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Artificial drainage of agricultural land, for example with ditches or drainage tubes, is used to avoid water logging and to manage high groundwater tables. Among other impacts it influences the nutrient balances by increasing leaching losses and by decreasing denitrification. To simulate terrestrial transport of nitrogen on the global scale, a digital global map of artificially drained agricultural areas was developed. The map depicts the percentage of each 5’ by 5’ grid cell that is equipped for artificial drainage. Information on artificial drainage in countries or sub-national units was mainly derived from international inventories. Distribution to grid cells was based, for most countries, on the "Global Croplands Dataset" of Ramankutty et al. (1998) and the "Digital Global Map of Irrigation Areas" of Siebert et al. (2005). For some European countries the CORINE land cover dataset was used instead of the both datasets mentioned above. Maps with outlines of artificially drained areas were available for 6 countries. The global drainage area on the map is 167 Mio hectares. For only 11 out of the 116 countries with information on artificial drainage areas, sub-national information could be taken into account. Due to this coarse spatial resolution of the data sources, we recommended to use the map of artificially drained areas only for continental to global scale assessments. This documentation describes the dataset, the data sources and the map generation, and it discusses the data uncertainty.
In der hier vorliegenden Arbeit wurden Spurenstoff-Flüsse zwischen Atmosphäre und Pedosphäre, sowie zwischen Atmosphäre und Vegetation untersucht. Der Austausch zwischen Atmosphäre und Boden wurde mit Hilfe von dynamischen Bodenkammern gemessen. Zur Bestimmung des Austauschs zwischen Atmosphäre und Biosphäre wurden Gradienten der Spurengase oberhalb der Baumkronen gemessen und daraus die Flüsse bestimmt. Weiterhin wurden methodische Vergleiche der Gradientmethode mit anderen Methoden (Relaxed-Eddy-Accumulation, Eddy- Correlation) durchgeführt. Die Untersuchungen mit Hilfe der Gaswechselkammern zeigen, dass während aller Messungen der Boden eine Senke von atmosphärischem Carbonylsulfid dargestellt hat. Hiermit wird die Rolle des Bodens als eine Senke für COS bestätigt. Die Depositonsraten betragen im Mittel - 0,81 pmolm exp -2 s exp -1 und besitzen eine Variabilität zwischen - 0,23 und - 1,38 pmolm exp -2 s exp -1. Im Vergleich zu den Literaturwerten (siehe Tabelle 1.1) sind die Aufnahmeraten des Bodens auf der Versuchsfläche "F1" schwach ausgeprägt. Im Vergleich zu anderen Arbeiten (siehe Lehmann & Conrad, 1996; Kesselmeier et al., 1999) sind keine eindeutigen Korrelationen zwischen dem COS-Fluss und der Lufttemperatur bzw. der Bodenfeuchte oder den Bodentemperaturen in 2, 5 und 10 cm zu erkennen. Diese hier aufgeführten Arbeiten beruhen jedoch auf Labormessungen mit nur sehr geringen homogenen und präparierten Bodenmengen. Die Feldmessungen im Rahmen dieser Arbeit wurden nicht unter vergleichbar definierten Bedingungen durchgeführt. Aufgrund zahlreicher beeinflussender Parameter und der vertikalen Inhomogenität des Bodens konnte jedoch auch nicht mit vergleichbar guten Korrelationen gerechnet werden. Eine saisonale Abhängigkeit der COS-Aufnahme ist über einen Zeitraum von 21 2 Monaten nicht ausgeprägt. Da die Messungen einer Kampagne im Mai 1999 aufgrund von Kontaminationen der Luftproben vollständig verworfen wurden, erstreckten sich die Messungen nur vom Hochsommer bis zum Frühherbst. Die räumliche Variabilität erreicht dagegen innerhalb einer Entfernung von 10 m eine Spanne zwischen - 0,43 und - 0,73 pmolm exp -2 s exp -1. Zurückzuführen ist dies auf die starke räumliche ....
Die Genese der Leptinite und Paragneise zwischen Nordrach und Gengenbach im mittleren Schwarzwald
(1990)
Nachdem die Erforschung der anatektischen Prozesse lange Jahre das Bild des metamorphen Schwarzwalds prägte, wurden durch das Erkennen von Niedrigdruck- und Mitteldruck-Faziesserien (BLÜMEL 1983) und durch die lithologische Gliederung (WIMMENAUER 1984) neue Akzente im metamorphen Grundgebirge gesetzt. Im Rahmen des Kontinentalen Tiefbohrprogramms der Bundesrepublik Deutschland (KTB) wurde im Raum Nordrach-Gengenbach eine Leptinit-Paragneis-Wechselfolge kartiert. Vier Einheiten konnten unterschieden werden: (1) homogene Areale aus biotitarmen Leptiniten, (2) homogene Areale aus biotitreichen Leptiniten, (3) Areale aus verschiedenen, psammopelitischen Paragneisen und (4) eine Wechsellagerung im Aufschlussbereich zwischen Paragneisen und biotitarmen Leptiniten. Die ganze Wechselfolge stellt einen metamorphen, vulkano-sedimentären Komplex aus mindestens zwei verschiedenen Rhyolithen, rhyolithischen Tuffen, Tonsteinen, Grauwacken/Arkosen und Tuffiten dar. Die Struktur des Arbeitsgebiets wird durch die Wippersbach-Mulde, einen Bereich entlang des Haigerach-Tals mit Tendenz zu einem hochtemperatur-mylonitischen Gefüge und den Nordracher Granit, der parallel zur Foliation der Metamorphite intrudierte, geprägt. Im Mittelbachtal ist in streichender Verlängerung der Zone Diersburg-Berghaupten eine ca. 200 m breite Störungszone aufgeschlossen, die mehrphasig mylonitisch und kataklastisch überprägt wurde. Die biotitarmen Leptinite bestehen im wesentlichen aus 40 % Quarz und 60 % Feldspat. Sie sind nahezu massig, feinkörnig-ungleichkörnig (0,1 - 1 mm) mit amöboiden Kornformen. Mylonitische Gefüge kommen untergeordnet vor. Ihr Mineralbestand lautet: Quarz, Biotit, Granat, Sillimanit, Cordierit, Spinell, Ilmenit, Rutil. Die ehemaligen Hypersolvus-Feldspäte Mesoperthit und Antiperthit zeigen eine Entwicklungsreihe zu diskreten Plagioklas(An10-20)- und Orthoklas-Körnern. Um Granat ist eine Corona aus Cordierit-Quarz-Symplektit oder hellgrünem Biotit entwickelt. Die biotitreichen Leptinite haben durch den erhöhten Biotit-Gehalt (um 3 %) ein flaseriges Gefüge. Ihnen fehlt Mesoperthit, dafür führen sie reichlich Antiperthit (An20). Monazit ist ein charakteristischer akzessorischer Gemengteil. Die chemische Zusammensetzung der Leptinite entspricht der von Rhyolithen und ist über viele km nahezu konstant. Eine Probe ist stark an Uran verarmt. Die untersuchten Leptinite ähneln nach Auftreten, Chemismus und Metamorphose den Leptiniten von Todtmoos im Südschwarzwald. Die Paragneise werden in Quarz-Feldspat-reiche Meta-Grauwacken/Meta-Arkosen und Cordierit-reiche Meta-Pelite gegliedert. Das Gefüge ist feinkörnig, lagig-flaserig, teilweise mittelkörnig-migmatitisch und selten mylonitisch oder metablastisch. Der Mineralbestand lautet: Quarz, Plagioklas(An30), Antiperthit, Orthoklas, Biotit, Cordierit, Granat, Kyanit, Sillimanit (meist pseudomorph nach Kyanit), Andalusit (kontaktmetamorph), Spinell, Diaspor, Rutil, Graphit, Ilmenit und Sulfide. Die chemischen Analysen der Paragneise wurden mit denen von nicht metamorphen Sedimenten verglichen: die cordieritreichen Paragneise konnten als metamorphe Tongesteine bestimmt werden, die Quarz-Feldspat-reichen Paragneise sind metamorphe Grauwacken oder Arkosen, da sich Grauwacken und Arkosen nach ihrer chemischen Analyse nicht eindeutig unterscheiden lassen. Im Arbeitsgebiet gibt es nur ein kleines Amphibolit-Vorkommen. Es handelt sich um einen Cummingtonit-führenden Amphibolit, bei dem sich noch ein früheres Metamorphose-Stadium unter hohen Drücken nachweisen lässt. Der Strukturzustand der Alkalifeldspäte (Or85) ist lithologieabhängig und liegt zwischen Orthoklas und Maximum Mikroklin. Granat ist nur schwach diffusions-zoniert. Die Ca-reichen Zentren und Ca-armen Ränder der Granate zeigen eine Druckentlastung an. Aus den Biotit-Analysen (TiO2 bis 5,3 Gew.-%) wurde abgeleitet, da die Tschermak-Substitution die AlVI-Variation nicht erklären kann, sondern dass der AlVI-Gehalt in den untersuchten Biotiten wahrscheinlich vom Fe/(Fe+Mg)-Verhältnis des Gesteins abhängt. Cordierit (teilweise Fe-reich) ist meist pinitisiert. Bei einigen Piniten kann nicht ausgeschlossen werden, dass nach NEDELEC & PAQUET (1981) nicht Cordierit sondern eine Schmelze das Edukt war. Grüner und brauner Fe-Mg-Zn-Aluminat-Spinell kommt vorwiegend zusammen mit Cordierit (±Diaspor) als Corona um Kyanit vor. Das ganze Aggregat wird durch eine äußere Plagioklas-Corona vom Rest des Gesteins abgekapselt. Die metamorphe Entwicklung der untersuchten Gesteine beginnt mit einem druckbetonten Stadium (Hochdruck-Granulitfazies bis ?Eklogit-Fazies) und der Paragenese Granat + Kyanit + Hypersolvus-Feldspäte + Quarz ± Biotit. Die Temperatur lässt sich nur recht unsicher zu 700 °C abschätzen. Mit dem jetzt vorliegenden Plagioklas ergibt sich mit dem GPAQ-Thermobarometer, dem GRAIL- und dem GRIPS-Barometer ein Druck um 7-9 kbar, der als gut belegter Mindestdruck interpretiert wird. Falls aber während dieses Stadiums die Ca-reichen Granat-Zentren der biotitarmen Leptinite mit einem Hypersolvus-Alkalifeldspat (3 Mol-% Anorthit-Komponente nach der CIPW-Norm der Gesteinsanalyse) und Kyanit im Gleichgewicht standen, dann ergeben sich deutlich höhere Drücke von 14-19 kbar. Dieses Metamorphose-Stadium lässt sich mit dem geochronologischen 480 Ma-Ereignis (Ordovizium) korrelieren. Darauf folgt ein Druckentlastungs-Zwischenstadium mit der Umwandlung von Kyanit in Sillimanit und der Bildung der Spinell-Coronen um Al2SiO5-Minerale. Den Abschluss der Metamorphose-Entwicklung bildet ein statisches Cordieritisierungs-Stadium (LP-HT-Metamorphose, Cordierit-Kalifeldspat-Paragenese). Es bewirkte das statische Wachstum von reichlich Cordierit in Biotit-Sillimanit-reichen Teilgefügen und um Granat. Die Temperatur lag dabei nach dem Granat-Biotit-, dem Granat-Cordierit- und dem Granat-Ilmenit-Thermometer bei 650±50 °C. Der Druck betrug dabei nach dem GPAQ-Thermobarometer 3±2 kbar. Dieses Metamorphose-Stadium ist im NE des Raums Nordrach-Gengenbach stark ausgeprägt, im SW, wo das frühe, druckbetonte Stadium gut erhalten ist, nur schwach. Das statische Cordieritisierungs-Stadium lässt sich in das Karbon einstufen.
In der hier vorliegenden Diplomarbeit wurde der globale Einfluß des ENSO-Phänomens (El Niño/Southern Oscillation) und des Vulkanismus auf den Luftdruck in Meeresspiegelhöhe sowie auf die Lufttemperatur in Bodennähe untersucht. Weiterhin sollte der Frage nachgegangen werden, ob starke Vulkanausbrüche das ENSO-Phänomen beeinflussen. Hierfür wurden 100-jährige Zeitreihen von Jahres- und saisonalen Mitteln des Southern-Oscillation-Index (SOI), Anomalien der Meeresoberflächentemperatur im tropischen Ostpazifik (SST) sowie der Vulkanismusparameter nach Grieser [17] verwendet. Weiterhin wurde ein globaler, aus 80 flächengleichen Boxen bestehender Datensatz des Luftdrucks in Meeresspiegelhöhe für den Zeitraum 1883 bis 1992 erstellt und ein gleichartiger Boxdatensatz der Luftemperatur in Bodennähe verwendet. Die angewandte Methodik ist eine von Denhard 1996 [11] entwickelte Filtertechnik (Prozeßfilter), mit deren Hilfe sich externe Störungen auf ein dynamisches System analysieren lassen. Es wurde ein methodischer Vergleich zwischen dem Prozeßfilter und der Kreuzspektralanalyse durchgeführt, der aufzeigte, daß bei der hier vorliegenden Fragestellung der Prozeßfilter bessere Ergebnisse liefert. Die Analysen der ENSO-Parameter (SOI, SST) mit den Boxdatensätzen der internen Klimavariablen (Luftdruck und Temperatur) bestätigen die bekannten Wirkungen des ENSO-Phänomens auf das Temperatur- sowie das Luftdruckfeld in Bodennähe bzw. Meeresspiegelhöhe. Für einen entdeckten, im jahreszeitlichen Verlauf unterschiedlichen Einfluß von ENSO auf die Lufttemperatur im tropischen Westpazifik ist dem Autor keine vergleichbare Diskussion aus der Literatur bekannt. In dieser Region wurde im Winter und Frühjahr (jeweils bezogen auf die Nordhemisphäre) eine Erhöhung der Lufttemperatur während El Niño, im Sommer und Herbst dagegen eine Erniedrigung festgestellt. Die Wirkung des Vulkanismus auf den Luftdruck in Meeresspiegelhöhe ist stark von ENSO überlagert. Dieser Effekt wurde in abgeschwächter Form auch bei den, ansonsten klimatologisch interpretierbaren, Korrelationsmustern zwischen den Gebietsmittelreihen der bodennahen Lufttemperatur und dem Vulkanismusparameter festgestellt. Ein ursächliches Einwirken des Vulkanismus auf ENSO konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht gefunden werden.
We present simulations with the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS) for the Arctic winter 2002/2003. We integrated a Lagrangian denitrification scheme into the three-dimensional version of CLaMS that calculates the growth and sedimentation of nitric acid trihydrate (NAT) particles along individual particle trajectories. From those, we derive the HNO3 downward flux resulting from different particle nucleation assumptions. The simulation results show a clear vertical redistribution of total inorganic nitrogen (NOy), with a maximum vortex average permanent NOy removal of over 5 ppb in late December between 500 and 550 K and a corresponding increase of NOy of over 2 ppb below about 450 K. The simulated vertical redistribution of NOy is compared with balloon observations by MkIV and in-situ observations from the high altitude aircraft Geophysica. Assuming a globally uniform NAT particle nucleation rate of 3.4·10−6 cm−3 h−1 in the model, the observed denitrification is well reproduced. In the investigated winter 2002/2003, the denitrification has only moderate impact (<=10%) on the simulated vortex average ozone loss of about 1.1 ppm near the 460 K level. At higher altitudes, above 600 K potential temperature, the simulations show significant ozone depletion through NOx-catalytic cycles due to the unusual early exposure of vortex air to sunlight.
