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Physical soil properties feature high spatial variabilities which are known to affect geophysical measurements. However, these variations are not considered in most cases. The challenging task is to quantify the influence of soil heterogeneities on geophysical data. This question is analysed for DC resistivity and GPR measurements which are frequently used for near-surface explorations. To determine the pattern of electric soil properties in situ with the required high spatial resolution, geophysical measuring techniques are methodically enhanced. High-resolution dipole-dipole resistivity measurements are used to determine the electric conductivity distribution of the topsoil. Due to the small electrode separations, the actual electrode geometry has to be considered and an analytic expression for geometric factors is derived instead of assuming point electrodes. Two methods are used to determine soil permittivity with GPR:(i) the coefficient of reflection at the interface air-soil is measured with an air-launched horn antenna, (ii) the velocity of the groundwave is measured with a new setup using two receiver antennas enhancing the lateral resolution from in the best case 0.5 m for standard techniques to approximately 0.1 m with the new technique. With the optimised measuring techniques, the electric properties of sandy soils are determined in the field. Conductivity and permittivity show high spatial variability with correlation lengths of a few decimetres. Geostatistical simulation techniques are used to generate synthetic random media featuring the same statistical properties as in the field. FD calculations are carried out with this media to provide realistic synthetic data of resistivity and GPR measurements. Conductivity variations as determined in the field generate significant variations of simulated Schlumberger sounding curves resulting in uncertainties of the inverted models. Even in pedologically homogeneous sandy soil, moisture pattern and resulting permittivity variations cause strong GPR diffractions as demonstated by FD calculations. This influences the detectability of small objects such as e.g. landmines or of large reflectors as e.g. the groundwater table. Conductivity variations as typical for soils showed to have a minor effect on GPR measurements than variations of permittivity. In summary, geostatistical analysis and simulation provide a powerful tool to simulate geophysical measurements under field conditions including soil heterogeneity which can be used to quantify the uncertainty of field measurements by geologic noise.
An evaluation scheme is presented in this paper which can be used to assess groundwater vulnerability according to the requirements of the European Water Framework Directive (WFD). The evaluation scheme results in a groundwater vulnerability map identifying areas of high, medium and low vulnerability, as necessary for the measurement planning of the WFD. The evaluation scheme is based on the definition of the vulnerability of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). It considers exposure, sensitivity and the adaptive capacity of the region. The adaptive capacity is evaluated in an actors' platform, which was constituted for the region in the PartizipA ("Participative modelling, Actor and Ecosystem Analysis in Regions with Intensive Agriculture") project. As a result of the vulnerability assessment, 21% of the catchment area was classified as being highly vulnerable, whereas 73% has medium vulnerability and 6% has low vulnerability. Thus, a groundwater vulnerability assessment approach is presented, which can be used in practice on a catchment scale for the WFD measurement planning.
Global modelling of continental water storage changes : sensitivity to different climate data sets
(2007)
Since 2002, the GRACE satellite mission provides estimates of the Earth's dynamic gravity field with unprecedented accuracy. Differences between monthly gravity fields contain a clear hydrological signal due to continental water storage changes. In order to evaluate GRACE results, the state-of-the-art WaterGAP Global Hydrological Model (WGHM) is applied to calculate terrestrial water storage changes on a global scale. WGHM is driven by different climate data sets to analyse especially the influence of different precipitation data on calculated water storage. The data sets used are the CRU TS 2.1 climate data set, the GPCC Full Data Product for precipitation and data from the ECMWF integrated forecast system. A simple approach for precipitation correction is introduced. WGHM results are then compared with GRACE data. The use of different precipitation data sets leads to considerable differences in computed water storage change for a large number of river basins. Comparing model results with GRACE observations shows a good spatial correlation and also a good agreement in phase. However, seasonal variations of water storage as derived from GRACE tend to be significantly larger than those computed by WGHM, regardless of which climate data set is used.
