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In the Central German Uplands, Fagus sylvatica and Picea abies have been particularly affected by climate change. With the establishment of beech forests about 3000 years ago and pure spruce stands 500 years ago, they might be regarded as ‘neophytes’ in the Hessian forests. Palaeoecological investigations at wetland sites in the low mountain ranges and intramontane basins point to an asynchronous vegetation evolution in a comparatively small but heterogenous region. On the other hand, palynological data prove that sustainably managed woodlands with high proportions of Tilia have been persisting for several millennia, before the spread of beech took place as a result of a cooler and wetter climate and changes in land management. In view of increasingly warmer and drier conditions, Tilia cordata appears especially qualified to be an important silvicultural constituent of the future, not only due to its tolerance towards drought, but also its resistance to browsing, and the ability to reproduce vegetatively. Forest managers should be encouraged to actively promote the return to more stress-tolerant lime-dominated woodlands, similar to those that existed in the Subboreal chronozone.
Global distributions of profiles of sulphur hexafluoride (SF6) have been retrieved from limb emission spectra recorded by the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) on Envisat covering the period September 2002 to March 2004. Individual SF6 profiles have a precision of 0.5 pptv below 25 km altitude and a vertical resolution of 4–6 km up to 35 km altitude. These data have been validated versus in situ observations obtained during balloon flights of a cryogenic whole-air sampler. For the tropical troposphere a trend of 0.230±0.008 pptv/yr has been derived from the MIPAS data, which is in excellent agreement with the trend from ground-based flask and in situ measurements from the National Oceanic and Atmospheric Administration Earth System Research Laboratory, Global Monitoring Division. For the data set currently available, based on at least three days of data per month, monthly 5° latitude mean values have a 1 o standard error of 1%. From the global SF6 distributions, global daily and monthly distributions of the apparent mean age of air are inferred by application of the tropical tropospheric trend derived from MIPAS data. The inferred mean ages are provided for the full globe up to 90° N/S, and have a 1 o standard error of 0.25 yr. They range between 0 (near the tropical tropopause) and 7 years (except for situations of mesospheric intrusions) and agree well with earlier observations. The seasonal variation of the mean age of stratospheric air indicates episodes of severe intrusion of mesospheric air during each Northern and Southern polar winter observed, long-lasting remnants of old, subsided polar winter air over the spring and summer poles, and a rather short period of mixing with midlatitude air and/or upward transport during fall in October/November (NH) and April/May (SH), respectively, with small latitudinal gradients, immediately before the new polar vortex starts to form. The mean age distributions further confirm that SF6 is destroyed in the mesosphere to a considerable degree. Model calculations with the Karlsruhe simulation model of the middle atmosphere (KASIMA) chemical transport model agree well with observed global distributions of the mean age only if the SF6 sink reactions in the mesosphere are included in the model.
Recently, carbonates have attracted a lot of attention, due to the recognition of their importance in the global carbon cycle. This was enabled by improvement of the experimental techniques that allow for investigating the stability, structure, and physical properties of materials and high-pressures and high-temperatures, that is, they allow for investigating minerals and geochemical processes at the conditions occurring deep inside Earth. Although a lot of research has been focused on carbonates, there are still some open questions regarding their structure and physical properties at such extreme conditions. The aim of this thesis is to establish a deeper understanding of the nature of the phase transitions in carbonates by studying how do the atoms building up the crystal structure vibrate, that is lattice dynamics. The methodology adapted in this study is a combination of experimental and computational methods which allows for a very thorough examination of the problem. The computational approach allows to determine parameters that are elusive or tedious to measure, and the experimental results provide a solid benchmark for the calculations. This tandem of methods has been widely used for investigating lattice dynamics of various materials. In this study it was used to elucidate the structure and properties of carbonates in the deep Earth conditions
Biogenic NO emissions from soils (SNOx) play important direct and indirect roles in tropospheric chemistry. The most widely applied algorithm to calculate SNOx in global models was published 15 years ago by Yienger and Levy (1995), and was based on very few measurements. Since then, numerous new measurements have been published, which we used to build up a compilation of world wide field measurements covering the period from 1978 to 2010. Recently, several satellite-based top-down approaches, which recalculated the different sources of NOx (fossil fuel, biomass burning, soil and lightning), have shown an underestimation of SNOx by the algorithm of Yienger and Levy (1995). Nevertheless, to our knowledge no general improvements of this algorithm, besides suggested scalings of the total source magnitude, have yet been published. Here we present major improvements to the algorithm, which should help to optimize the representation of SNOx in atmospheric-chemistry global climate models, without modifying the underlying principals or mathematical equations. The changes include: (1) using a new landcover map, with twice the number of landcover classes, and using annually varying fertilizer application rates; (2) adopting a fraction of 1.0 % for the applied fertilizer lost as NO, based on our compilation of measurements; (3) using the volumetric soil moisture to distinguish between the wet and dry states; and (4) adjusting the emission factors to reproduce the measured emissions in our compilation (based on either their geometric or arithmetic mean values). These steps lead to increased global annual SNOx, and our total above canopy SNOx source of 8.6 Tg yr−1 (using the geometric mean) ends up being close to one of the satellite-based top-down approaches (8.9 Tg yr−1). The above canopy SNOx source using the arithmetic mean is 27.6 Tg yr−1, which is higher than all previous estimates, but compares better with a regional top-down study in eastern China. This suggests that both top-down and bottom-up approaches will be needed in future attempts to provide a better calculation of SNOx.