Chlorine monoxide (ClO) plays a key role in stratospheric ozone loss processes at midlatitudes. We present two balloonborne in situ measurements of ClO conducted in northern hemisphere midlatitudes during the period of the maximum of total inorganic chlorine loading in the atmosphere. Both ClO measurements were conducted on board the TRIPLE balloon payload, launched in November 1996 in Le´on, Spain, and in May 1999 in Aire sur l’Adour, France. For both flights a ClO daylight and night time vertical profile could be derived over an altitude range of approximately 15–31 km. ClO mixing ratios are compared to model simulations performed with the photochemical box model version of the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS). Simulations along 24-h backward trajectories were performed to study the diurnal variation of ClO in the midlatitude lower stratosphere. Model simulations for the flight launched in Aire sur l’Adour 1999 show a good agreement with the ClO measurements. For the flight launched in Le´on 1996, a similar good agreement is found, except at around ~ 650 K potential temperature (~26km altitude). However, a tendency is found that for solar zenith angles greater than 86°–87° the simulated ClO mixing ratios substantially overestimate measured ClO by approximately a factor of 2.5 or more for both flights. Therefore we conclude that no indication can be deduced from the presented ClO measurements that substantial uncertainties exist in midlatitude chlorine chemistry of the stratosphere. An exception is the situation at solar zenith angles greater than 86°–87° where model simulations substantial overestimate ClO observations.
Attribution and detection of anthropogenic climate change using a backpropagation neural network
(2002)
The climate system can be regarded as a dynamic nonlinear system. Thus traditional linear statistical methods are not suited to describe the nonlinearities of this system which renders it necessary to find alternative statistical techniques to model those nonlinear properties. In addition to an earlier paper on this subject (WALTER et al., 1998), the problem of attribution and detection of the observed climate change is addressed here using a nonlinear Backpropagation Neural Network (BPN). In addition to potential anthropogenic influences on climate (CO2-equivalent concentrations, called greenhouse gases, GHG and SO2 emissions) natural influences on surface air temperature (variations of solar activity, volcanism and the El Niño/Southern Oscillation phenomenon) are integrated into the simulations as well. It is shown that the adaptive BPN algorithm captures the dynamics of the climate system, i.e. global and area weighted mean temperature anomalies, to a great extent. However, free parameters of this network architecture have to be optimized in a time consuming trial-and-error process. The simulation quality obtained by the BPN exceeds the results of those from a linear model by far; the simulation quality on the global scale amounts to 84% explained variance. Additionally the results of the nonlinear algorithm are plausible in a physical sense, i.e. amplitude and time structure. Nevertheless they cover a broad range, e.g. the GHG-signal on the global scale ranges from 0.37 K to 1.65 K warming for the time period 1856-1998. However the simulated amplitudes are situated within the discussed range (HOUGHTON et al., 2001). Additionally the combined anthropogenic effect corresponds to the observed increase in temperature for the examined time period. In addition to that, the BPN succeeds with the detection of anthropogenic induced climate change on a high significance level. Therefore the concept of neural networks can be regarded as a suitable nonlinear statistical tool for modeling and diagnosing the climate system.
Im Rahmen der Diskussion des globalen bzw. regionalen Klimawandels sind, neben Extremereignissen, Langfristtrends von besonderem Interesse. Doch erfordert die ausgeprägte Klimavariabilität in Zeit und Raum spezielle regionale Detailuntersuchungen. Daher wird hier eine solche Analyse für Deutschland und die Klimaelemente bodennahe Lufttemperatur sowie Niederschlag vorgestellt, mit besonderem Blick auf die jahreszeitlichen/monatlichen Besonderheiten der Trends in ausgewählten Zeitintervallen zwischen 1891 und 2000. Am auffälligsten ist dabei die sich verstärkende winterliche Temperatur- und Niederschlagszunahme, während im Sommer, unter ebenfalls Erwärmung, eine Trendwende von abnehmendem zu in den letzten Dekaden zunehmendem Niederschlag eingetreten ist.
Vielleicht hätte sich außerhalb der Fachwissenschaft niemand für das Weltklimaproblem interessiert, wären da nicht zwei brisante, miteinander gekoppelte Fakten: Die Menschheit ist hochgradig von der Gunst des Klimas abhängig. Es kann uns daher nicht gleichgültig sein, was mit unserem Klima geschieht. Und: Die Menschheit ist mehr und mehr dazu übergegangen, das Klima auch selbst zu beeinflussen. Daraus erwächst uns allen eine besondere Verantwortung. ...
Wenn sich beim Klimagipfel in Den Haag [genauer bei der nun schon 6. Vertragstaatenkonferenz zur Klimaschutzkonvention der Vereinten Nationen] nun wieder die Delegationen aus fast allen Staaten der Welt treffen, um über Klimaschutzmaßnahmen zu beraten, dann schwingt auch immer die Frage mit: Sind solche Maßnahmen wirklich notwendig? Sollen wir nicht einfach warten, bis wir mehr, ja vielleicht alles wissen? ...
Die Zunahme der Konzentration von CO2 und anderen "Treibhausgasen" in der Atmosphäre ist unzweifelhaft, und ebenso unzweifelhaft reagiert das Klima darauf. Christian-Dietrich Schönwiese, Professor für Meteorologische Umweltforschung und Klimatologie an der Universität Frankfurt am Main, sieht dringenden politischen Handlungsbedarf und plädiert gleichzeitig dafür, die Debatte rund um den Klimaschutz zu versachlichen.
Die öffentliche Klimadebatte scheint sich zu verselbständigen. Abgehoben von den Erkenntnissen der Fachwissenschaftler reden die einen von der "Klimakatastrophe", die uns demnächst mit voller Wucht treffen wird, wenn wir nicht sofort alles ganz anders machen; Panik ist ihnen das rechte Mittel, Aufmerksamkeit zu erregen. Die anderen sehen im "Klimaschwindel" einen Vorwand für Forschungsgelder und zusätzliche Steuerbelastung der Wirtschaft; ihre Strategie ist Verwirrung und Verharmlosung. Mit der Fixierung auf solche Extrempositionen werden wir den Herausforderungen der Zukunft sicherlich nicht gerecht. Höchste Zeit für eine Versachlichung und für einen klärenden Beitrag zum Verwirrspiel "Klima".
Temporal changes in the occurrence of extreme events in time series of observed precipitation are investigated. The analysis is based on a European gridded data set and a German station-based data set of recent monthly totals (1896=1899–1995=1998). Two approaches are used. First, values above certain defined thresholds are counted for the first and second halves of the observation period. In the second step time series components, such as trends, are removed to obtain a deeper insight into the causes of the observed changes. As an example, this technique is applied to the time series of the German station Eppenrod. It arises that most of the events concern extreme wet months whose frequency has significantly increased in winter. Whereas on the European scale the other seasons also show this increase, especially in autumn, in Germany an insignificant decrease in the summer and autumn seasons is found. Moreover it is demonstrated that the increase of extreme wet months is reflected in a systematic increase in the variance and the Weibull probability density function parameters, respectively.
Simulation of global temperature variations and signal detection studies using neural networks
(1998)
The concept of neural network models (NNM) is a statistical strategy which can be used if a superposition of any forcing mechanisms leads to any effects and if a sufficient related observational data base is available. In comparison to multiple regression analysis (MRA), the main advantages are that NNM is an appropriate tool also in the case of non-linear cause-effect relations and that interactions of the forcing mechanisms are allowed. In comparison to more sophisticated methods like general circulation models (GCM), the main advantage is that details of the physical background like feedbacks can be unknown. Neural networks learn from observations which reflect feedbacks implicitly. The disadvantage, of course, is that the physical background is neglected. In addition, the results prove to be sensitively dependent from the network architecture like the number of hidden neurons or the initialisation of learning parameters. We used a supervised backpropagation network (BPN) with three neuron layers, an unsupervised Kohonen network (KHN) and a combination of both called counterpropagation network (CPN). These concepts are tested in respect to their ability to simulate the observed global as well as hemispheric mean surface air temperature annual variations 1874 - 1993 if parameter time series of the following forcing mechanisms are incorporated : equivalent CO2 concentrations, tropospheric sulfate aerosol concentrations (both anthropogenic), volcanism, solar activity, and ENSO (all natural). It arises that in this way up to 83% of the observed temperature variance can be explained, significantly more than by MRA. The implication of the North Atlantic Oscillation does not improve these results. On a global average, the greenhouse gas (GHG) signal so far is assessed to be 0.9 - 1.3 K (warming), the sulfate signal 0.2 - 0.4 K (cooling), results which are in close similarity to the GCM findings published in the recent IPCC Report. The related signals of the natural forcing mechanisms considered cover amplitudes of 0.1 - 0.3 K. Our best NNM estimate of the GHG doubling signal amounts to 2.1K, equilibrium, or 1.7 K, transient, respectively.
The climate system can be regarded as a dynamic nonlinear system. Thus, traditional linear statistical methods fail to model the nonlinearities of such a system. These nonlinearities render it necessary to find alternative statistical techniques. Since artificial neural network models (NNM) represent such a nonlinear statistical method their use in analyzing the climate system has been studied for a couple of years now. Most authors use the standard Backpropagation Network (BPN) for their investigations, although this specific model architecture carries a certain risk of over-/underfitting. Here we use the so called Cauchy Machine (CM) with an implemented Fast Simulated Annealing schedule (FSA) (Szu, 1986) for the purpose of attributing and detecting anthropogenic climate change instead. Under certain conditions the CM-FSA guarantees to find the global minimum of a yet undefined cost function (Geman and Geman, 1986). In addition to potential anthropogenic influences on climate (greenhouse gases (GHG), sulphur dioxide (SO2)) natural influences on near surface air temperature (variations of solar activity, explosive volcanism and the El Nino = Southern Oscillation phenomenon) serve as model inputs. The simulations are carried out on different spatial scales: global and area weighted averages. In addition, a multiple linear regression analysis serves as a linear reference. It is shown that the adaptive nonlinear CM-FSA algorithm captures the dynamics of the climate system to a great extent. However, free parameters of this specific network architecture have to be optimized subjectively. The quality of the simulations obtained by the CM-FSA algorithm exceeds the results of a multiple linear regression model; the simulation quality on the global scale amounts up to 81% explained variance. Furthermore the combined anthropogenic effect corresponds to the observed increase in temperature Jones et al. (1994), updated by Jones (1999a), for the examined period 1856–1998 on all investigated scales. In accordance to recent findings of physical climate models, the CM-FSA succeeds with the detection of anthropogenic induced climate change on a high significance level. Thus, the CMFSA algorithm can be regarded as a suitable nonlinear statistical tool for modeling and diagnosing the climate system.
Die im Industriezeitalter und im globalen Mittel beobachtete Erwärmung der unteren Atmosphäre zeigt ausgeprägte regional-jahreszeitliche Besonderheiten (IPCC 2001, SCHÖNWIESE 2003, 2004). Dies gilt in noch höherem Maß für den Niederschlag (vgl. Kap. 3.1.2 und 3.1.8). Die Vermutung, dass eine solche Erwärmung zu einer Intensivierung des hydrologischen Zyklus führt, was im Prinzip zunächst richtig ist (vgl. Kap. 3.1.2), erweist sich jedoch als viel zu simpel, wenn daraus einfach auf eine generelle Niederschlagszunahme geschlossen wird. Dies gilt sogar innerhalb einer so kleinen Region wie Deutschland. Denn obwohl Deutschland im Mittel überproportional an der »globalen« Erwärmung teilnimmt (SCHÖNWIESE 2003, 2004), zeigen die Langzeitänderungen des Niederschlages im Detail ganz unterschiedliche Charakteristika. Dabei kann die hier vorgestellte Beschreibung der in Deutschland beobachteten Niederschlagtrends subregional noch wesentlich verfeinert werden, vgl. z.B. Analyse für Sachsen (FRANKE et al. 2004), da der Niederschlag eine nur geringe räumliche Repräsentanz aufweist (SCHÖNWIESE & RAPP 1997). Zeitliche Änderungen von Klimaelementen lassen sich nun in ganz unterschiedlicher Weise betrachten. Am meisten verbreitet sind lineare Trendberechnungen, wie sie auch einem Teil der hier vorliegenden Studie zugrunde liegen. Es können aber auch Trends anderer statistischer Kenngrößen als des Mittelwertes von Interesse sein, z.B. der Varianz. Häufigkeitsverteilungen, die in normierter Form Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen heißen, erlauben die Bestimmung solcher Kenngrößen in Form der Verteilungsparameter. Wird unter Nutzung geeigneter Verteilungen (z.B. Normal- oder Gumbelverteilung, vgl. unten Abb. 3.1.6-4) eine statistische Modellierung der jeweils betrachteten klimatologischen Zeitreihe vorgenommen, werden Aussagen über die Unter- bzw. Überschreitungswahrscheinlichkeiten bestimmter Schwellenwerte möglich, in verallgemeinerter Form für beliebige Schwellen und Zeiten (TRÖMEL 2004). Da dieser extremwertorientierte Aspekt von großer Wichtigkeit ist, soll auch ihm hier nachgegangen werden (vgl. alternativ Kap. 3.1.7 und 3.1.10). Die im Folgenden verwendeten Daten sind jeweils Monatssummen des Niederschlages 1901–2000 an 132 Stationen in Deutschland (teilweise unter Einbezug einiger Stationen in den angrenzenden Ländern), einschließlich der daraus abgeleiteten Flächenmittelwerte (sog. Rasterdaten; Quelle: Deutscher Wetterdienst, siehe u.a. MÜLLER-WESTERMEIER 2002; vgl. weiterhin RAPP & SCHÖNWIESE 1996, dort auch Hinweise zur Homogenitätsprüfung, sowie RAPP 2000).
Observed global and European spatiotemporal related fields of surface air temperature, mean-sea-level pressure and precipitation are analyzed statistically with respect to their response to external forcing factors such as anthropogenic greenhouse gases, anthropogenic sulfate aerosol, solar variations and explosive volcanism, and known internal climate mechanisms such as the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the North Atlantic Oscillation (NAO). As a first step, a principal component analysis (PCA) is applied to the observed spatiotemporal related fields to obtain spatial patterns with linear independent temporal structure. In a second step, the time series of each of the spatial patterns is subject to a stepwise regression analysis in order to separate it into signals of the external forcing factors and internal climate mechanisms as listed above as well as the residuals. Finally a back-transformation leads to the spatiotemporally related patterns of all these signals being intercompared. Two kinds of significance tests are applied to the anthropogenic signals. First, it is tested whether the anthropogenic signal is significant compared with the complete residual variance including natural variability. This test answers the question whether a significant anthropogenic climate change is visible in the observed data. As a second test the anthropogenic signal is tested with respect to the climate noise component only. This test answers the question whether the anthropogenic signal is significant among others in the observed data. Using both tests, regions can be specified where the anthropogenic influence is visible (second test) and regions where the anthropogenic influence has already significantly changed climate (first test).
Groundwater recharge is the major limiting factor for the sustainable use of groundwater. To support water management in a globalized world, it is necessary to estimate, in a spatially resolved way, global-scale groundwater recharge. In this report, improved model estimates of diffuse groundwater recharge at the global-scale, with a spatial resolution of 0.5° by 0.5°, are presented. They are based on calculations of the global hydrological model WGHM (WaterGAP Global Hydrology Model) which, for semi-arid and arid areas of the globe, was tuned against independent point estimates of diffuse groundwater recharge. This has led to a decrease of estimated groundwater recharge under semi-arid and arid conditions as compared to the model results before tuning, and the new estimates are more similar to country level data on groundwater recharge. Using the improved model, the impact of climate change on groundwater recharge was simulated, applying two greenhouse gas emissions scenarios as interpreted by two different climate models.
