of NH3 (range of atmospheric NH3 peak concentrations) revealed that NH3 has a measureable, promoting effect on the nucleation rate under these conditions. The promoting effect was found to be more pronounced for relatively dry conditions. NH3 showed a contribution to particle growth. Adding the amine tert-butylamine instead of NH3, the enhancing impact for nucleation and particle growth appears to be stronger.