Constructive waterfalls
(1911)
The excavation of valleys by waterfalls is one of the best known and most effective processes by which rivers cut down the surface of the earth. The influence of waterfalls is usually regarded as solely destructive, and as always helping to lower the land. They undermine and cut backward the rock faces over which they fall : by this recession they excavate deep gorges ; and the existence of these gorges enables the adjacent country to be lowered to the level of the valIey floors. The waterfalls, moreover, empty any lakes they rnay reach in their retreat, while the ravines below the falls may drain the springs and thus desiccate the neighbouring hihlands. Observations in various countries had suggested to me that waterfalls may sometimes be constructive in stead of destructive, and that they may reserse their usual procedure, advancing instead of retreating, filling valleys instead of excavating them, and forrning alluvial plains and lakes instead of destroying them. The best illustrations I have seen of such advancing, constructive waterfalls are on some rivers of Dalmatia and Bosnia, where they occur in various stages of development. ...
The biomarker record in two different lakes in central Europe, Lake Albano and Lake Constance, is used to reflect environmental changes and lake system response during the Late Glacial and Holocene. Extractable organic compounds in lake sediments, which can be assigned to their biological source (biomarkers) function as fingerprints of past aquatic or land plant organisms. Using gas chromatography coupled with mass spectrometry, 21 different biomarkers (predominantly steroids and triterpenoids) as well as a variety of n-alkanes, nalkanols, and n-alkanoic acids could be identified in the sediment records of Lake Albano and Lake Constance. In the Holocene sediments of Lake Albano, the distribution of biomarkers such as dinosterol (dinoflagellates), isoarborinol, and diplopterol (aquatic organisms) indicate three biomarker zones: The period between 0-3,800 years BP (zone 3) is characterized by high concentrations of these biomarkers and others such as tetrahymanol and diploptene. Conversely, zone 2 (3,800-6,500 years BP) shows very low concentrations of all autochthonous biomarkers. In zone 1 (6,500–11,480 years BP), dinosterol, isoarborinol, and diplopterol range on a relatively high level, whereas diploptene and tetrahymanol display comparatively low concentrations. The results suggest at least two distinct changes in the predominance of primary producers during the Holocene, which are related to changes in the lake system such as lake mixing and water column stratification. This interpretation is consistent with previous investigations of Lake Albano sediments including pigment and hydrogen index data (Ariztegui et al., 1996b; Guilizzoni et al., 2002). Allochthonous biomarkers such as long-chain n-alkanes, amyrenones and friedelin indicate a development from forest to a more open landscape from 6,000 and 5.000 years BP, respectively. After a period of high concentrations during the first half of the Holocene, all biomarkers derived from deciduous trees exhibit relatively low values until around 1,000 years BP. Again, this is consistent with results from previous pollen investigations (Ariztegui et al., 2000). The sediment core from Upper Lake Constance comprises the Late Glacial and Holocene. It was analysed for biomarkers and inorganic tracers in order to compare the biomarker results with other proxy data from the same core. Magnetic susceptibility (MS) was measured to get a high-resolution stratigraphic framework of the core and to obtain further information about changes of the proportions of allochthonous and autochthonous input. Enhanced concentrations and accumulation rates of dinosterol (biomarker for dinoflagellates) and biogenic calcite give evidence of increasing lake productivity at the beginning of the Holocene followed by a decrease in bioproductivity after around 7,000 years BP. Younger Dryas sediments are characterized by low amounts of both dinosterol and biogenic calcite indicating a low productivity. The comparison of the concentrations and accumulation rates of b-sitosterol and stigmastanol with parameters reflecting lake productivity suggests that both steroids in Lake Constance sediments are mainly derived from terrigenous sources. Biomarkers as well as concentrations and accumulation rates of allochthonous inorganic compounds such as titanium, magnesium and strontium indicate a slightly enhanced allochthonous input after 8,500 years BP. Significant increase of erosive matter input from enhanced soil erosion is not observed before 4,000 years BP. This can be attributed to the combined effects of precipitation increase as a result of climatic deterioration and anthropogenic deforestation which is consistent with observations from other lakes in Central Europe. The MS record of Lake Constance confirms these results by tracing the climatically induced shifts of more intense bioproduction (low MS caused by increased calcite deposition) during the ‘climatic optimum’. This is followed by increasing input of terrigenous sediment compounds during colder and wetter periods which lead to higher MS values in the lake sediments. The occurrence of tetrahymanol in Lake Constance sediments questions the unambiguous use of tetrahymanol as an indicator for water column stratification. Anaerobic organic macroaggregates within the oxygenated, photic zone of the water column have to be considered as a possible living space for anaerobic microorganisms containing tetrahymanol. The direct comparison of two very different lakes Albano and Constance with respect to biomarkers indicating climate or environmental change provides a contribution to the recent biomarker research for a better understanding of biomarkers in lacustrine sediments.