Die vorliegende geologische Arbeit befaßt sich mit einem Ausschnitt des Taunus. Der Taunus ist der südöstlichste Teil des Rheinischen Schiefergebirges und liegt in etwa zwischen Koblenz, Gießen, Frankfurt und Wiesbaden (Abb. 1 und 2). Marine Flachseesedimente prägen hier das Unterdevon des Rheinischen Schiefergebirges. Durch variszische Deformation entstand überwiegend NW- bis NNW-vergenter Faltenbau. Gravitative Kräfte ließen weitere tektonische Strukturen entstehen. Tertiäre Bruchtektonik schuf Horste und Gräben....... Das bearbeitete Gebiet weist unter großflächigen quartären Schuttdecken unterdevonische Sedimente der Tonschiefer- und Feinsandsteinfraktion auf. Im Unterdevon sorgte rasche Sedimentation bei ständiger Absenkung des Rheinischen Trogs für ein flaches Meer. Im Norden des Kartiergebiets tritt eine Fossilbank mit mariner Fauna zutage. Bei der mesozoisch-tertiären Verwitterung wurden die oberflächennahen Gesteine gelockert und Vererzungen und Roterden gebildet. Taleinschnitte in die tertiäre Rumpffläche sind pleistozänen Alters. Das devonische Gestein ist anchimetamorph überprägt und zeigt eine deutliche erste Schieferung, welche von einer intensiven Glimmerneubildung begleitet ist und primär stark nordwestvergent angelegt wurde. In feinpelitischen Bereichen kann eine zweite, postkristalline Schieferung ausgebildet sein. Durch starken Schuppenbau und anhaltende laterale Einengung bei der variszischen Überprägung entstanden im Taunus sogenannte "horse structures": Es kam zu sukzessiver Aufrichtung hangender Schuppeneinheiten bei nordwestlich fortschreitender Anlage von Überschiebungsbahnen im Liegenden. Im Scheitelbereich eines so entstandenen Vergenzfächers liegt das Kartiergebiet. Achsenflächen und Hauptschieferung stehen steil bis saiger. In diesen Bereichen kam es beim Kollaps des Gebirges durch gravitative Kräfte zur Anlage von Knickbändern. Sie ersetzen Verschiebungsflächen. Vereinzelt sind sie auch mit Abschiebungen verbunden. Die am häufigsten aufgeschlossene Knickband-Schar hat nach SE abschiebenden Charakter, eine zweite zeigt NW-gerichteten Bewegungssinn. Sie sind aufgrund der gleichgerichteten vertikalen Einengung zusammengehörend bzw. konjungiert. Die Knickachsen beider Scharen tauchen mit nur wenigen Grad in Streichrichtung ab. Manchmal sind Knickbänder dieser beiden Gruppen direkt konjungiert aufgeschlossen. Möglicherweise durch Rotation, als Teil konjungierter Knickbänder oder innerhalb größerer übergeordneter Knickbänder erscheinen einige der Knickbänder aufschiebend. Eine untergeordnete, dritte Knickband-Schar deutet mit schrägabschiebendem Verschiebungssinn eine Rotation der Spannungsrichtung und möglicherweise erste Bewegungen der Idsteiner Senke an. Sie ist im Untersuchungsgebiet nur selten aufgeschlossen. Die Untersuchungen im Zuge dieser Diplomarbeit ergaben, daß die Knickbänder bevorzugt in Bereichen südvergenter Schieferung entstanden. Im Süden und südlich des Kartiergebiets weist die Schieferung häufiger Südvergenz auf, weshalb dort fast ausschließlich nach S bis SE abschiebende Knickbänder einzumessen waren. Unterschiede zwischen Messungen im Westen und Osten des Gebiets wurden nicht festgestellt. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist eine Longitudinalstrain-Berechnung von 3,4-6,8 % für die Gesteinspartien mit Knickbändern. Die Anlage der Knickbänder wird als letzte variszische Deformation angesehen. Ihr folgten außer kleineren Abschiebungen möglicherweise noch syn- und antithetische Rotationsbewegungen einzelner Gesteinsschollen. Demnach würden sich insgesamt die Anlage der Knickbänder und die Bildung der Vergenzfächer zeitlich überschneiden. Das Einfallen der Knickachsen und auch anderer Achsen und Lineare flach nach SW, ist wahrscheinlich durch tertiäre Bruchschollentektonik bedingt. Diese Bruchtektonik gliedert das Gebirge in Schollen mit Horsten und Gräben, so z.B. die bedeutende Grabenstruktur der Idsteiner Senke. Dabei kann der Vergenzfächer trotz vertikaler Bewegung horizontal versetzt worden sein. Seine Scheitellinie verändert zur Tiefe hin die Position ("horse structures") und tritt bei einer erodierten Hochscholle versetzt zutage.
This paper provides global terrestrial surface balances of nitrogen (N) at a resolution of 0.5 by 0.5 degree for the years 1961, 1995 and 2050 as simulated by the model WaterGAP-N. The terms livestock N excretion (Nanm), synthetic N fertilizer (Nfert), atmospheric N deposition (Ndep) and biological N fixation (Nfix) are considered as input while N export by plant uptake (Nexp) and ammonia volatilization (Nvol) are taken into account as output terms. The different terms in the balance are compared to results of other global models and uncertainties are described. Total global surface N surplus increased from 161 Tg N yr-1 in 1961 to 230 Tg N yr-1 in 1995. Using assumptions for the scenario A1B of the Special Report on Emission Scenarios (SRES) of the International Panel on Climate Change (IPCC) as quantified by the IMAGE model, total global surface N surplus is estimated to be 229 Tg N yr-1 in 2050. However, the implementation of these scenario assumptions leads to negative surface balances in many agricultural areas on the globe, which indicates that the assumptions about N fertilizer use and crop production changes are not consistent. Recommendations are made on how to change the assumptions about N fertilizer use to receive a more consistent scenario, which would lead to higher N surpluses in 2050 as compared to 1995.
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 Irrigated Areas for the continent of Asia. For this update, an inventory of subnational irrigation statistics for the continent 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 188.5 million ha for the entire continent. The total number of subnational units used in the inventory is 4 428. 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. Contents 1. Working Report I: Generation of a map of administrative units compatible with statistics used to update the Digital Global Map of Irrigated Areas in Asia 2. Working Report II: The inventory of subnational irrigation statistics for the Asian part of the Digital Global Map of Irrigated Areas 3. Working Report III: Geospatial information used to locate irrigated areas within the subnational units in the Asian part of the Digital Global Map of Irrigated Areas 4. Working Report IV: Update of the Digital Global Map of Irrigated Areas in Asia, Results Maps
Die Arbeitsgruppe für Chemie und Physik der Atmosphäre am Institut für Meteorologie und Geophysik der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt befasst sich unter anderem mit der Entwicklung einer Continous Flow Diffusion Chamber zur Erfassung und Klassifikation von CCN und IN. Diese Partikel besitzen eine Größe im Mikrometerbereich und sind somit nicht leicht zu erfassen und zu unterscheiden. Bei vergleichbaren Versuchen beschränkte sich bisher die automatische Auswertung auf die Anzahl der Partikel. Es gibt noch kein Verfahren, welches eine Klassifikation in CCN und IN videobasiert vornehmen kann. Es lag ebenfalls kein reales Bildmaterial vor, welches zu Testzwecken für die Klassifikation geeignet gewesen wäre. Basierend auf den physikalischen und meteorologischen Grundlagen wurde mittels Raytracing ein künstlicher Bilddatensatz mit kleinen Eiskristallen und Wassertröpfchen unter verschiedenen Betrachtungsverhältnissen erstellt. Anhand dieses Bilddatensatzes wurde dann ein Verfahren zur Klassifikation entwickelt und prototypisch implementiert, welches dies mittels Methoden aus der graphischen Datenverarbeitung und durch Berechnung der Momente vornimmt. Es war notwendig, Verfahren aus der Kameratechnik zu betrachten, die später in der realen Anwendung mit sehr kurzzeitiger Belichtung, geeigneter Optik und hochauflösender CCD-Kamera detaillierte Bilder von Objekten in der Größe von einigen 10µm liefern können.
In dieser Arbeit wird die erstmals von Stevenson et al. (89, GRL) beschriebene spannungsangetriebene Schmelzsegregation, die Kanalisierungsinstabilität, numerisch mit Hilfe des 2D Finite-Differenzen-Codes FDCON (Schmeling, 00, Kluwer) untersucht. Diese Untersuchung stellt eine Weiterführung der numerischen Experimente von Richardson et al. (96, JGR) und Hall et al. (00, GRL) dar, so dass die Erforschung der Kanalisierungsinstabilität erweitert wird um den Aspekt ihres Verhaltens bezüglich eines äußeren Spannungsfeldes bei verschiedenen initialen Porositätsverteilungen, der Untersuchung der Kanalisierungsinstabilität bei großen Dehnungen und der damit verbundenen Analyse der entstehenden Strukturen, des Einflusses des Auftriebs auf die Ausbildung von Kanalnetzwerken und um die abschließende Prüfung, ob durch ein durch die Kanalisierungsinstabilität ausgebildetes Kanalnetzwerk die Möglichkeit besteht, Schmelze zu einem MOR zu fokussieren. Die Kanalbildung wird derzeit von Holtzman et al. (03, G3) (Hochdruckexperimente an synthetischem Olivin+MORB), Spiegelman et al. (03, G3) (theoretische Untersuchung der Kanalisierungsinstabilität) und Rabinowicz et al. (04, JGR) (numerische Simulation und theoretische Betrachtung der Kanalisierungsinstabilität) intensiv untersucht, die Fokussierung der Schmelze behandeln Sparks et al. (94, Academic Press), Hall et al. (03, G3) sowie Kühn (05, in-press). Viskositätsunterschiede in einer schmelzgefüllten porösen Matrix verursachen bei deren Deformation einen Druckgradienten, welcher die Schmelze in Richtung der maximalen Hauptspannung anreichert und zur Ausbildung von Kanälen, welche eine inhomogene Schmelzverteilung aufweisen, führt. Die Wachstumsrate Alpha dieser Kanäle weist zur Wellenzahl k eine Proportionalität von Alpha ~ ak^2/(1+bk^2) auf. Dieser Zusammenhang hat zur Folge, dass sich ab einer bestimmten Wellenzahl alle Schmelzverteilungen größerer Wellenzahl gleich verstärken. Bei anhaltender Dehnung kann beobachtet werden, dass die ausgebildeten Kanäle an den verarmten Kanalstellen auseinander gerissen werden. Nachfolgend verbinden sich die hierdurch entstandenen Schmelzlinsen unter der Bildung von en-echelon arrays wieder, wodurch sich wiederum ein langer, in etwa um 45° ausgelenkter (linksdrehendes Koordinatensystem, mit 0° gleich der Vertikalen) Kanal bildet. Diese Beobachtungen fanden unter der Bedingung, dass kein Auftrieb zwischen Schmelze und Matrix existiert, statt. Wird dieser Auftrieb hinzugefügt, so ist erkennbar, dass eine Kombination zwischen den die Kanalisierungsinstabilität und den Auftrieb bestimmenden Parametern existiert, bei der sich Solitonen ausbilden. Diese Solitonen folgen bei ihrem schnelleren Aufstieg dem Verlauf der schmelzgefüllten Kanäle und passieren dabei, ohne ihre Form zu verändern, andere kleine Solitonen, die ihren Weg kreuzen. Die durchschnittliche Aufstiegsgeschwindigkeit der Solitonen entspricht einem Vielfachen der Aufstiegsgeschwindigkeit der Schmelze aufgrund von Segregation. Weiterhin deckt sich die Solitonaufstiegsgeschwindigkeit mit der von Schmeling angegebenen. Bisher konnte in die Theorie für trockene (wasserfreie) Medien kein frühzeitiger Abfall der Wachstumsrate bei großen Wellenzahlen implementiert werden. Lediglich unter dem Gesichtspunkt der Diffusion von Wasser zwischen der Matrix und der Schmelze und des erweichenden Effekts von Wasser konnte bei einer spezifischen Wellenzahl eine maximale Wachstumsrate gefunden werden (Hall et al., 2000, GRL). Der Versuch der Anwendung der bisher erzielten Ergebnisse auf die Interaktion eines aufsteigenden Plumes mit einer spreizenden Kruste erbrachte keine direkte Fokussierung der Schmelze zum MOR hin. Die Spannungsverteilung dieser Experimente zeigt, dass der Plumestamm aufgrund eines defokussierenden Kanalnetzwerks im Stamm sowie eines nahezu vertikal verlaufenden Kanalnetzwerks am Rand des Plumestammes von einer Zone erhöhter Schmelzkonzentration ummantelt sein könnte. In dieser Ummantelung steigt die Schmelze dann in vertikal verlaufenden Kanälen auf, wobei sie in den hier vorgestellten Experimenten (Plumekopfausdehnung ~150 km) in einer Entfernung von ~100 km zum MOR auf die Lithosphärenunterseite (Tiefe ~50 km) treffen würde. Aufgrund der Lithosphärenstruktur (Wurzel-t-Gesetz) könnte die Schmelze an der schrägen Lithosphärenunterseite zum MOR hin strömen (Sparks et al., 94, Academic Press sowie Hall et al., 03 G3). Diese Prozesse (Kanalisierungsinstabilität (Stevenson et al., 89, GRL), Entlangströmen der Schmelze an der Lithosphärenunterseite (Sparks et al., 94, Academic Press sowie Hall et al., 03, G3) und der Recyclingprozess der Schmelze) stellen das Erklärungsmodell dieser Arbeit dar, wie eine Fokussierung von Schmelze zum MOR bei einer Interaktion von diesem mit einem Plume aussehen könnte.
Mit Hilfe von Torsionsexperimenten in einem Temperaturbereich von 350° C bis 470° C und einer Anregungsfrequenz von 2*10^{-3} bis 20 Hz ist der komplexe Schermodul G* von Lithiumdisilikatgläsern, welche sich durch einen unterschiedlichen Kristallgehalt auszeichnen (4 Proben, Kristallgehalt: Glas 0=0%, Glas 1=19%, Glas 3=22% und Glas 5=27%), gemessen worden. Hierdurch können weitere rheologische Eigenschaften der Gläser wie der Dämpfungsfaktor \( Q^{-1}, die Viskosität eta und die Aktivierungsenergie E_{alpha} einer Diffusion ermittelt werden. Die Auswertung der Rohdaten des Betrages des komplexen Schermoduls G* und der dazugehörigen Phasenverschiebung phi der Glasproben zeigen eine Zunahme des jeweiligen Wertes bei Erniedrigung der Frequenz und Erhöhung der Temperatur bei steigendem Kristallgehalt. Dies ist dadruch erklärbar, daß ein effektives Schermodul gemessen wird, welches sich aus dem Schermodul der Glasschmelze und dem Schermodul der Kristalle zusammensetzt. Bei Erhöhung der Temperatur erweicht die Glasschmelze langsam, während die Kristalle gegenüber der Glasschmelze hart bleiben. Dies führt zu einem effektiv höheren Schermodul. In den Rohdaten ist bei allen Glasproben die gleiche lineare Zunahme des Dämpfungsfaktors Q^{-1} mit Erniedrigung der Anregungsfrequenz und Erhöhung der Temperatur festzustellen. Somit kann gesagt werden, daß Q^{-1} bei diesen Temperaturen und Anregungsfrequenzen unabhängig vom Kristallgehalt ist. Die gemessenen Werte von Q^{-1} liegen in einem Bereich von 1-0,001. Diese lineare Zunahme bleibt bis hin zu einer Temperatur von 456°C bei Glas 0 und 470°C bei Glas 5 erhalten. Erst dann zeigt sich in einem Anregungsfrequenzbereich von \( 2*10^{-3} - 10^{-2} Hz eine leichte Änderung von Q^{-1} mit steigendem Kristallgehalt. Bedingt durch die Schranken, daß nicht bei höheren Temperaturen als 470°C gemessen werden darf und daß die minimale Anregungsfrequenz der Torsionsmaschine bei 2*10^{-3} Hz liegt, kann diese Änderung in Q^{-1} nicht weiter untersucht werden. Der in der Seismologie interessante Bereich, welcher bei Q^{-1} < 0,01-0,001 liegt, konnte bei diesen Experimenten nicht erreicht werden, da die technischen Voraussetzungen der Torsionsmaschine nur eine genaue Messung von Q^{-1}\approx 0,01 erlauben. Vorliegende Meßdaten, die ein kleineres Q^{-1} als 0,01 aufweisen, streuen zu sehr und sind somit für eine verläßliche Aussage für die Seismologie unbrauchbar. Mit Hilfe des Verfahrens der Masterkurven konnte gezeigt werden, daß sich die rheologischen Eigenschaften von Lithiumdisilikatglas nicht durch einen Maxwell-Körper beschreiben lassen sondern hierzu ein generalisierter Maxwell-Körper nötig ist. Die voneinander unabhängigen Berechnungen der Aktivierungsenergie aus dem Dämpfungsfaktor Q^{-1} und aus den Masterkurven zeigen innerhalb der Fehlerschranken keine Veränderung der gemessenen Werte der Aktivierungsenergie auf. Die Werte sind jedoch fast um die Hälfte kleiner als der in der Literatur angegebene Wert. Es ist ein Verfahren entwickelt worden, welches unter gewissen Voraussetzungen mit Hilfe des Konzeptes der Masterkurven eine Bestimmung einer unbekannten Viskosität eines viskoelastischen Materials bei der Temperatur \( \widetilde{T} \) in Abhängigkeit des Kristallgehaltes ermöglicht. Voraussetzung zur Bestimmung der unbekannten Viskositäten bei unterschiedlichen Kristallgehalten ist es, daß zumindest eine Viskosität bei der Temperatur \( \widetilde{T} \) und ein Kristallgehalt bekannt sind und daß sich die Form des Spektrums des generalisierten Maxwell-Körpers, der das Glas beschreibt, bei einer Variation des Kristallgehaltes nicht verändert. Des weiteren konnte gezeigt werden, daß die Einstein-Roscoe-Formel, welche die effektive Viskosität einer Flüssigkeit in Abhängigkeit der Kristallgeometrie und des Kristallgehaltes beschreibt (15), auch auf die Lithiumdisilikatglasproben, welche einen unterschiedlichen Kristallgehalt jedoch weniger als 30% aufweisen, anwendbar ist.