Soil biogenic NO emissions (SNOx) play important direct and indirect roles in chemical processes of the troposphere. The most widely applied algorithm to calculate SNOx in global models was published 15 years ago by Yienger and Levy (1995), was based on very few measurements. Since then numerous new measurements have been published, which we used to build up a atabase of field measurements conducted world wide covering the period from 1978 to 2009, including 108 publications with 560 measurements.
Recently, several satellite based top-down approaches, which recalculated the different sources of NOx (fossil fuel, biomass burning, soil and lightning), have shown an underestimation of SNOx by the algorithm of Yienger and Levy (1995). Nevertheless, to our knowledge no general improvements of this algorithm have yet been published.
Here we present major improvements to the algorithm, which should help to optimize the representation of SNOx in atmospheric-chemistry global climate models, without modifying the underlying principal or mathematical equations. The changes include: 1) Using a new up to date land cover map, with twice the number of land cover classes, and using annually varying fertilizer application rates; 2) Adopting the fraction of SNOx induced by fertilizer application based on our database; 3) Switching from soil water column to volumetric soil moisture, to distinguish between the wet and dry state; 4) Tuning the emission factors to reproduce the measured emissions in our database and calculate the emissions based on their mean value. These steps lead us to increased global yearly SNOx, and our total SNOx source ends up being close to one of the top-down approaches. In some geographical regions the new results agree better with the top-down approach, but there are also distinct differences in other regions. This suggests that a ombination of both top-down and bottom-up approaches could be combined in a future attempt to provide an even better calculation of SNOx.
Ca-Silikate als natürliche Einschlüsse in Diamanten sind so extrem selten und bislang wenig untersucht, daß der Weg, sie synthetisch herzustellen, um entsprechende Analysen durchführen zu können, gerechtfertigt wird. Um die Veränderungen über einen großen Druckbereich bis zu Bedingungen, die dem Unteren Erdmantel entsprechen, durchführen zu können, wurde ein neues Hochdrucklabor mit einer Multi-Anvil-Presse aufgebaut. In dieses Labor sind viele Erfahrungen aus eigenen Experimenten und aus anderen Arbeitsgruppen eingeflossen, sodaß eine leistungsfähige Hochdruckanlage zur Verfügung steht. Kernstück dieses Hochdrucksystems ist der innere Hochdruckaufbau, wobei nicht ein bereits etablierter Hochdruckaufbau kopiert, sondern - durch das Integrieren der Vorzüge von unterschiedlichen Systemen - ein eigenständiger Hochdruckaufbau entwickelt wurde. Das System ist für weitere Ausbaumöglichkeiten vorbereitet, sodaß z. B. großvolumige Kapseln zusammen mit den Ceramcast-Oktaedern bis 80 kbar eingesetzt werden können, bzw. der maximale Druckbereich mit einem 10/4 mm Aufbau bis über 200 kbar ausgeweitet werden kann. Die Untersuchung der Reaktionskinetik an den Ca-Silikatphasen stellt eine besondere Herausforderung dar. Aus vorangegangenen Experimenten und Untersuchungen ist die "nicht Quenchbarkeit" von Ca-Perovskit und die Amorphisierung von Ca-Walstromit bekannt, sodaß sich die Untersuchungen mittels der herkömmlichen Hochdruckmethoden für diese Fragestellung als nachteilig erweisen. Dank der Zusammenarbeit mit dem "Material Science Laboratory" am Synchrotron in Daresbury bot