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.
Um die Veränderungen von der Natur- zur Kulturlandschaft des Hochtals von St. Antönien (Graubünden, Schweiz) zu erfassen, wurden unterschiedliche natürliche Archive, wie Böden, Moore und Bäume innerhalb eines Methodenverbunds aus Bodenkunde, Palynologie und Dendroökologie untersucht. Das Gerüst für die Paläoumweltrekonstruktion bilden dabei die Pollenanalysen der Moorprofile Capelgin (1680 m ü. NN) und Groß Ried (1720 m ü. NN) am NE-exponierten Hang des Chrüzes. Sie reichen bis ins Boreal zurück. Um bestimmte Landschaftszustände, wie Rodungen oder Nutzungsänderungen, zu beschreiben, erwiesen sich Bodenprofile ebenfalls als sehr aufschlussreiche landschaftsgeschichtliche Zeugnisse. Mit den dendroökologischen Untersuchungen war es möglich, kalenderjahrgenaue Angaben zur Wiederbewaldungsdynamik und zum Erosionsgeschehen zu machen. Der Beginn der Alpweidrodungen im Hochtal liegt in der Spätbronzezeit, damit wurde ein weiterer Beweis geliefert, dass auch die klimatisch weniger begünstigten nördlichen Randalpen schon in dieser Epoche vom Menschen genutzt wurden. Flächenhafte Brandrodungen um Weideland zu gewinnen, sind dann für die Eisen- und Römerzeit belegt. Die Ergebnisse des Methodenverbunds gaben zudem einen genaueren Einblick in das Wirkungsgefüge Mensch und Umwelt. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Betrachtung der eisenzeitlichen Alpweidrodungen. Nach den Brandrodungen war es nicht möglich, die Flächen in Weideland zu überführen, sondern es gab zunächst eine Phase erhöhter Geomorphodynamik mit Ausbreitung der Grünerle.
Die Montagne Noire am Südrand des französischen Zentralmassivs gehört in das Vorland der französischen Varisziden. Es handelt sich um einen metamorphen Kemkomplex mit einem Kern ("Axialzone") aus Graniten sowie teilweise migmatisierten Ortho- und Paragesteinen. Die Axialzone wird im Norden ("Nordflügel") und Süden ("Südflügel") von paläozoischen Sedimenten umrahmt. Der Nordflügel wird in die "westlichen Monts de Lacaune" (im Westen) und die "Nördliche Schuppenzone" (im Osten) unterteilt und besteht aus Gesteinen mit kambrischem bis silurischem Alter. Der Südflügel wird von einem Stapel aus mehreren Deckeneinheiten aufgebaut, deren stratigraphisches Alter vom Kambrium bis ins Karbon reicht. Die Deckeneinheiten heißen (von oben nach unten im Stapel): Pardailhan-Decke, Minervois-Decke, Mont Peyroux-Decke, Faugeres-Decke und Parautochthon. Die Montagne Noire repräsentiert den seltenen Fall eines "heißen" metamorphen Kernkomplexes, ist aber auch ein ideales Gebiet für vergleichende methodische Studien der sehr niedriggradigen Metamorphose: unterschiedliche Gesteinstypen (Sand- und Siltsteine, Tonschiefer, verschiedene Karbonate) lassen sich quer zur Metamorphosezonierung vom Bereich der Diagenese bis in die Grünschieferfazies verfolgen. In der vorliegenden Arbeit wurde die tektono-metamorphe Entwicklung der niedriggradigen paläozoischen Sedimente untersucht. Dazu wurde eine flächenhafte Studie der Schichtsilikatentwicklung in den Peliten durchgeführt. Es wurden folgende Methoden angewandt: Kubier Index ("Illitkristallinität"), Arkai-Index ("Chloritkristallinität"), "bo-Index" (zur Bestimmung des geothermischen Gradienten), Polytypie-Untersuchungen, sowie an ausgesuchten