Die Frage, ob das Klima extremer wird, beschäftigt Wissenschaft und Öffentlichkeit mit zunehmender Intensität. Daher ist hier eine extremwertstatistische Untersuchung hinsichtlich Niederschlag und Temperatur durchgeführt worden. Dabei werden, entsprechend IPCCEmpfehlungen, für die untersuchten Zeitreihen obere und untere Schwellenwerte festgelegt. Durch Auszählen kann dann ermittelt werden, wie oft die entsprechende Schranke über- oder unterschritten wurde (relativer Extremwert). Das Verhältnis der Anzahl der relativen Extremwerte zu den Gesamtwerten nennt man empirische Extremwerthäufigkeit. Darüber hinaus wurden Häufigkeitsverteilungen an die Datensätze angepasst, aus denen vorher der Jahresgang eliminiert wurde. Über diese Häufigkeitsverteilungen bestimmt man die theoretische Über- oder Unterschreitungswahrscheinlichkeit der jeweiligen Schranke, und vergleicht diese mit der empirischen. Diese Daten bieten auch die Möglichkeit, weitere wahrscheinlichkeitstheoretische Größen (Risiko, Wartezeitverteilung, Wiederkehrzeit) zu bestimmen. Das Verfahren wird auf 78 100-jährige Zeitreihen des Niederschlags und 10 100-jährige Zeitreihen der Temperatur in Deutschland angewendet. Dabei ist zu beachten, dass eine Übereinstimmung von empirischen und theoretischen Ergebnissen nur im statistischen Mittel zu erwarten ist. Die Untersuchungen zeigen, dass die ersten 10 bis 15 Jahre des letzten Jahrhunderts, sowohl bei den Niederschlägen als auch bei der Temperatur, nicht so extrem gewesen sind wie der Rest des Jahrhunderts. Bei den Niederschlagsdaten zeigt sich darüber hinaus um die Jahrhundertmitte ein etwa 10-jähriger Zeitraum mit hoher Niederschlagsvariabilität. Für die Abschätzung der Wahrscheinlichkeit des Überschreitens von Schranken bei Niederschlagsdaten ist die angepasste Gumbelverteilung am besten geeignet. Der Unterschied zu den anderen angepassten Verteilungen ist um so klarer, je höher die Schranke gewählt wird. Für die Abschätzung der Wahrscheinlichkeit des Unterschreitens von Schranken bei Temperaturdaten ist die angepasste Weibullverteilung am besten geeignet. Kein klares Bild ergibt sich bei den Kombinationen untere Schranke und Niederschlagsdaten sowie obere Schranke und Temperaturdaten. Die Abschätzung der Eintrittswahrscheinlichkeit und damit verbunden die Bestimmung der Wiederkehrzeit und des Risikos ist in allen Fällen um so besser, je geringer der Jahresgang der Variabilität der untersuchten Größe ist. Beim Trend der Wiederkehrzeit zeigt sich bei den Niederschlagsdaten und der unteren Schranke im äußersten Westen Deutschlands ein Rückgang trockener Ereignisse. Ansonsten erkennt man nur schwache Änderungen. Für obere Schranken zeigt sich im Westen Deutschlands ein Rückgang der Wiederkehrzeit, also ein Trend zu häufigeren extremen Niederschlägen, mit einem Maximum im östlichen Nordrhein-Westfalen. Im Osten dagegen ermittelt man einen Rückgang extremer Niederschläge und damit einen Trend zu trockenerer Witterung, am stärksten ausgeprägt im westlichen Erzgebirge. Für die Temperaturdaten zeigt sich in fast ganz Deutschland für untere Schranken ein Anstieg der Wiederkehrzeit. Extrem niedrige Temperaturen treten also tendenziell seltener auf. Die Ausnahme bilden hier nur, je nach zugrunde liegender Verteilung, der (äußerste) Norden und Osten Deutschlands. Die gleiche geographische Unterteilung, jedoch mit umgekehrtem Trend, zeigt sich bei den oberen Schranken. Extrem warme Ereignisse treten, mit Ausnahme des Nordostens, tendenziell häufiger auf. Die stärkste Zunahme im Trend der warmen Ereignisse zeigt sich dabei im Südwesten Deutschlands.
Die konventionelle Extremwertstatistik die sich an der Über- bzw. Unterschreitungshäufigkeit bestimmter Schwellenwerte orientiert, beinhaltet den Nachteil, daß Änderungen der Parameter der Häufigkeitsverteilung die Extremwertwahrscheinlichkeit beeinflussen. So kann allein das Vorhandensein eines Trends für derartige Veränderungen verantwortlich sein. Die hier gewählte Methodik vermeidet diesen Nachteil, indem sie eine Zerlegung der betrachteten Zeitreihen in einen strukturierten und einen unstrukturierten Anteil durchführt. Dabei setzt sich der strukturierte Anteil aus einer Trend-, Saison- und glatten Komponente zusammen. Aus der Summe dieser in der Zeitreihe signifikant enthaltenen Komponenten läßt sich die Eintrittswahrscheinlichkeit von Extremwerten ableiten. Ähnliches gilt für den unstrukturierten Anteil insbesondere für die Varianz des Residuums. Das Residuum kann aber auch Werte enthalten, die nicht zu ihrer ansonsten angepaßten Häufigkeitsverteilung passen. Solche Werte werden als Extremereignisse bezeichnet und sind von den Extremwerten zu unterschieden. In der vorliegenden Arbeit werden nun, getrennt voneinander, durch Änderungen in den Parametern der Häufigkeitsverteilung hervorgerufene Variationen der Extremwertwahrscheinlichkeit als auch parameterunabhängige Extremereignisse der bodennahen Lufttemperatur betrachtet. Als Datenbasis dienten 41, wahrscheinlich homogene, europäische Stationszeitreihen von Monatsmitteltemperaturen, die den Zeitraum von 1871 bis 1990 abdecken. In den untersuchten Temperaturzeitreihen wurde an 37 von 41 Stationen ein positiver Trend detektiert, woraus ein Anstieg der Extremwertwahrscheinlichkeit mit der Zeit resultiert. Die glatten, niederfrequenten Schwingungen wirken sich in den meisten Fällen um 1890 und 1975 negativ und um 1871, 1940 und 1990 positiv auf die Extremwertwahrscheinlich keit aus. Desweiteren treten Änderungen in der Saisonfigur bezüglich der Amplitude und der Phasenlage auf. Detektierte Zunahmen in der Amplitude des Jahresgangs führen zu einer positiven Änderung der Extremwertwahrscheinlichkeit. Signifikante Änderungen in der Phasenlage der Saisonfigur erzeugen in den Anomaliezeitreihen einen saisonal unterschiedlichen Trend, dessen Amplitude, in den betrachteten Fällen, in der Größenordnung der Trendkomponente liegt. Saisonal unterschiedliche Trends beeinflussen saisonal unterschiedlich die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten von Extremwerten. Die Residuen von fünf Temperaturzeitreihen weisen signifikante Varianzinstationaritäten auf, wobei in nur einem Fall die Varianz mit der Zeit zunimmt und somit einen Anstieg der Extremwertwahrscheinlichkeit erzeugt. Extremereignisse treten vorwiegend in Form besonders kalter Winter auf und können wahrscheinlich als Realisation eines Poisson-Prozesses interpretiert werden. Sie erscheinen zufällig über den Beobachtungszeitraum verteilt mit einer mittleren Wiederkehrzeit von mehr als 10 Jahren.
Hauptanliegen dieser Arbeit ist es, statistische Zusammenhänge zwischen der Nord-Atlantik-Oszillation (NAO) und der bodennahen Lufttemperatur in Europa zu untersuchen. Dazu wurden zunächst die Korrelationskoeffizienten nach Pearson, Kendall, Spearman und die Transinformation berechnet, sowie die zugehörigen Signifikanzen abgeschätzt. Diese Analysen wurden auch zeitlich gleitend durchgeführt, um mögliche Veränderungen im Einfluß der NAO auf die Temperatur nachweisen zu können. Weiterhin wurde mit Hilfe der selektiven Zeitreihenzerlegung nach signifikanten, charakteristischen zeitlichen Strukturen sowohl in der NAO als auch in den Zeitreihen der Lufttemperatur gesucht: Trend, glatte, saisonale, harmonische Komponente und Rauschen. Zweck dieser Untersuchung war es, gegebenenfalls gleichartige zeitliche Strukturen in der NAO und Temperatur zu finden, um den Zusammenhang zwischen NAO und Temperatur näher beschreiben zu können. Die Untersuchungen wurden fur den Zeitraum von 1871 bis 1990 in monatlicher, saisonaler und jährlicher Auflösung auf Basis von Zeitreihen der mittleren monatlichen Lufttemperatur 41 europäischer WMO- (World Meteorological Organization) Stationen, sowie zwei unterschiedlich definierten NAO-Index-Zeitreihen, die ebenfalls in Monatsmitteln vorlagen, durchgeführt. Ergänzend wurde auf einen globalen Datensatz von Temperaturflächenmitteln zuruckgegriffen, um auch aus globaler Sicht Aussagen uber Zusammenhänge zwischen NAO und bodennaher Lufttemperatur zu erhalten. Die Untersuchungen bezogen sich hierbei auf das Zeitintervall von 1892 bis 1994. Der Zusammenhang zwischen den in Europa beobachteten Temperaturen und der NAO ist linearer Natur und vor allem in den Wintermonaten ausgeprägt. Ein maximaler Zusammenhang findet sich im nordeuropäischen Winter mit einer erklärten Varianz um 40%. Ein Vergleich von extrem kalten Wintern mit der NAO hat gezeigt, daß extreme Kältereignisse nur bei einer schwachen NAO (negativer NAO-Index) auftreten. Im Jahresgang findet eine Verschiebung des durch die NAO beeinflußten Gebietes in Ost-West-Richtung statt. Das Minimum des Zusammenhanges besteht im Sommer bei maximaler Ost-Verschiebung. Weiterhin ist der Einfluß der NAO auf die Temperatur stark zonal ausgeprägt. Es besteht ein Nord-Süd-Gefälle von positiver Korrelation im Norden zu negativer im Süden Europas. Zu diesem Ergebnis führte sowohl die Analyse der Europadaten wie des globalen Datensatzes. Der Einfluß der NAO auf die Temperatur ist nicht stationär; seit Beginn dieses Jahrhunderts hat sich dieser zunehmend ostwärts verlagert. Ein signifikanter Trend konnte in den Indexreihen der NAO aber nicht nachgewiesen werden. Signifikante zeitliche Strukturen der NAO konnten im Bereich der niederfrequenten und auch hochfrequenten Variabilität gefunden werden. Die Winter-NAO (mittlerer Indexwert von Dezember bis Februar) zeigt insbesondere einen in den Wintertemperaturen (Temperaturmittel der Monate Dezember bis Februar) gleichartigen niederfrequenten Verlauf, der durch Polynome vierter und fünfter Ordnung beschrieben werden kann. Im Bereich der hochfrequenten Variabilität konnte mit Ausnahme der Sommer- und Herbstdaten in allen Indexreihen der NAO eine harmonische Schwingung mit einer Periode von etwa 7 Jahren detektiert werden. Die gleiche Schwingung findet sich in den Wintertemperaturen West- und Mitteleuropas.
Beiträge zur spät- und postglazialen Fluß- und Landschaftsgeschichte im nördlichen Oberrheingraben
(2005)
Die spät- und postglaziale Fluß- und Landschaftsgeschichte im nördlichen Oberrheingraben ist durch einen mehrmaligen Wandel der fluvialen Geomorphodynamik gekennzeichnet. Im Rahmen dieser Studie waren unterschiedliche Entwicklungsphasen der Landschaft mit Hilfe verschiedener Methoden (14C-AMS, IR-OSL, Pollen- und Schwermineralanalysen) erstmals präziser zu datieren. Ab dem Spätglazial entwickelte der nördliche Oberrhein drei Mäandergenerationen. Die Entstehung der Älteren Mäandergeneration setzte vor dem Spät-Allerød ein und dauerte bis in das Atlantikum an, ehe im späten Atlantikum ein flußdynamischer Umbruch die Bildung der Mittleren Mäandergeneration einleitete. Damit begann eine Phase mit vorwiegend toniger Auensedimentation („Schwarze Tone“). Es ist nicht auszuschließen, daß dieses Geschehen teilweise durch die Effekte neolithischer Landnutzung beeinflußt war. Auch der Umbruch zur Jüngsten Mäandergeneration im Übergang vom Subboreal zum Subatlantikum war sicherlich nicht rein klimatisch gesteuert. Wahrscheinlich ist das nun wieder stärker furkativ geprägte Fließmuster und die einhergehende Vergröberung der Auenfazies auf die Überlagerung von natürlichen Abläufen mit anthropogenen Beeinflussungen zurückzuführen. Dafür spricht, daß die Landschaft während der Eisen- und der Römerzeit weitgehend entwaldet war. Die parallel dazu durchgeführten Untersuchungen am spätglazialen Bergstraßen-Neckar erlauben die zeitliche Trennung eines älteren Mäanderkurses, der in der Jüngeren Dryas verlandete, von einem jungdryaszeitlichen Verlauf. In der Paläorinne dieses jüngsten Laufes setzte im frühen Präboreal das Wachstum von Niedermootorfen ein. Das dokumentiert, daß der Bergstraßen-Neckar spätestens im beginnenden Holozän vollständig deaktiviert war. Die Abschnürung des Bergstraßenlaufes erfolgte vermutlich im Anschluß an die letzte würmzeitliche Flugsandphase, die nach schwermineralogischen und tephrostratigraphischen Befunden im Untersuchungsgebiet in die Jüngere Dryas zu stellen ist. Dabei wurde das auf der Oberen Niederterrasse existierende, endpleni- bis frühspätglaziale, zwischenzeitlich vom Bergstraßen-Neckar teilweise fluvial umgelagerte, ältere Dünenrelief überweht, während auf der Unteren Niederterrasse lokale Dünenvorkommen entstanden. Möglicherweise dauerte die Flugsandbildung örtlich bis in das früheste Präboreal an, bevor in den späteren Zeiten des Holozän ein anthropogen induziertes Aufleben der Flugsandaktivität zu beobachten ist.