Proben Mikrosondenanalytik und Röntgenfluoreszenzanalyse. Femer wurden von K. Wemmer (Göttingen) an einigen Proben K-Ar-Datierungen der Feinfraktionen (<2 mikro m und <0,2 mikro m) durchgeführt, um die Entwicklung auch zeitlich zu erfassen. Die petrologischen und geochronologische Daten wurden zur Deformation in Bezug gesetzt. Dabei wurden sowohl Literaturdaten als auch eigene strukturgeologische Befunde verwendet. Es konnten drei tektono-metamorphe Hauptphasen nachgewiesen werden: Die erste Phase (D1 entspricht dem variszischen Deckenbau. Dabei wurde eine M1-Metamorphose angelegt, die durch den bo-Index als Mitteldruck-Metamorphose charakterisiert werden kann. Das Strukturinventar belegt einen etwa südgerichteten tektonischen Transport während D1. Diese Phase ist in der Nördlichen Schuppenzone sowie im W-Teil der Pardailhan-Decke erhalten. Das Alter dieser Phase konnte in kambro-ordovizischen Gesteinen mit der K-Ar-Methode auf 340 bis 330 Ma datiert werden. Diese Alter zeigen eine gute Übereinstimmung mit Ar/Ar-Datierungen aus den im N angrenzenden grünschieferfaziellen Decken des Albigeois. In den tieferen Decken des Südflügels, die ursprünglich weiter im Süden gelegen haben, kann die D1-Deformation erst nach Ende der Flyschsedimentation an der Grenze Vise/Namur (<320 Ma) stattgefunden haben. Die zweite Phase (D2) entspricht dem Aufstieg des metamorphen Kemkomplexes. Im Kontakt mit dem aufsteigenden, heißen Kern ist der größere Teil der paläozoischen Hüllschichten kinematisch und thermisch geprägt wurden. Dabei sind Strukturen und Mineralbestand von D1 und M1 ganz oder teilweise gelöscht worden. Die Extensions-bedingte penetrative S2-Schieferung ist im größten Teil des Südflügels das dominante Flächensystem: dies gilt für das Parautochthon, die gesamte Faugeres-Decke. den westlichen Teil der Mont Peyroux-Decke, den östlichen Teil der Pardailhan- Decke und wahrscheinlich auch die Minervois-Decke. Der Grad der Mz-Metamorphose, die auch in den westlichen Monts de Lacaune (Nordflügel) die prägende Metamorphose ist, nimmt generell mit zunehmender Entfernung von der Axialzone ab. Der bo-Index belegt Niederdruck-metamorphe Bedingungen. K-Ar-Datierungen aus verschiedenen Decken des Südflügels ergeben für D2/M2 Werte zwischen 310 und 300 Ma. Dieses Altersspektrum entspricht Ar/Ar-Datierungen (etwa 311 bis 303 Ma; synkinematischer Biotit und Muskovit; Maluski et al.1991) aus Scherzonen am S-Rand der Axialzone, die während der Exhumierung angelegt wurden. Die K-Ar-Alter der paläozoischen Decken passen auch sehr gut zu U/Pb-Altem aus Paragneisen (308 Ma, Monazit; Gebauer et al. 1988), Graniten (308 Ma, Monazit) und migmatischen Gneisen (313 Ma; beide Krause et al. 2004) der Axialzone, die eine starke thermische Aktivität zu dieser Zeit belegen. Das dritte metamorphe Ereignis (M3) ist unter Anderem im Stephanbecken von Graissessac, nachgewiesen, das im Zuge der Extensionstektonik (D2) am ENE-Ende der Axialzone entstanden ist. Nach dem bisherigen Kenntnisstand ist diese Metamorphose statisch. Der bo-Index belegt - wie auch bei M2 - eine LP-Metamorphose. Sie wurde vermutlich durch magmatische Instrusionen hervorgerufen. M3 muss jünger sein als das U-Pb-Alter eines Tuffes im tiefen Teil der Stefan-Abfolge (c. 295 Ma). Dazu passen Rb-Sr Mineralisochronen von 292 bis 277 Ma aus zwei benachbarten Granitplutonen. Ähnliche Alter treten auch in Pegmatiten der Axialzone auf. Nicht alle der untersuchten Bereiche können eindeutig einer der drei tektono-metamorphen Hauptphasen zugeordnet werden (St. Gervais-Einheit im NE der Axialzone, östlicher Teil der Mont Peyroux-Decke). Dies liegt vielfach an einer unzureichenden strukturgeologischen Datenlage. Teilweise haben aber auch Alterationsprozesse stattgefunden, welche die K-Ar-Alter verjüngt haben, oder der regionale Metamorphosegrad ist sehr niedrig. Schließlich ist in schwach anchimetamorphen oder nur diagenetisch beeinflussten Gesteinen die bo-Index-Methode nicht anwendbar. Insgesamt bestätigen die regionalen Untersuchungen das Bild eines heißen Gneiskerns, der während seines Extensions-bedingten Aufstieges seine Hüllschichten syntektonisch aufheizt. Zusätzlich zur geodynamischen Fragestellung wurden in dieser Arbeit auch methodische Aspekte verfolgt. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Untersuchung der K-Na-Verteilung in den Illiten bzw. Muskoviten. Es hat sich gezeigt, dass einige Proben Paragonit und/oder K/Na-Illit rührten. Diese Minerale stören die Bestimmung der Illitkristallinität im Röntgendiffraktogramm, da sich ihre Peaks mit denen des Illit überlagern. Es wurden daher verschiedene "Peak-Fittings" durchgeführt, bei denen sich zum einen zeigte, dass der 10 A-Peak besser für das Fitting von Illit und diskretem Paragonit geeignet ist als der 5 A-Peak. Es wurde zudem festgestellt, dass es nur schwer oder gar nicht möglich ist, Illit und eine K/Na-Phase mit einer zufriedenstellenden Qualität zu fitten. da die Peakmaxima zu nahe beieinander liegen. Eine Mikrosondenanalyse (teilweise auch Mikrosonden- Mapping) der betreffenden Proben zeigte, wie unterschiedlich die K-Na-Verteilung in den Illiten im anchimetamorphen Bereich sein kann. Es wurden diskrete Mineralphasen, eine domänenartige Verteilung und auch relativ homogene Mischkristalle beobachtet.
Tropische Korallenriffe sind die artenreichsten Ökosysteme im Ozean. Die »tropischen Regenwälder der Meere« beherbergen zirka 800 Korallenarten und mehrere zehntausend Arten aus fast allen bekannten Tierstämmen. Korallenriffe bedecken weltweit eine Fläche von 600.000 Quadratkilometern, das sind 0,17 Prozent der Erdoberfläche. Sie treten als nahe der Küste gelegene Saumriffe, küstenfernere Barriereriffe, ringförmige Atolle und flache Karbonat-Plattformen auf . Der Begriff »Karbonat« weist darauf hin, dass Korallen als Riffbildner ein Skelett aus Kalk haben. Auch Kalkalgen und Weichtiere wie Muscheln und Schnecken sind durch die Bildung von Kalkskeletten und Kalkschalen am Riffaufbau beteiligt. Da tropische Korallenriffe nur in der Nähe der Meeresoberfläche wachsen, können Geowissenschaftler mit Hilfe fossiler Korallenfunde ermitteln, wie sich der Pegel des Meeresspiegels in vergangenen Jahrtausenden entwickelt hat. Auch andere wichtige Klimadaten wie Wassertemperatur, Sonneneinstrahlung und Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre sind in Korallenriffen »gespeichert«. Frankfurter Geowissenschaftler erschließen diese wichtigen Daten, die weit vor menschliche Messungen zurückreichen, durch systematische Bohrungen in Korallenriffen der Karibik, des Persischen Golfs und der Malediven.