Das 1913 auf dem Gipfel des Kleinen Feldbergs gegründete Taunus-Observatorium (T.O.) ist eine Einrichtung der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main. Es dient dem Institut für Meteorologie und Geophysik als Forschungsstätte für kontinuierliche Messungen und als Standort für Meßkampagnen in Zusammenarbeit mit anderen Instituten, wie z. B. beim The Kleiner Feldberg Cloud Experiment 1990 [Fuzzi, 1995]. Darüber hinaus wird das Observatorium mit seinen Einrichtungen immer wieder für Messungen im Rahmen von Diplom- und Doktorarbeiten genutzt. Primäres Ziel dieser Diplomarbeit war eine Charakterisierung der zeitlichen Variabilität der luftchemischen Bedingungen am Taunus-Observatorium in Abhängigkeit von Wetter und Witterung. In der Zeit vom 13. Dezember 1996 bis zum 26. März 1997 wurden am Taunus- Observatorium auf dem Kleinen Feldberg mit Hilfe eines gaschromatographischen Analyseverfahrens die Spurengase Kohlenmonoxid und molekularer Wasserstoff gemessen, um die zeitliche Variabilität der luftchemischen Bedingungen am Taunus-Observatorium in Abhängigkeit von Wetter und Witterung zu untersuchen. Bei der Meßreihe am Taunus-Observatorium zeigte sich, daß die zeitlichen Variationen der langlebigen Spurengase CO und H2 über Tage und Wochen maßgeblich durch den Ferntransport von Luftmassen und die jeweilige Großwetterlage bestimmt werden. Mit Hilfe von Trajektorienanalysen konnte gezeigt werden, daß die Messungen stark von Herkunft und Zugweg der jeweiligen Luftmassen abhängen. Deutliche Änderungen der mittleren CO- und H2-Mischungsverhältnisse wurden bei Luftmassenänderungen beobachtet, wie z. B. eine markante Abnahme von Kohlenmonoxid und molekularem Wasserstoff nach dem Durchgang von Kalt- oder Warmfronten. Extreme Unterschiede der gemessenen Spurengaskonzentrationen konnten auch bei verschiedenen winterlichen Inversionswetterlagen registriert werden. Befand sich das Taunus-Observatorium unterhalb einer Temperaturinversion in der bodennahen Grenzschicht, wurden ungewöhnlich hohe CO- und H2-Mischungsverhältnisse gemessen; war der Kleine Feldberg dagegen über der Inversion innerhalb der freien Atmosphäre, wurden wiederholtdie atmosphärischen Hintergrundkonzentrationen von Kohlenmonoxid und molekularem Wasserstoff beobachtet. Auch durch lokale und regionale Effekte konnten in Abhängigkeit von der lokalen Windrichtung starke zeitliche Variationen der luftchemischen Bedingungen beobachtet werden. Durch die Orographie bedingt Verursachen kleine Änderungen der lokalen Windrichtung drastische Veränderungen in den gemessenen Spurengaskonzentrationen. So trennt z. B. der Taunuskamm die durch regionale Quellen im Großraum Frankfurt belastete Luft im Vordertaunus von der weniger verschmutzter Luft im ländlichen Hintertaunus. Darüber hinaus kann durch die Kanalisierung des Windes in verschiedenen Tälern oder an den Flanken des Taunuskammskontaminierte Luft aus den Niederungen herangeführt werden. Die hohe Variabilität der gemessenen Mischungsverhältnisse in Abhängigkeit von Meteorologie und Orographie dominiert den Tagesverlauf der CO- und H2-Messungen. Daher war eine Untersuchung von anthropogenen Tages- und Wochengängen oder sogar jahreszeitlicher Variationen der langlebigen Spurengase CO und H2 am Taunus-Observatorium nicht möglich. Zusätzlich zu den Messungen am Taunus-Observatorium wurde mit der in dieser Arbeit vorbereiteten Analytik das Mischungsverhältnis von molekularem Wasserstoff in stratosphärischen Luftproben von drei verschiedenen Ballonflügen gemessen, entsprechende H2-Vertikalprofile erstellt und die Ergebnisse der Messungen mit Modellrechnungen verglichen.
In dieser Arbeit wurden zwei Idealkristallsysteme und drei Systeme, die im weitesten Sinne als Domänenkristalle zu bezeichnen sind, mit quantenmechanischen Methoden untersucht, die auf Dichte-Funktional-Theorie basieren. Dabei wurden je nach System unterschiedliche Eigenschaften der jeweiligen Kristalle betrachtet. Zusätzlich wurden die berechneten Domänenkristalle jeweils mit entsprechenden Idealkristallen bezüglich ihrer Stabilität verglichen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass sich die hier verwendeten Rechenmethoden sehr gut zur Untersuchung von Grundzuständen und Strukturen unter hydrostatischem Druck sowie von Bindungseigenschaften eignen. Desweiteren lieferten die Ergebnisse starke Hinweise darauf, dass Kristalle mit Strukturgradienten nur dann existieren können, wenn sie sich vom Idealkristall um sehr geringe Energien unterscheiden, die unter der Fehlergrenze der hier angewendeten Methode (2-3 kJ/Mol) liegen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Messung der Absorption der TM0-Mode im atmosphärischen Wellenleiter entwickelt, das auf der Bestimmung des Amplitudenabfalls von durch Blitze generierten ELF-Impulsen beruht. Eine Anwendung des Verfahrens setzt die simultane Messungen der ELF-Impulse an verschiedenen Stationen voraus. Im Sommer 1998 wurde im Rahmen der Spritekampagne'98 ein geeigneter Datensatz an drei Stationen im Westen Nordamerikas gewonnen. Bislang wurde ein Teil dieses Datensatzes herangezogen, um das Messverfahren zu testen und mit Ergebnissen aus einer anderen Quelle zu vergleichen. Diese Tests waren erfolgreich und die Ergebnisse von Hughes und Gallenberger [10] konnten reproduziert werden. Die Stationen wurden mit Induktionsspulen-Magnetometern vom Typ Metronix MFS05 im HF-Modus betrieben. Die für die Instrumentenkorrektur erforderlichen Übertragungsfunktionen der Magnetometer waren vorab nur für den LF-Modus mit Vertrauen erweckender Sicherheit bekannt. Dies machte eine Nachkalibrierung der Magnetometer erforderlich, bei der zunächst versucht wurde, die bekannte LF-Übertragungsfunktion zu reproduzieren. Dazu wurde die Einspeisung einer Rechteckschwingung in den Kalibriereingang des MFS05-Magnetometers verwendet. Bei 5 von 6 verwendeten Magnetometern ließ sich die Übertragungsfunktion für den LF-Modus reproduzieren. Bei einem traten jedoch deutliche Abweichungen auf, die sich auch bei anderen Messungen reproduzieren ließen. Die Übertragungsfunktion des Magnetometers hat sich also seit der letzten Kalibrierung durch den Hersteller verändert. Erst durch diese Nachkalibrierung ist es möglich geworden, diese Veränderung in Instrumentenkorrekturen einzubringen. Nachdem im LF-Modus gezeigt war, dass die verwendete Kalibrierungsmethode funktioniert wurde sie auch für den HF-Modus angewandt. Neben der Kalibrierung durch Einspeisung eines synthetischen Signals wurden auch Kalibrierungen unter Ausnutzung der natürlichen Anregung durchgeführt. Diese dienten in erster Linie einem Vergleich verschiedener Messgeräte: Den beiden Datenloggern SPAM MkIII und Quanterra QT4120 sowie den bei- den Magnetometern Metronix MFS05 und EMI BF-4. Der QT4120-Datenlogger wurde ursprünglich nicht zum Anschluss von Magnetometern konzipiert und benötigte dazu eine separate Adaptereinheit. Eine solche Adaptereinheit (kurz "Adapterbox") wurde im Rahmen dieser Arbeit konzipiert und gemeinsam mit der am Institut angestellten Elektronikerin Vera Fischer implementiert. Die Messergebnisse der Kalibrierungen mit natürlicher Anregung wurden so gedeutet, dass der SPAM MkIII-Datenlogger und das MFS05-Magnetometer gegenüber dem Quanterra QT4120-Datenlogger und dem EMI BF-4-Magnetometer einen geringeren Rauschpegel im ELF-Bereich aufweisen. Dies muss nicht für Frequenzen unterhalb des ELF-Bereichs gelten - dort wurden keine Untersuchungen angestellt.
In der Stratosphäre finden eine Reihe von dynamischen und chemischen Prozessen statt, die u.a. den Abbau von Ozon beeinflussen. Um die langfristigen Veränderungen in der Stratosphäre untersuchen zu können müssen die Abhängigkeit dieser Prozesse von Raum und Zeit bekannt sein. In dieser Arbeit wird eine Untersuchung zur Variabilität der Stratosphäre auf der Grundlage der Varianz von Tracern, die in Form der „Equivalent Displacement Height“, kurz: EDH, dargestellt wird, vorgestellt. Die EDH ist tue mit Hilfe des lokalen vertikalen Gradienten normierte lokale Standardabweichung des Mischungsverhältnisses eines Tracers und besitzt die Dimension einer Länge. Durch die Normierung kann die Varianz verschiedener Tracer miteinander verglichen werden. Mit dem Konzept ist allerdings nur die Diagnose der Variabilität möglich und keine Quantifizierung der dafür verantwortlichen Prozesse. Für die Fragestellung werden drei Datensätze ausgewertet. Ein Datensatz ist mit Hilfe eines kryogenen Luftprobensammlers entstanden. Die Berechnungen iii dieser Arbeit zeigen, dass die zeitliche und räumliche Abdeckung dieses Datensatzes zu niedrig ist, um mit ihm eine repräsentative Aussage über die Varianz von Spurengasen in der Stratosphäre treffen zu können. Eine bessere zeitliche und räumliche Abdeckung besitzt der Datensatz des Satellitenexperimentes HA-LOE. Dieser wird dazu verwendet die monatlichen Verteilungen der mittleren EDH von CH4 und O3 in einem Höhenbereich zwischen 19 und 50 km für einen Zeitraum von 1993 bis 2000 zu berechnen. Die mittlere EDH von OH4 besitzt über den Hemisphären jeweils einen unterschiedlichen Jahresgang. Die Diskussion zeigt, dass dieser hemisphärische Unterschied auf die verschiedenen dynamischen Bedingung in der Stratosphäre über den Hemisphären zurückgeführt werden kann, vor allem auf die Existenz eines stabileren und langlebigeren Polarwirbels in der Südhemisphäre. Im Gegensatz dazu zeigt die mittlere EDH von O3 über beiden Hemisphären einen vergleichbaren Jahresgang, mit minimalen Werten der Varianz während der Sommermonate, wenn die Ausbreitung planetarer Wellen in die Stratosphäre durch die vorherrschende Ostwindzirkulation behindert wird. Dieser Jahresgang steht in Verbindung mit den chemischen und dynamischen Prozessen bzw. der Kombination, welche die Verteilung und Varianz von O3 in der Stratosphäre kontrollieren. Eine eindeutige Trennung der einzelnen Effekte ist dabei allerdings nicht möglich. Der Datensatz des Simulationsmodell KASIMA enthält die Verteilung von CH4 und O3 mit der höchsten zeitlichen und räumliche Abdeckung aller drei Datensätze. Ein Vergleich zwischen den daraus berechneten Verteilungen der mittleren EDH beider Spurengase mit den HALOE-Daten soll helfen, die Varianz welche durch das Modell simuliert wird, mit der gemessenen zu vergleichen. Für das O3 wird eine gute Übereinstimmung zwischen der modellierten und gemessenen Varianz gefunden. Diese guten Übereinstimmungen ergeben sich für CH4 nicht. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Eigenschaften der beiden Tracer wird aus den Ergebnissen geschlossen, dass das Modell die chemischen Prozesse besser simuliert als den atmosphärischen Transport. Mit Hilfe von drei Fallstudien werden weitere Möglichkeiten aufgezeigt. die mit dem Konzept und den Datensätze von HALOE und KASIMA noch bestehen. In der ersten Fallstudie werden anhand der Verteilungen der EDH von CH4 aus dem März 1996 und 1997 die Auswirkungen vorm zwei unterschiedlichen meteorologischen Situation diskutiert, wobei ein eindeutiger Zusammenhang festgestellt wird. In einer zweiten Fallstudie wird der Frage nachgegangen, ob die Normierung auf den vertikalen Gradienten bei der Berechnung der EDH sinnvoll ist, da horizontale Transportprozesse in der Stratosphäre dominieren. Es wird daher zum Vergleich die „Equivalent Displacement Length (EDL)“ von CH4 berechnet, bei der eine Normierung der Varianz auf den horizontalen Gradienten erfolgt. In der dritten Fallstudie wird die Verteilung der mittleren EDH von N20, welche ebenfalls mit dem Datensatz von KASIMA berechnet worden ist, mit der von CH4 verglichen.
Für eine möglichst vollständige analytische Beschreibung werden in der statistischen Klimatologie beobachtete Klimazeitreihen als Realisation eines stochastischen Prozesses, das heißt als eine Folge von Zufallsvariablen verstanden. Die Zeitreihe soll im wesentlichen durch eine analytische Funktion der Zeit beschrieben werden können und die Beobachtung nur durch Zufallseinflüsse von dieser Funktion abweichen. Diese analytische Funktion setzt sich aus der Summe zeitlich strukturierter Komponenten zusammen, welche aus klimatologischem Blickwinkel interpretierbar erscheinen. Es werden Funktionen zugelassen, die den Jahresgang, Trends, episodische Komponenten und deren Änderung beschreiben. Die Extremereignisse sind als eine besondere weitere Komponente in die Zeitreihenanalyse aufgenommen und als von Änderungen in den Parametern der Verteilung unabhängige, extreme Werte definiert. Die Zufallseinflüsse sollen zunächst als Realisierungen unabhängiger normalverteilter Zufallsvariablen mit dem Erwartungswert Null und im Zeitablauf konstanter Varianz interpretiert werden können. In diesem Fall beschreibt die analytische Funktion der Zeit, die Summe detektierter strukturierter Komponenten, den zeitlichen Verlauf des Mittels. Ein zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich beobachteter Wert kann dann als eine mögliche Realisation einer Zufallsvariablen interpretiert werden, die der Gaußverteilung mit dem Mittelwert µ(t) zur Zeit t und konstanter Varianz genügt. Da die zugrundeliegenden Annahmen, unter Verwendung klimatologisch interpretierbarer Basisfunktionen, in der Analyse von Klimazeitreihen, die nicht die Temperatur betreffen, zumeist nicht erfüllt sind, wird in eine Verallgemeinerung des Konzepts der Zeitreihenzerlegung in einen deterministischen und einen statistischen Anteil eingeführt. Zeitlich strukturierte Änderungen werden nun in verschiedenen Verteilungsparametern frei wählbarer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen gesucht. Die gängige Beschränkung auf die Schätzung einer zeitlich veränderlichen Lokation wird aufgehoben. Skalenschätzer sowie Schätzer fär den Formparameter spielen ebenso relevante Rollen fär die Beschreibung beobachteter Klimavariabilität. Die Klimazeitreihen werden wieder als Realisation eines Zufallprozesses verstanden, jedoch genügen die Zufallsvariablen nun einer frei wählbaren Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion. Die zeitlich strukturierten Änderungen in den Verteilungsparametern werden auf Basis der gesamten Zeitreihe für jeden Zeitpunkt geschätzt. Die aus der Analyse resultierende analytische Beschreibung in Form einer zeitabhängigen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ermöglicht weiterhin die Schätzung von Über- und Unterschreitungswahrscheinlichkeiten beliebig wählbarer Schwellenwerte für jeden Zeitpunkt des Beobachtungszeitraums. Diese Methode erlaubt insbesondere eine statistische Modellierung monatlicher Niederschlagsreihen durch die Zerlegung in einen deterministischen und einen statistischen Anteil. In dem speziellen Fall von 132 Reihen monatlicher Niederschlagssummen deutscher Stationen 1901-2000 gelingt eine vollständige analytische Beschreibung der Reihen durch ihre Interpretation als Realisation einer Gumbel-verteilten Zufallsvariablen mit variablem Lage- und Streuparameter. Auf Basis der gewonnenen analytischen Beschreibung der Reihen kann beispielsweise im Westen Deutschlands auf Verschiebungen der jährlichen Überschreitungsmaxima des 95%-Perzentils von den Sommer- in die Wintermonate geschlossen werden. Sie werden durch relativ starke Anstiege in der Überschreitungswahrscheinlichkeit (bis 10%) in den Wintermonaten und nur geringe Zunahmen oder aber Abnahmen in den Sommermonaten hervorgerufen. Dies geht mit einer Zunahme der Unterschreitungswahrscheinlichkeit in den Winter- und einer Abnahme in den Sommermonaten einher. Monte-Carlo-Simulationen zeigen, daß jahreszeitlich differenzierte Schätzungen von Änderungen im Erwartungswert, also gebräuchliche Trends, auf Basis der Kleinst-Quadrate-Methode systematischen Bias und hohe Varianz aufweisen. Eine Schätzung der Trends im Mittel auf Basis der statistischen Modellierung ist somit ebenso den Kleinst-Quadrate-Schätzern vorzuziehen. Hinsichtlich der Niederschlagsanalysen stellen jedoch aride Gebiete, mit sehr seltenen Niederschlägen zu bestimmten Jahreszeiten, die Grenze der Methode dar, denn zu diesen Zeitpunkten ist eine vertrauenswürdige Schätzung einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion nicht möglich. In solchen Fällen ist eine grundsätzlich andere Herangehensweise zur Modellierung der Reihen erforderlich.