Spatial interpolation of precipitation data is uncertain. How important is this uncertainty and how can it be considered in evaluation of high-resolution probabilistic precipitation forecasts? These questions are discussed by experimental evaluation of the COSMO consortium's limited-area ensemble prediction system COSMO-LEPS. The applied performance measure is the often used Brier skill score (BSS). The observational references in the evaluation are (a) analyzed rain gauge data by ordinary Kriging and (b) ensembles of interpolated rain gauge data by stochastic simulation. This permits the consideration of either a deterministic reference (the event is observed or not with 100% certainty) or a probabilistic reference that makes allowance for uncertainties in spatial averaging. The evaluation experiments show that the evaluation uncertainties are substantial even for the large area (41 300 km2) of Switzerland with a mean rain gauge distance as good as 7 km: the one- to three-day precipitation forecasts have skill decreasing with forecast lead time but the one- and two-day forecast performances differ not significantly.
The Land and Water Development Division of the Food and Agriculture Organization of the United Nations and the Johann Wolfgang Goethe University, Frankfurt am Main, Germany, are cooperating in the development of a global irrigation-mapping facility. This report describes an update of the Digital Global Map of Irrigation Areas for the continents of Africa and Europe as well as for the countries Argentina, Brazil, Mexico, Peru and Uruguay in Latin America. For this update, an new inventory of subnational irrigation statistics was compiled. The reference year for the statistics is 2000. Adding up the irrigated areas per country as documented in the report gives a total of 48.8 million ha while the total area equipped for irrigation at the global scale is 278.8 million ha. The total number of subnational units in the inventory used for this update is 16 822 while the number of subnational units in the global inventory increased to 26 909. In order to distribute the irrigation statistics per subnational unit, digital spatial data layers and printed maps were used. Irrigation maps were derived from project reports, irrigation subsector studies, and books related to irrigation and drainage. These maps were digitized and compared with satellite images of many regions. In areas without spatial information on irrigated areas, additional information was used to locate areas where irrigation is likely, such as land-cover and land-use maps that indicate agricultural areas or areas with crops that are usually grown under irrigation.
Mechanisms by which subvisible cirrus clouds (SVCs) might contribute to dehydration close to the tropical tropopause are not well understood. Recently Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs) with optical depths around 10-4 have been detected in the western Indian ocean. These clouds cover thousands of square kilometers as 200-300 m thick distinct and homogeneous layer just below the tropical tropopause. In their condensed phase UTTCs contain only 1-5% of the total water, and essentially no nitric acid. A new cloud stabilization mechanism is required to explain this small fraction of the condensed water content in the clouds and their small vertical thickness. This work suggests a mechanism, which forces the particles into a thin layer, based on upwelling of the air of some mm/s to balance the ice particles, supersaturation with respect to ice above and subsaturation below the UTTC. In situ measurements suggest that these requirements are fulfilled. The basic physical properties of this mechanism are explored by means of a single particle model. Comprehensive 1-D cloud simulations demonstrate this stabilization mechanism to be robust against rapid temperature fluctuations of +/- 0.5 K. However, rapid warming (Delta T > 2 K) leads to evaporation of the UTTC, while rapid cooling (Delta T < -2 K) leads to destabilization of the particles with the potential for significant dehydration below the cloud
Measurements of OH, total peroxy radicals, non-methane hydrocarbons (NMHCs) and various other trace gases were made at the Meteorological Observatory Hohenpeissenberg in June 2000. The data from an intensive measurement period characterised by high solar insolation (18-21 June) are analysed. The maximum midday OH concentration ranged between 4.5x106 molecules cm-3 and 7.4x106 molecules cm-3. The maximum total ROx (ROx =OH+RO+HO2+RO2) mixing ratio increased from about 55 pptv on 18 June to nearly 70 pptv on 20 and 21 June. A total of 64 NMHCs, including isoprene and monoterpenes, were measured every 1 to 6 hours. The oxidation rate of the NMHCs by OH was calculated and reached a total of over 14x106 molecules cm-3 s-1 on two days. A simple photostationary state balance model was used to simulate the ambient OH and peroxy radical concentrations with the measured data as input. This approach was able to reproduce the main features of the diurnal profiles of both OH and peroxy radicals. The balance equations were used to test the effect of the assumptions made in this model. The results proved to be most sensitive to assumptions about the impact of unmeasured volatile organic compounds (VOC), e.g. formaldehyde (HCHO), and about the partitioning between HO2 and RO2. The measured OH concentration and peroxy radical mixing ratios were reproduced well by assuming the presence of 3 ppbv HCHO as a proxy for oxygenated hydrocarbons, and a HO2/ RO2 ratio between 1:1 and 1:2. The most important source of OH, and conversely the greatest sink for peroxy radicals, was the recycling of HO2 radicals to OH. This reaction was responsible for the recycling of more than 45x106 molecules cm-3 s-1 on two days. The most important sink for OH, and the largest source of peroxy radicals, was the oxidation of NMHCs, in particular, of isoprene and the monoterpenes.
Subvisible cirrus clouds (SVCs) may contribute to dehydration close to the tropical tropopause. The higher and colder SVCs and the larger their ice crystals, the more likely they represent the last efficient point of contact of the gas phase with the ice phase and, hence, the last dehydrating step, before the air enters the stratosphere. The first simultaneous in situ and remote sensing measurements of SVCs were taken during the APE-THESEO campaign in the western Indian ocean in February/March 1999. The observed clouds, termed Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs), belong to the geometrically and optically thinnest large-scale clouds in the Earth´s atmosphere. Individual UTTCs may exist for many hours as an only 200--300 m thick cloud layer just a few hundred meters below the tropical cold point tropopause, covering up to 105 km2. With temperatures as low as 181 K these clouds are prime representatives for defining the water mixing ratio of air entering the lower stratosphere.
We have used the SLIMCAT 3-D off-line chemical transport model (CTM) to quantify the Arctic chemical ozone loss in the year 2002/2003 and compare it with similar calculations for the winters 1999/2000 and 2003/2004. Recent changes to the CTM have improved the model's ability to reproduce polar chemical and dynamical processes. The updated CTM uses σ-θ as a vertical coordinate which allows it to extend down to the surface. The CTM has a detailed stratospheric chemistry scheme and now includes a simple NAT-based denitrification scheme in the stratosphere.
In the model runs presented here the model was forced by ECMWF ERA40 and operational analyses. The model used 24 levels extending from the surface to ~55km and a horizontal resolution of either 7.5° x 7.5° or 2.8° x 2.8°. Two different radiation schemes, MIDRAD and the CCM scheme, were used to diagnose the vertical motion in the stratosphere. Based on tracer observations from balloons and aircraft, the more sophisticated CCM scheme gives a better representation of the vertical transport in this model which includes the troposphere. The higher resolution model generally produces larger chemical O3 depletion, which agrees better with observations.
The CTM results show that very early chemical ozone loss occurred in December 2002 due to extremely low temperatures and early chlorine activation in the lower stratosphere. Thus, chemical loss in this winter started earlier than in the other two winters studied here. In 2002/2003 the local polar ozone loss in the lower stratosphere was ~40% before the stratospheric final warming. Larger ozone loss occurred in the cold year 1999/2000 which had a persistently cold and stable vortex during most of the winter. For this winter the current model, at a resolution of 2.8° x 2.8°, can reproduce the observed loss of over 70% locally. In the warm and more disturbed winter 2003/2004 the chemical O3 loss was generally much smaller, except above 620K where large losses occurred due to a period of very low minimum temperatures at these altitudes.