Wand- und Gratentwicklung seit dem Spätglazial : ein Beitrag zur Landschaftgeschichte in Graubünden
(2004)
Das Hochgebirge als erdgeschichtlich junge Reliefform ist eine Zone geomorphologisch höchster Aktivität, deren Landschaftshaushalt vom Umsatz großer Materialmengen gekennzeichnet ist. Der überaus vielschichtige Bau der Alpen und ihre quartäre Formgebung durch ausgedehnte Vergletscherung hinterließen nach dem Weichen des Eises ein vielfach übersteiltes und zergliedertes Relief. Bergstürze, Sackungen, Rutschungen, Schlipfe und Murgänge haben das Landschaftsbild weitergeprägt, seitdem das stabilisierende Widerlager der Eisströme fehlt. Je nach geologischer Situation wohnt dem Prozeß eine mehr oder minder große zeitliche Verzögerung zwischen der Disposition der Bewegungsmasse und dem tatsächlichen Ereignis inne. Diese Erkenntnis gelangte in jüngerer Zeit zu mehr Aufmerksamkeit, als neue Untersuchungen die generell spätglazial angenommene Initiation vieler großer Massenbewegungen in Frage stellten und bekannte Bergstürze wie z. B. Köfels, Tschirgant oder Flims mit großer Sicherheit ins Holozän rückten (HAAS & POSCHINGER 1997: 1 sowie HAAS 2000: frdl. mdl. Mitt.). Viele bisher gängige Gedanken zur Vorbereitung, Auslösung und zum Bewegungsverhalten großer Massenbewegungen im Hochgebirge müssen vor diesem Hintergund überdacht werden. Alpine Wand- und Gratentwicklung seit dem Spätglazial hängt damit eng zusammen. Um die heutigen Formen und ihre Entstehung zu erklären, müssen die beteiligten Prozesse und Agentien mit einem breitgefächerten und dem Forschungsgegenstand angepaßten methodischen Instrumentarium synoptisch untersucht werden. Um die Entwicklung einer freien Felswand zu rekonstruieren, muß ihre Gliederung in Flächen, Vorsprünge, Simse, Steinschlagrinnen, Zähne und Pfeiler untersucht werden, weiterhin die korrelaten Schuttkörper an ihrem Wandfuß und deren eventuelle spätglaziale Überformung. Wandfußnahe Schuttkörper sind Zeugen der Formung freier Felswände und Spiegelbilder ihrer Struktur und Entwicklung. Daher kann man sie in Typen unterschiedlicher Genese einteilen, die charakteristische Eigenschaften besitzen und deren Bildung an bestimmte Verhältnisse in den sie nährenden Wand- oder Gratabschnitten gebunden ist. Dies ermöglicht eine sehr präzise Einschätzung von Materialbewegungen in den oberen Schichten und Aussagen über Verlauf und besondere Aktivitätsphasen der Verwitterungsleistung im Nährgebiet. Die bisher unterschiedenen Genotypen sind in Tab. 3 zusammengestellt. Ein Zusammenhang zwischen Exposition und Ausbildung bestimmter Genotypen konnte nicht festgestellt werden. Die tektonische und petrographische Gliederung der Wand bestimmt die Einzugsbereiche der Schuttkörper. Entlang der Klüfte bilden sich Steinschlagrinnen aus, deren Einzugsgebiete durch Grate getrennt sind. Stellenweise kommt es durch ebene Flächen zur Überschneidung von Einzugsbereichen oder zu Materialabgängen direkt wandabwärts, ohne bestimmte Kanalisierung. Wandfußnahe Schuttkörper altern durch Setzungsbewegungen, Frostsprengung in situ und Feinmaterialverspülung. Hohlräume zwischen Schuttstücken werden verfüllt, und der Anteil an Porenraum sinkt. Dadurch werden Schuttkörper weniger gut drainiert und sind anfälliger für Erosion durch abfließendes Niederschlags- oder Schmelzwasser. Typische Reifeerscheinungen sind Runsen, die am Wandfuß tief eingeschnitten beginnen und hangabwärts in eine Schuttlobe umschlagen. Sie entstehen unter den Traufpunkten ausgeprägter Steinschlagrinnen. Mit einem gewissen Abstand vom Ursprung solcher Rinnen ist eine wulstartige Ablagerung oberhalb von beiden Rinnenschultern zu beobachten. Diese entsteht durch überbordende Massen, die das Fassungsvermögen einer solchen Rinne übersteigen. Durch den erhöhten Querschnitt des Abflußprofils beim Ausborden einer solchen “Mure“ verringert sich in den Randbereichen die Transportfähigkeit, es kommt zur Ablagerung. Bewuchs kennzeichnet Oberflächen und Wandabschnitte, die in relativer (jedoch flüchtiger) Formungsruhe verharren. Schuttkörper wachsen nicht durch stetige flächige Überdeckung mit einem neuen Kegelmantel, sondern durch die Bildung von streifig langezogenen Schuttloben, die sich in Rutschungsbewegungen bis zum Auslauf des Kegels fortpflanzen können und bestimmten Fördergebieten des Steinschlages streng zugeordnet werden können. Daher weisen ihre Oberflächen kein einheitliches Alter auf. Die Stabilität von Oberflächenmaterial auf Schuttkörpern ist eine Funktion nicht der durchschnittlichen Korngröße, sondern der Rauhigkeit des Materials, die wiederum unter anderem von der Korngröße beeinflußt wird. Schuttkörper sind a priori flüchtige Erscheinungen von ständigem Wandel, Aufbau und Abtrag; jedoch im Kern festliegend, im Mantel in Ruhe und Setzung begriffen und in ihrer Oberfläche nur in Streifen aktiv, dort aber zum Teil erheblich. Man kann für einzelne Körper wohl eine generelle Tendenz festlegen, muß aber immer kleinräumig mit starken Schwankungen rechnen, die jedoch ungeachtet ihrer heutigen Ausprägung Gesamtbild und Gesamttendenz eines Körpers nicht in Frage stellen. Die genetische Unterscheidung von Schutthalde und Schuttkörper macht sich also an der Art der Förderung (durch die Beschaffenheit der Transportwege in der Wand) und der Speisung (durch die Beschaffenheit der Austragsstelle aus der Wand) fest: Traufkante oder Traufpunkt. Dem entsprechend wird Haldenschutt flächig gefördert und linear gespeist, Kegelschutt aber linear gefördert und punktuell gespeist. Daraus resultieren abweichende Eigenschaften beider Formengruppen, die sich bei freier Entwicklung (i.e. Übereinstimmung von Genotyp und Phänotyp), durch andere Einflüsse differenziert, in unterschiedlichen Erscheinungsformen niederschlagen. Meßprofile auf ausgewählten Schuttkörpern unter der Südwand der Sulzfluh lieferten Daten zum Bewegungsverhalten des Oberflächenschuttes. Die Ergebnisse führten zu einer hochauflösenden Unterteilung der Oberflächen in Aktivitätsstreifen von einigen Dezimetern bis wenigen Metern Breite und mehreren Dekametern bis Hektometern Länge. An solchen hochmobilen Schuttfahnen können heute die Ursachen und Abläufe beobachtet werden, die am Wachsen der Schuttkörper bis zu ihrer heutigen Form mitwirkten. Steinschlagrinnen müssen nach ihrer Fähigkeit beurteilt werden, abgehenden Steinschlag zu bündeln und einem Traufpunkt zuzuführen. Ihre Wertigkeit als Maß dieser Fähigkeit ist abhängig von der Tiefe einer solchen Förderrinne und ihrem Gefälle und kann durch den horizontalen Abstand von Rinnenboden zu Rinnenschulter definiert werden. In Kombination mit der genetischen Typisierung korrelater Schuttkörper läßt sich so die Struktur einer beliebigen Wand schnell und präzise erfassen. In der Zusammenschau mit den Moränen der örtlichen Wandfußgletscher sind umfassende Rückschlüsse auf die spät- und postglaziale Formungsgeschichte der betreffenden Felswände möglich. Moränen, Schuttkörper und Wand müssen also stets gemeinsam betrachtet werden. Die Formenentwicklung zwischen Gipfel und unterstem Rand der wandfußnahen Schuttkörper sind in einer in beiden Richtungen ableitbaren Prozesskette kausal miteinander verknüpft. Neben einer intensiven Zerschneidung exponierter Wandflächen in Steinschlagrinnen und Vorsprünge sind auch Reste alter, glatter Wandoberflächen aus dem ausgehenden Hochglazial erhalten, deren lange Expositionsdauer durch stellenweise tief eingeschnittene Karren belegt wird. Ihre über weite Strecken felsgruppenübergreifende Parallelisierung ist eine wichtige Methode der Rekonstruktion spät- und postglazialer Gratformung. Im Bereich Drusentor konnten im Zusammenhang mit der Moränensituation verschiedene Aktivitätsphasen der Gratzerlegung mit zum Teil erheblichen Kubaturen bewegter Felsmasse unterschieden und zeitlich eingegrenzt werden. Durch Rutschungen und Felsstürze zerfiel der Grat entlang der Schwächelinien von Blattverschiebungen, den Grat kreuzenden Bruchlinien und Trennflächen von Einzelschuppen der Deckenstirn. Der Grat verlor dabei im Vergleich zum Hochglazial mindestens 150 bis 250 Meter seiner damaligen Höhe. Die Deckenstirn nördlich des Drusentores ist nur noch in Bruchstücken der basalen Schuppe (z. B. Zollwärterhöhe) erhalten; der Aufschuppungsbereich zwischen Sulzfluh und Dritürm bildet durch Bruch, Blattverschiebung und Rutschung einen Doppelgrat. Wie im Umfeld des Drusentores finden sich auch In den Schijen Reihen von Zähnen und Galerien von Pfeilern als Zeugen einer zerfallenen oder zurückverwitterten Wand. Die Entstehung der großen glatten Fläche unter der Schijenflue ist jedoch nicht auf ein großvolumiges Sturzereignis zurückzuführen, sondern auf eine Schar von Blattverschiebungen, die Wissplatte und Schijenflue gliedern. Die Felspartie um P. 2442 stammt nicht etwa aus höheren Wandteilen und hinterließ beim Loslösen eine glatte, ebene Ausbruchnische, sondern war basaler Wandteil, der sich entlang einer nordsüdlich verlaufenden Bruchlinie von der Schijenwand trennte und nur um ca. acht Meter abrutschte. Obwohl die Felssturzaktivität im Spätglazial außerordentlich hoch war, wie die Ablagerungen In den Schijen mit ihren zahlreichen Grob- und Riesenblöcken belegen, erreichten diese Massen im Spätglazial durch Wandfußgletscher den Talboden und engten ihn geringfügig ein. Der Partnunsee selbst ist kein Bergsturz-, sondern ein Karsee. Das Gafiental quert in südwestlich-nordöstlicher Richtung eine Bruchlinie, an der östlich der Gämpiflue und bei Hasenflüeli Teile der Sulzfluh-Decke insgesamt 200 Meter abgesunken sind. Die auf dem Eggberg-Grat vor dem Erosionsrand zurückgelassenen Deckenteile sind die einzige isolierte Sulzfluh-Klippe des Rhätikon und gehören zum aufgeschuppten Bereich der Plattenflue. Sie ist im Zuge des Absinkens leicht verstellt worden und wahrscheinlich im frühen Spätglazial in mehrere Teile zerfallen, die - seither von einander getrennt - sich in Zähne und Pfeiler auflösen. Dem nordwärtigen Einfallen des morphologisch weicheren Falknis-Wildflysches im Liegenden folgend gingen alle nennenswerten Massenbewegungen auf der Nordseite des Grates ab. Auf der Südseite findet sich wesentlich weniger blockiges Felssturzmaterial, die postglazialen Schuttkörper sind weitestgehend blockarm. Ammaflue ist von seiner ursprünglichen Position zwischen Geisstschuggen und Hasenflüeli vor Egesen 1 nach Norden abgerutscht und hat dabei auf seiner Rutschbahn einige Klippen-Bruchstücke zurückgelassen. Bi den Nünzgen findet sich ein isoliertes Malmkalkvorkommen, das mit den höheren Schuppenteilen von Hasenflüeli korrespondiert. Der hiesige Klippenteil ist im Spätglazial völlig zerfallen und bildet seither nur noch den Stumpf einer Wand. Anhand der egesenzeitlichen Lokalmoränen beiderseits des Grates Bi den Nünzgen konnte der Betrag der Wandzerlegung im Spätglazial quantifiziert werden. Demnach hat die Nünzgenflue durch Wandzerlegung unter Steinschlag- und Felssturzspende seit Egesen 1 mindestens 54 Meter, in Egesen 2 ca. 27 Meter Höhe eingebüßt. An ihr wird die zukünftige Entwicklung Hasenflüelis sichtbar. Das in dieser Arbeit vorgestellte vielfältige methodische Instrumentarium kann in seinen Modulen je nach gewünschter Auflösung der Geländeanalyse frei kombiniert werden. Je nach Fragestellung und zugebilligtem Aufwand kann eine schnelle und sichere Ansprache der Genotypen wandfußnaher Schuttkörper völlig ausreichen. In umfassenderen Fragen der Wandentwicklung, die komplizierte lokale Zusammenhänge zu erforschen suchen, lohnt sich die Entfaltung sehr genauer und damit erheblich zeitaufwendigerer Methoden. Was sie im einzelnen zu leisten vermögen, wird in der Betrachtung der landschaftgeschichtlichen Beispiele deutlich, die an Schlüsselstellen höheren Einsatz mit umfassenden Erkenntnissen belohnen.