Number concentrations of total and non-volatile aerosol particles with size diameters >0.01 μm as well as particle size distributions (0.4–23 μm diameter) were measured in situ in the Arctic lower stratosphere (10–20.5 km altitude). The measurements were obtained during the campaigns European Polar Stratospheric Cloud and Lee Wave Experiment (EUPLEX) and Envisat-Arctic-Validation (EAV). The campaigns were based in Kiruna, Sweden, and took place from January to March 2003. Measurements were conducted onboard the Russian high-altitude research aircraft Geophysica using the low-pressure Condensation Nucleus Counter COPAS (COndensation PArticle Counter System) and a modified FSSP 300 (Forward Scattering Spectrometer Probe). Around 18–20 km altitude typical total particle number concentrations nt range at 10–20 cm−3 (ambient conditions). Correlations with the trace gases nitrous oxide (N2O) and trichlorofluoromethane (CFC-11) are discussed. Inside the polar vortex the total number of particles >0.01 μm increases with potential temperature while N2O is decreasing which indicates a source of particles in the above polar stratosphere or mesosphere. A separate channel of the COPAS instrument measures the fraction of aerosol particles non-volatile at 250°C. Inside the polar vortex a much higher fraction of particles contained non-volatile residues than outside the vortex (~67% inside vortex, ~24% outside vortex). This is most likely due to a strongly increased fraction of meteoric material in the particles which is transported downward from the mesosphere inside the polar vortex. The high fraction of non-volatile residual particles gives therefore experimental evidence for downward transport of mesospheric air inside the polar vortex. It is also shown that the fraction of non-volatile residual particles serves directly as a suitable experimental vortex tracer. Nanometer-sized meteoric smoke particles may also serve as nuclei for the condensation of gaseous sulfuric acid and water in the polar vortex and these additional particles may be responsible for the increase in the observed particle concentration at low N2O. The number concentrations of particles >0.4 μm measured with the FSSP decrease markedly inside the polar vortex with increasing potential temperature, also a consequence of subsidence of air from higher altitudes inside the vortex. Another focus of the analysis was put on the particle measurements in the lowermost stratosphere. For the total particle density relatively high number concentrations of several hundred particles per cm3 at altitudes below ~14 km were observed in several flights. To investigate the origin of these high number concentrations we conducted air mass trajectory calculations and compared the particle measurements with other trace gas observations. The high number concentrations of total particles in the lowermost stratosphere are probably caused by transport of originally tropospheric air from lower latitudes and are potentially influenced by recent particle nucleation.
We report measurements of the deuterium content of molecular hydrogen (H2) obtained from a suite of air samples that were collected during a stratospheric balloon flight between 12 and 33 km at 40º N in October 2002. Strong deuterium enrichments of up to 400 permil versus Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) are observed, while the H2 mixing ratio remains virtually constant. Thus, as hydrogen is processed through the H2 reservoir in the stratosphere, deuterium is accumulated in H2 . Using box model calculations we investigated the effects of H2 sources and sinks on the stratospheric enrichments. Results show that considerable isotope enrichments in the production of H2 from CH4 must take place, i.e., deuterium is transferred preferentially to H2 during the CH4 oxidation sequence. This supports recent conclusions from tropospheric H2 isotope measurements which show that H2 produced photochemically from CH4 and non-methane hydrocarbons must be enriched in deuterium to balance the tropospheric hydrogen isotope budget. In the absence of further data on isotope fractionations in the individual reaction steps of the CH4 oxidation sequence, this effect cannot be investigated further at present. Our measurements imply that molecular hydrogen has to be taken into account when the hydrogen isotope budget in the stratosphere is investigated.