In dieser Arbeit wurde der chemische Ozonverlust in der arktischen Stratosphäre über elf Jahre hinweg, zwischen 1991 und 2002, mit Hilfe der so genannten "Ozon-Tracer Korrelationstechnik" (TRAC), untersucht. Bei dieser Methode werden Korrelationen zwischen Ozon und langlebigen Spurenstoffen im Verlauf des Winters im Polarwirbels beobachtet und so der jährliche akkumulierte Ozonverlust berechnet. Die Ergebnisse dieser Arbeit basieren im wesentlichen auf Messdaten der Satelliteninstrumente: HALOE (Halogen Occultation Experiment) auf UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) und ILAS (Improved Limb Atmospheric Spectrometer) Instrument auf ADEOS (Advanced Earth Observing Satellite). Das HALOE Instrument misst seit Oktober 1991 kontinuierlich alle zwei bis drei Monate für einige Tage in höheren nördlichen Breiten. ILAS lieferte ausschließlich für den Winter 1996-97 Messungen, die über sieben Monate hinweg in hohen Breiten aufgenommen wurden. Aufgrund der eingeführten Erweiterungen und Verbesserungen der Methode in dieser Arbeit, konnte die Methode anhand einer detaillierten Studie für den Winter 1996-97 validiert werden. Die ILAS Messreihe wurde dazu verwendet, erstmals die Untersuchung der zeitlichen Entwicklung von Ozon-Tracer Korrelationen kontinuierlich für die gesamte Lebensdauer des Polarwirbels durchzuführen. Dabei wurden auch Korrelationen während der Bildung des Wirbels untersucht und im Besonderen mögliche Mischungsvorgänge zwischen Wirbelluft und Luftmassen außerhalb des Wirbels. Ausserdem wurde ein Vergleich der Ergebnisse von ILAS und HALOE Messdaten durchgeführt und Unterschiede in den Ergebnissen tiefgreifend analysiert. Basierend auf HALOE Messungen konnte die erweiterte TRAC Methode über elf Jahren hinweg angewendet werden. Damit war erstmals eine konsistente Analyse von Ozonverlust und Chloraktivierung über diesen Zeitraum möglich. Die Erweiterungen führten zu einer Verringerung und genauen Quantifizierung von Unsicherheiten der Ergebnisse. Ein deutlicher Zusammenhang zwischen meteorologischen Bedingungen, Chloraktivierung und dem chemischen Ozonverlust wurde deutlich. Weiterhin zeigte sich eine Abhängigkeit zwischen den meteorologischen Bedingungen und der Homogenität des Ozonverlustes innerhalb eines Winters, sowie der mögliche Einfluss von horizontaler Mischung auf Luftmassen in einem schwach ausgeprägten Polarwirbel. In dieser Arbeit wurde eine positive Korrelation zwischen den über die gesamte Lebensdauer des Wirbels auftretenden möglichen PSC-Flächen und den akkumulierten Ozonverlusten für die elf untersuchten Jahre deutlich. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass der Ozonverlust von deutlich mehr Einflüssen als nur von der Fläche möglichen PSC Auftretens bestimmt wird, sondern zum Beispiel von der Stärke der Sonneneinstrahlung abhängt. Außerdem lassen sich Auswirkungen von Vulkanausbrüchen, wie zum Beispiel im Jahr 1991 der des Mount Pinatubo, identifizieren.
In NE-Burkina Fasos wurden die Boden- und Reliefgenese (Erkundung des oberflächennahen Untergrunds, OSL-Datierungen) und die aktuelle Geomorphodynamik (Beregnungs- und Infiltrationsversuche, Luftbildauswertungen) der sahelischen Altdünenlandschaft und der angrenzenden endorheischen Becken untersucht. Zentrale Fragestellungen sind (1) die Altersstellung des häufig als erg récent bezeichneten Sekundärdünenreliefs auf dem Dünentop der spätpleistozänen Dünenzüge, (2) die jüngere Relief- und Bodenentwicklung vor dem Hintergrund der langen Nutzungsgeschichte (Hirsefeldbau und Viehzucht), und (3) die qualitative und quantitative Erfassung der aktuellen, denudativen und linearerosiven Prozesse, vorwiegend auf den Altdünen, in Abhängigkeit von Substrat, Oberflächenzustand und Nutzung. Die Akkumulation der Sekundärdünen fand während der spätpleistozänen ariden Periode (Ogolien) statt (19,6±1,1 ka und 23,8±1,6 ka v. H). Gleiches gilt für die äolischen Liegendsedimente der Nordabdachungen der Dünenzüge (21,9±2,1 ka und 23,2±2,1 ka v. H.). Unter Einbeziehung früherer Untersuchungen (ALBERT et al. 1997) ergibt sich daraus, dass sowohl die Dünenzüge an sich als auch ihr asymmetrisches Relief im N-S-Profil bereits während des Ogolien angelegt wurden. Die holozäne Landschaftsentwicklung ist durch Bodenbildung in den Altdünen und durch die fluvial-limnische Sedimentation in den endorheischen Becken (Mares) gekennzeichnet. Der häufig in der Literatur genannte aride Einschnitt um 8,2 ka v. H. kann weder absolutchronologisch noch paläopedologisch nachgewiesen werden. Vielmehr deutet die Verbreitung der Cambic bis Luvic-Chromic Arenosols, über dichtem Untergrund auch Gleyic Arenosols auf standörtlich unterschiedliche Bodenbildungsintensitäten und -prozesse in Abhängigkeit von Wasserhaushalt und geomorphodynamischer Beeinflussung hin. Die jüngere Landschaftsgeschichte ist zunehmend durch Landnutzung beeinflusst. Zwar konnte mit OSL-Altern von 4,5±0,2 ka und 4,7±0,8 ka v. H. lokal Sedimentumlagerung im Zusammenhang mit Later Stone Age-Aktivitäten nachgewiesen werden, für anthropogen induzierte Bodenerosion in größerem Umfang fehlen indessen die Hinweise. Der Wandel zur Kulturlandschaft setzte mit der eisenzeitlichen Siedlungsperiode ein. Kennzeichnend für diese, von der Zeitenwende bis zum 15. Jh. dauernden Epoche, ist der Nachweis des verbreiteten Hirseanbaus auf den Altdünen. Degradierte Böden auf den ehemaligen Feldern und mehrschichtige Kolluvien unterhalb, flächenhafte Bodendegradation in der Umgebung der alten Siedlungen sowie zunehmender Sedimenteintrag in die Mares sind die wichtigsten Indizien des 'human impact' dieser Epoche. Der Bezug zwischen der Nutzungsgeschichte und den korrelaten Sedimenten konnte im Einzelfall absolutzeitlich hergestellt werden (1064-979 cal. BP 14C). Aktuelle Bodendegradation findet in der Sahelzone sowohl fluvialerosiv als auch äolisch statt. Die fluvialerosive Bodenerosion überwiegt dabei flächenmäßig - auf den Glacis durch alle Prozesse des flächenhaften bis linearen Abtrags sowie auf den Altdünen überall dort, wo Bodenkrusten Oberflächenabfluss ermöglichen. Die feldbaulich genutzten Altdünenbereiche auf der Südseite der Dünenzüge und entlang der Nordhänge mit ihren pedogenetisch verfestigten Sanden und verkrusteten Oberflächen weisen stark reduzierte Infiltrationsraten auf und produzieren mit runoff-Koeffizienten von 21-94 % verstärkt Oberflächenabfluss. Neben flächenhafter Denudation tritt hier, überwiegend in Verbindung mit Trittbelastung, gehäuft Rinnen- und Gully-Erosion auf. Aufgrund der Verfestigung bieten diese Böden der äolischen Dynamik kaum Angriffsflächen. Einzig die kaum konsolidierten Sekundärdünen auf dem Dünentop sind die Landschaftseinheit mit dominierender Bodenerosion durch äolische Prozesse.
Der 300 km breite Eucla Schelf Südaustraliens gehört zu den weltgrößten modernen nicht-tropischen Ablagerungssystemen. Während des Pleistozäns wurde hier ein etwa 500 m mächtiger pleistozäner Sedimentstapel abgelagert, der sich aus progradierenden Klinoformen zusammensetzt. Die Ocean Drilling Program Sites 1127, 1129 und 1131 bilden ein proximal-distal Profil entlang des Eucla Shelfs-Kontinentalhangs. Die dabei erbohrten pleistozänen Periplattform-Ablagerungen bestehen überwiegend aus bioklastenreichen, fein- bis grobkörnigen, unlithifizierten bis teilweise lithifizierten Pack-, Wacke- und Grainstones. Eine ausgeprägte sedimentäre Zyklizität der analysierten Ablagerungen drückt sich in Fluktuationen der Korngröße und der mineralogischen Zusammensetzung, der natürlichen Radioaktivität, der stabilen Isotope sowie in Veränderungen der Fazies aus. Zur Untersuchung der sedimentären Zyklizität dieser nicht-tropischen Sedimente wurden sechs Sedimentintervalle früh- bis mittelpleistozänen Alters innerhalb der Bohrungen Site 1127, 1129 und 1131 ausgewählt. Die früh- bis mittelpleistozäne Periplattform-Sedimentabfolge des Eucla Schelfs wird durch die Stapelung genetischer Sequenzen gebildet. Diese entstehen als eine Folge hochfrequenter Meeresspiegelschwankungen, die unmittelbare Auswirkungen auf den Grad der Überflutung und damit auf den Sedimentexport vom Eucla Schelf ins angrenzende Becken haben. Eine genetische Sequenz weist eine Mächtigkeit von etwa 25 m unmittelbar beckenwärts der Schelfkante auf. Die maximale Mächtigkeit von ca. 30 m wird in beckenwärtigeren Bereichen erreicht, bevor die genetische Sequenz erneut auskeilt und in den hier untersuchten distalsten Ablagerungsbereichen Mächtigkeiten von 10-15 m aufweist. Die Begrenzungen der genetischen Sequenzen werden durch abrupte Korngrößenwechsel oder durch Umkehrpunkte in Korngrößentrends gebildet. Innerhalb einer genetischen Sequenz werden Hochstands-Ablagerungen durch grobkörnige bioklastenreiche Pack- bis Grainstones charakterisiert, die wiederum große Mengen an Tunikaten Spikulae, braunen hoch-Mg Bioklasten und Bryozoen-Detritus beinhalten. Tiefstands-Ablagerungen andererseits werden durch feinkörnige Packstones mit erhöhten Gehalten an Schwammnadeln und Mikrit charakterisiert. Die metastabilen Karbonatmodifikationen Aragonit und Hoch-Mg Kalzit können jeweils bis zu 34 % der Gesamtprobe ausmachen und sind in Ablagerungen des Meeresspiegel-Anstiegs und -Hochstands angereichert. Hauptaragonitbildner sind dabei Tunikaten Spikulae. Dolomit ist auf Ablagerungen des beginnenden Meeresspiegel-Anstiegs beschränkt. Die primäre Verteilung der metastabilen Karbonatmodifikationen innerhalb der genetischen Sequenzen führt so während späterer Versenkungsstadien möglicherweise zu einer differentiellen Diagenese. Die sedimentäre Zyklizität der Ablagerungen des späten Mittelpleistozäns unterscheidet sich von der Zyklizität des frühen- bis mittleren Pleistozäns durch eine Zunahme der Häufigkeit allochthoner Schelfkomponenten wie Rotalgen-Detritus und brauner Hoch-Mg Kalzit-Bioklasten. Zugleich zeigt sich ein Häufigkeits-Rückgang autochthoner Schwammnadeln. Diese Variationen während des frühen und mittleren Pleistozäns werden als eine Folge der Progradation der Schelfkante und der sich daraus ergebenden verändernden relativen Position zur Schelfkante sowie des sich verändernden Nährstoffeintrags interpretiert. Site 1127 zeigt darüberhinaus eine Verdopplung der Zyklenmächtigkeiten der mittelpleistozänen Ablagerungen. Dies ist höchstwahrscheinlich auf Veränderungen der Erdorbitalparameter (Milankovitch-Zyklizität) zurückzuführen. Im letzten Teil der Arbeit werden die sedimentären Zyklizitäten dieser nicht-tropischen Periplattform-Karbonate mit pleistozänen tropischen Ablagerungen der westlichen Flanke der Großen Bahama Bank verglichen (ODP Site 1009). Die Gliederung in Coarsening Upward-Zyklen ist dabei ein wesentliches Merkmal sowohl der nicht-tropischen als auch der tropischen Periplattform-Karbonate. Im Gegensatz zu den untersuchten nicht-tropischen Karbonaten werden jedoch tropische Ablagerungen des Meeresspiegel-Anstiegs und -Hochstands durch feinkörniges, mikritreiches Material. Maxima des Aragonit- bzw. Minima des Hoch-Mg Kalzitgehalts charakterisiert. Die Mächtigkeit einzelner Zyklen von ca. 10 m ist darüberhinaus aufgrund geringfügig niedrigerer Sedimentationsraten geringer als in den untersuchten nicht-tropischen Karbonaten, in denen die minimalen Zyklenmächtigkeiten 10-15 m betragen.
Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil wurde der Einfluss der anthropogen verursachten Erhöhung der atmosphärischen Konzentration von Treibhausgasen auf beobachtete Klimaelemente für die letzten 100 bis 120 Jahre untersucht. Die bodennahe Lufttemperatur wurde in unterschiedlicher räumlicher Auflösung und Abdeckung analysiert: Globales und hemisphärische Mittel, 84 flächengleiche Gebietsmittel globaler Abdeckung und 5°x5°-Gitterpunkte für die europäische Region, für die außerdem der auf Meeresniveau reduzierte Luftdruck und der Niederschlag untersucht wurden. Es wurde ein empirisch-statistischer Ansatz verwendet, der die Datenfelder zunächst in ihre räumlichen und zeitlichen Hauptstrukturen zerlegt (EOF-Zerlegung) und nachfolgend Regressionsbeziehungen zwischen den zeitlichen Hauptstrukturen (Zielgrößen) und den potenziellen Einflussgrößen mittels einer Selektionsstrategie (schrittweise Regression) findet, was zu einer Signaltrennung bezüglich der unterschiedlichen anthropogenen sowie natürlichen Einflüsse führt. Durch eine Abschätzung der Überzufälligkeit der Signal-Rausch-Verhältnisse wurden die Signifikanzen der einzelnen Signale berechnet. Als anthropogene Einflussgrößen wurden neben der logarithmierten Treibhausgaskonzentration (GHG) noch die Konzentration von troposphärischem Sulfat (SUL) aus anthropogenen Quellen verwendet. Die natürlichen Einflussgrößen umfassen Schwankungen der Solarkonstanten (SOL), Strahlungsantrieb explosiver Vulkanausbrüche (VUL), den Southern Oscillation Index (SOI, als Maß für das El-Nino-Phänomen) und den Nord-Atlantik-Oszillations-Index (NAO). In der globalen und den hemisphärischen Mitteltemperaturen dominiert das GHG-Signal. Es unterscheidet sich dabei hochsignifikant vom Zufall und von der natürlichen Variabilität und weist eine mittlere Signalamplitude von etwa 0,5 K auf. Das SUL-Signal ist hier, wie auch in den anderen Datensätzen, unplausibel, was an den fragwürdigen verwendeten Einflüssen liegt, welche die zugrundeliegenden Prozesse nicht hinreichend erfassen. In den räumlich differenzierten Datensätzen ist der zufallsartige Anteil in den Zeitreihen generell höher als in den gemittelten, was die Signifikanzen der GHG-Signale herabsetzt. In Europa ist vor allem im Winter die NAO dominant, was dort zusätzlich den Nachweis des GHG-Signals erschwert. Im europäischen Luftdruck und Niederschlag werden zwar ebenfalls GHG-Signale gefunden, die jedoch aufgrund der hohen Rauschkomponente nur sehr schwach signifikant sind. Des Weiteren ist die Wirkung der anthropogenen Erhöhung der Treibhausgase auf diese Klimaelemente indirekter als bei der Temperatur, wodurch die statistische Ähnlichkeitsbetrachtung hier eventuell auch natürlich verursachte Trendkomponenten irrtümlich als anthropogen selektiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Witterungseinflüsse auf Ernteerträge in der BRD (West) von 1950-1998 untersucht. Die Ertragsdaten der 21 untersuchten Fruchtarten sind mit ausgeprägten Trends behaftet, die wahrscheinlich zum weitaus überwiegenden Teil durch gewollte Ertragssteigerungen verursacht worden sind. Diese sog. Züchtungsvarianz wurde daher mittels eines Gaußschen Tiefpassfilters von der interannulären Variabilität getrennt, welche Umwelteinflüssen zugeordnet wird. Hierdurch können keine Wirkungen langfristiger Klimatrends auf die Erträge untersucht werden. Als meteorologische Parameter wurden Bundeslandmittel der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlages in monatlicher Auflösung verwendet. Die quadrierten Klima- Zeitreihen sind ein Maß für extreme Anomalien. Durch Bildung von Produkten bzw. Quotienten aus Temperatur und Niederschlag erhält man Zeitreihen, welche die kombinierte Wirkung beider Klimaelemente beschreiben. Die Witterungsabhängigkeiten der Erträge wurden durch Korrelation und Regression (schrittweise Regression) mit den meteorologischen Parametern quantifiziert. Hierbei zeigte sich unter anderem ein negativer Einfluss feucht-warmer April-Anomalien auf Getreide-Erträge. Des Weiteren konnten Ernteeinbrüche verschiedener Fruchtarten mit extrem trocken-heißen Witterungsperioden im Sommer in Verbindung gebracht werden. Korrelationen und Regressionskoeffizienten von quadratischen Einflussreihen sind fast ausschließlich negativ. Somit wirken sich vor allem extreme Anomalien der meteorologischen Parameter ertragsmindernd aus. Mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation konnte die Überzufälligkeit der durch die meteorologischen Parameter erklärten Varianzen an den Erträgen qualitativ bewertet werden. In etwa 40% der untersuchten Beziehungen ist ein Witterungsein deutlich sichtbar. Des Weiteren ist eine Untersuchung der Veränderungen (Intensität und Häufung) extremer Witterungen, vor allem sommerlicher Hitzeperioden, nötig, um den Klima-Impakt auf deutsche Ernteerträge besser abzuschätzen. Auch ist die Frage noch offen, ob langfristige anthropogene Klimaänderungen, wie sie hier detektiert worden sind, mit Änderungen des Extremwertverhaltens verknüpft sind.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zunächst ein Vorschlag für eine Direktive zur Anwendung von Monitored Natural Attenuation (MNA) an Grundwasserschadensfällen durch Mineralölprodukte unter Berücksichtigung der in Deutschland geltenden Vorgaben für eine konkrete technische Durchführung erarbeitet. Das darin enthaltene Untersuchungs- und Auswertungsprogramm zum Nachweis von Natural Attenuation (NA) berücksichtigt die gesetzlichen Regelungen des Bundes-Bodenschutzgesetzes (BBodSchG) und der BundesBodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV). Das entwickelte Untersuchungs- und Auswertungsprogramm wurde in einem weiteren Schritt an einer laufenden MNA-Maßnahme aus der Praxis überprüft. Hierfür wurde ein Kerosin-kontaminierter Teilbereich am Standort des ehemaligen Militärflughafens Wegberg-Wildenrath in Nordrhein-Westfalen ausgewählt. Im Grundwasser liegt eine Kontamination überwiegend aus aromatischen Kohlenwasserstoffen (BTEX und weitere alkylierte Aromaten) sowie MKW (H18) vor. Anhand des Praxisbeispiels wurde die generelle Verwendbarkeit von bereits im Rahmen der bisherigen Altlastenbearbeitung erhobenen Daten im Sinne des erarbeiteten Untersuchungsprogramms aufgezeigt. Hydrogeologische Untersuchungen belegten eine Abhängigkeit der Konzentration von Schadstoffen im Wasser von einem bis zu /- 1,7 m schwankenden Grundwasserstand, wodurch ein instationäres Fahnenverhalten vorlag. Aufbauend auf den Erkenntnissen der hydrogeologischen Erkundung und der Auswertung von hydrochemischen Daten wurden für den Standort zwei sich ergänzende konzeptionelle Modellvorstellungen (ein hydrochemisches Modell sowie ein hydrodynamisches Modell) bezüglich der Prozesse, die das Fahnenverhalten steuern, entwickelt. Beim hydrochemischen Modell erfolgt durch schwankende Grundwasserstände ein Recycling der Elektronenakzeptoren S042- und Fe3 für den Schadstoffabbau im herdnahen Bereich. Bei hohem Grundwasserstand werden reduzierte Eisenspezies als unlösliche Eisenmonosulfide ausgefällt. Bei niedrigem Grundwasserstand werden diese Eisenmonosulfide in Folge von Belüftung zu löslichen Fe3 /SO42-haltigen Mischkristallen oxidiert. Bei einem erneuten Anstieg des Grundwassers steht dieser Elektronenakzeptorpool für einen weiteren Schadstoffabbau zur Verfügung, was wiederum zur Ausfällung der reduzierten Eisenspezies führt. Beim hydrodynamischen Modell werden die beobachteten Konzentrationsänderungen im Grundwasser hauptsächlich durch Schadstoff-Phasenübergänge und der Größe der dabei zur Verfügung stehenden Grenzflächen hervorgerufen. Der Austausch von Schadstoffen aus der NAPL (non-aqueous phase liquids)-Phase in die Bodenluft bei niedrigen Grundwasserständen ist erheblich größer im Vergleich zum Austausch der NAPL-Phase in die (Grund)wasserphase bei hohen Grundwasserständen. Daraus resultieren höhere Schadstoffgehalte im Schadenszentrum bei niedrigen Grundwasserständen und geringere Gehalte bei hohen Grundwasserständen. Eine wichtige Erkenntnis dieser Arbeit war die Herausarbeitung der Art des Einflusses schwankender Grundwasserstände auf die Fahnendynamik. Anhand der Untersuchung auf aromatische Säuren (Metabolite), die im (my)g/l-Bereich nachzuweisen waren, konnte der direkte Beweis für einen aktiven Bioabbau am Standort erbracht werden. Durch einen Vergleich des Aromatenspektrums mit dem vorgefundenen Metabolitenspektrum wurden Aussagen zum Abbauverhalten von einzelnen aromatischen Schadstoffgruppen ermöglicht. Die Abbauprognose ist aufgrund des instationären Fahnenverhaltens mit größeren Unsicherheiten behaftet. Attenuations- bzw. Abbauraten zwischen 0,0003 * 1/d und 0,001 * 1/d wurden anhand von zwei unterschiedlichen Verfahren ermittelt.
Das Ziel dieser Arbeit wurde eingangs über den Begriff der erweiterten Schließung der optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel definiert. Hierunter versteht man das Zusammenfügen von verschiedenen Messungen zu einem konsistenten Bild der betrachteten Partikeleigenschaften. Darüber hinaus sollen die Messungen auch in anderen Teilgebieten der Aerosolphysik verwendbar sein, um so das konsistente Bild zu erweitern. Dieses so umschriebene Ziel konnte für die mikrophysikalischen und optischen Messergebnisse, die während des LACE 98 Experimentes, einem vom Bundesministerium für Forschung und Bildung (Bmb f) geförderten Schließungsexperiment, in Lindenberg (Brandenburg) rund 50 km südöstlich von Berlin im Juli und August 1998 erfasst wurden, erreicht werden. Die Messungen wurden erfolgreich zu einem konsistenten Datensatz und einem "Bild" der Partikeleigenschaften zusammengefügt. Unter dem Begriff "Bild" subsummiert sich hierbei nicht nur eine Charakterisierung der Variabilität und Abhängigkeit der Partikeleigenschaften, z.B. von der rel. Luftfeuchte, sondern darüber hinaus auch eine Charakterisierung der Beeinflussung verschiedener von den Eigenschaften der Partikel abhängiger Größen. Hierzu zählen Strahlungshaushaltsgrößen (Erwärmungsrate der Luft durch Absorption solarer Strahlung und die Volumenabsorption solarer Strahlung durch Partikel), wolkenphysikalische Größen (maximale Übersättigung der Wolkenluft während der Wolkenentstehung und Anzahlkonzentration der wachsenden Wolkentropfen), die massengewichtete mittlere Sedimentationsgeschwindigkeit von Partikeln und nicht zuletzt gesundheitsrelevante Größen, wie z.B. die vom Menschen beim Atmen aufgenommene und eingelagerte Partikelmasse. Nachfolgende Zusammenstellung soll nochmals die erzielten Ergebnisse zusammenfassen. Für eine detaillierte Darstellung der in den einzelnen Kapiteln erzielten Ergebnisse soll hier nur auf die jeweiligen Zusammenfassungen der einzelnen Kapitel verwiesen werden. . Im Rahmen der direkten Schließung, wurden unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der optischen Eigenschaften der Partikel erfolgreich miteinander verglichen. Beteiligt waren bei diesem Vergleich folgende Methoden: Partikel im trockenen Zustand: -- Aerosolphotometer (alle optischen Eigenschaften, ) -- Nephelometer (Streukoeffizient) -- PSAP (Absorptionskoeffizient) -- IPMethode (Absorptionskoeffizient) -- Telephotometer (Extinktionskoeffizient) Partikel bei Umgebungsfeuchte: -- Telephotometer (Extinktionskoeffizient) -- horizontales Lidar (Extinktionskoeffizient) Es zeigte sich, dass sich das Aerosolphotometer mit seinem schon aus der Theorie des Messverfahrens her begründeten konsistenten Satz aller optischen Eigenschaften als Referenzmethode während LACE 98 bewährte. Mit seiner Hilfe konnte nun auch die Gültigkeit einer empirischen Korrektur des PSAP nach Bond et al. [1999] für natürliche Aerosolpartikel bestätigt werden. Dem Anwender dieses Gerätes, das mit einer hervorragenden zeitlichen Auflösung von wenigen Minuten den Absorptionskoeffizienten bestimmt, stehen somit zwei unabhängig voneinander gewonnene Kalibrierungsfunktionen zur Verfügung, die innerhalb der Fehlergrenzen auch mit einander im Einklang stehen. . Im Rahmen der indirekten Schließung wurde ein Modell entwickelt, mit dem auf Basis eines Kugelschalenmodells der Partikel aus Messungen der mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel den Extinktions, den Streu- und den Absorptionskoeffizienten sowie die Single Scattering Albedo berechnet wurden. Mit Hilfe dieses Modells wurde der Feuchteeffekt der oben genannten optischen Eigenschaften berechnet. Mit diesen Ergebnissen konnten dann die Messwerte des Telephotometers feuchtekorrigiert, und mit den Messungen des Aerosolphotometers verglichen werden, wo bei eine gute Übereinstimmung der Messreihen festgestellt werden konnte. Die beobachteten Unterschiede konnten auf Ernteaktivitäten, die nur die Messungen des Telephotometers beeinflussten, zurückgeführt werden. Ein Vergleich der mit Hilfe des Modells auch direkt berechenbaren optischen Eigenschaften mit den direkten Messwerten der beteiligten Verfahren fiel ebenfalls positiv aus. Anhand aller Modellrechnungen wurde eine physikalisch motivierte Näherungsfunktion für den Feuchteeffekt des Extinktions- und des Streukoeffizienten als Funktion des Aktivierungsparameters bereit gestellt. In Klimamodellen kann mit Hilfe der vorgestellten Näherungsfunktionen der Feuchteeffekt auf einfache Weise parametrisiert werden. Wenn man allerdings konkrete Messergebnisse miteinander vergleichen möchte, ist man auf eine vollständige Erfassung der mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel angewiesen. . Im Teil IV der Arbeit wurden auf der Basis des zuvor vorgestellten Datensatzes und der hierfür entwickelten Verfahren (Algorithmen) weitere Auswertungen zu unterschiedlichen, für die Meteorologie interessanten Themengebieten, vorgestellt und ihre Ergebnisse charakterisiert. . In Kapitel 6.1 wurde mit Hilfe von Auswertegleichungen aus den in dieser Arbeit erstellten Messungen des Sieben-Sensor-Bilanzphotometers und den Messungen des Aerosolphotometers die Volumenabsorptionsrate solarer Strahlung der bodennahen Partikel und die daraus resultierende Erwärmungsrate der Luft berechnet. Die Ergebnisse wurden mit Literaturwerten anderer Messkampagnen verglichen. Insbesondere konnte ein interessantes Ergebnis von Hänel
Die Chemie und der Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre werden durch die nur in relativ geringen Konzentrationen vorhandenen Spurengase und Aerosolpartikel beherrscht. Mit den zunehmenden anthropogenen Emissionen von atmosphärischen Spurengasen, verursacht durch die wachsende Weltbevölkerung und die zunehmende Industrialisierung, wurde in den letzten Dekaden ein globaler Wandel bei der Zusammensetzung der Erdatmosphäre festgestellt: Konzentrationen von atmosphärischen Spurenstoffen verändern sich nicht mehr auf vergleichsweise langsamen geologischen Zeitskalen, sondern mit viel höheren Geschwindigkeiten, in einzelnen Fällen von bis zu einem Prozent pro Jahr. Die wohl bekanntesten Folgen dieser Veränderungen sind die globale Erwärmung durch die ansteigenden Emissionen von Treibhausgasen und der mit dem antarktischen 'Ozonloch" entdeckte drastische Ozonverlust in der Stratosphäre durch anthropogene Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW). Die Verteilung der für Ozonchemie und Klima relevanten Spurengase in der Atmosphäre hängt dabei nicht nur von der Verteilung ihrer Quellen und Senken ab, sondern wird maßgeblich durch verschiedene Transportprozesse beeinflußt. Der Austausch zwischen der mit anthropogenen Emissionen belasteten Troposphäre und den höheren Atmosphärenschichten Stratosphäre und Mesosphäre spielt dabei eine zentrale Rolle. Im Rahmen der Dissertation wurde zum besseren Verständnis von Stratosphären-Troposphären-Austauschprozessen die Verteilung von langlebigen Spurengasen in den beiden atmosphärischen Kompartimenten Troposphäre und Stratosphäre untersucht. Dazu wurde bei einer Meßkampagne im Sommer 1998 im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojektes STREAM 98 der flugzeuggetragene Gaschromatograph GhOST (Gas chromatograph for the Observation of Stratospheric Tracers) an Bord einer Cessna Citation II der TU Delft in Höhen bis 13 km eingesetzt. Dabei konnten bei zwanzig Meß- und Transferflügen über Kanada, dem Atlantik und Westeuropa umfangreiche Messungen der langlebigen Spurengase N20, F11 und F12 in der oberen Troposphäre und der Untersten Stratosphäre durchgeführt werden. Unter Flugbedingungen wurde mit GhOST während der Kampagne eine Reproduzierbarkeit (1 o) von besser als 0,6 % und eine absolute Genauigkeit von besser als 2 % für alle nachgewiesenen Spurengase erreicht. Diese hohe Meßpräzision konnte durch zahlreiche Vergleichsmessungen mit anderen Meßgeräten und Meßverfahren - im Flugbetrieb und im Labor sichergestellt werden; die Linearität des Geräts wurde zudem mit Hilfe einer barometrisch hergestellten Verdünnungsreihe untersucht. Die mit GhOST bei STREAM 98 gewonnenen Meßwerte wurden zusammen mit Messungen und Modelldaten der am Projekt beteiligten Arbeitsgruppen zur Untersuchung von Spurengasverteilungen und Stratosphären-Troposphären-Austauschprozessen herangezogen. Untersucht wurden dabei unter anderem die Verteilung und Variabilität von N20, F11 und F12 in der Troposphäre und in der Untersten Stratosphäre der mittleren Breiten, Austausch- und Mischungsprozesse in der Tropopausenregion und die Variabilität von Tracer/Tracer-Korrelationen in der Untersten Stratosphäre. Aufbauend auf den Erfahrungen bei STREAM 98 wurde für das vom BMBF geförderte Projekt SPURT im Rahmen dieser Doktorarbeit der in-situ-Gaschromatograph GhOST II entwickelt. Unter Beibehaltung der gaschromatographischen Komponenten von GhOST wurden zur Messung der Spurengase SF6 und CO zwei zusätzliche Detektoren integriert und zahlreiche technische Verbesserungen durchgeführt. Für die vollautomatische rechnergestützte Elektronik zur Steuerung des neuen Gerätes wurden zusammen mit der institutseigenen Elektronikwerkstatt verschiedene Baugruppen zur Signalführung und -verarbeitung, zur Temperaturmessung und zur Ansteuerung von Leistungskomponenten entwickelt. Während einer Testkampagne im April 2001 wurde GhOST II erfolgreich mechanisch und elektrisch auf einem Learjet 35A integriert und kam bei zwei Meßflügen der Meßkampagne SPURT 1 im November 2001 zum Einsatz.
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.