sich die Möglichkeit, in situ Hochdruckexperimente an den Ca-Silikatphasen durchzuführen. Es stand nur eine begrenzte Entwicklungszeit zur Verfügung, um die neuartige "fine-to-fine" Geometrie zu entwickeln und zu erproben. Mit diesem Hochdruckaufbau ist es gelungen, in situ Hochdruckexperimente bei bis zu 150 kbar und 1400°C durchzuführen und dabei Ca-Perovskit zu kristallisieren. Mit den kleineren 10mm MgO-Oktaedern und 5 bzw. 4 mm Truncation an den Wolframcarbid-Würfeln sind sogar bei gleicher Geometrie noch höhere Drücke realisierbar. Die Beobachtungen an den durchgeführten Experimente ermöglicht eine Aussage zur Reaktionskinetik der Phasenumwandlung bei Ca-Silikaten. Die Disproportionsreaktion von Ca-Perovskit zu den zwei Phasen Larnit und Si-Titanit läuft sehr rasch ab, wo hingegen die Rekombinationsreaktion dieser beiden Phasen zu Ca-Walstromit kinetisch gehemmt und innerhalb von Stunden keine Umwandlung beobachtet werden konnte. Darüber hinaus bestätigen die eigenen Experimente ein Einsetzen der Amorphisierung von Ca-Perovskit bei Drücken unterhalb von 10 kbar. Eine Amorphisierung von Ca-Walstromit wurde auch nach vollständiger Druckentlastung nicht beobachtet. Werden die Beobachtungen der kinetischen Experimente der Phasenumwandlung an Ca-Silikaten auf die natürlichen Bedingungen bei der Diamantentstehung und deren Aufstiegspfad übertragen, spricht dies für ein Modell des raschen Aufstiegs aus dem Unteren Mantel bzw. der Übergangszone und einem Steckenbleiben im Oberen Mantel bei moderaten Drücken. Der Weg an die Erdoberfläche findet dann zu einem späteren Zeitpunkt ebenfalls mit schnellen Aufstiegsgeschwindigkeiten statt. Die Ergebnisse der Löslichkeits-Hochdruckexperimente von Kalium und Phosphor bestätigen die Beobachtungen, die an den natürlichen Ca-Silikateinschlüssen gemacht wurden. In dem Zweiphasenfeld, in dem Larnit zusammen mit Si-Titanit koexsistiert, hebt sich vor allem die sehr hohe Löslichkeit von Kalium und Phosphor hervor. Zwar wurde bereits in den natürlichen Einschlüssen ein auffallend hoher Gehalt dieser Elemente beobacht, die Experimente zur maximalen Löslichkeit zeigen jedoch, daß sich weitaus höhere Gehalte im Larnit lösen können. Für diese Phase trifft die gekoppelte Substitution von Kalium und Phosphor gegen Calcium und Silicium im Verhältnis 1 : 1 zu. Interessant ist zudem die offenbare Druckhabhängigkeit der Löslichkeit in Larnit. Für eine geobarometrische Anwendung dieses Druckeffekts ist das Stabilitätsfeld mit nur 20 kbar relativ schmal, so daß der Druckgradient gering ist. Die Titanit-Struktur erweist sich im Gegensatz dazu als nicht kompatibel für diese Elemente. In Si-Titanit werden nur extrem geringe Gehalte an Kalium und Phosphor eingebaut. In den natürlichen Einschlüssen wurden gleichermaßen geringe Gehalte nachgewiesen. Damit kann vom Erreichen der maximalen Löslichkeit in den natürlichen Proben ausgegangen werden. Als potentieller Träger von Kalium und Phosphor in der Übergangszone ist die Phase Larnit. Sie kann sehr hohe Gehalte dieser Elemente aufnehmen, mit steigendem Druck nimmt die Löslichkeit jedoch ab. Direkte Messungen der Löslichkeit an Ca-Perovskit liegen bislang nicht vor. Die Experimente an der unteren Stabilitätsgrenze zeigen sehr geringe Gehalte an Kalium und Phosphor. Eine Substitution in dieser sehr dichten Struktur findet nicht statt. Die geringe Löslichkeit in Ca-Perovskit entspricht nicht dem erwarteten Ergebnis. Diese Phase galt bislang als möglicher Träger von Kalium und Phosphor im Unteren Mantel. Wenn davon ausgegangen wird, daß Einschlüsse, in denen Larnit und Si-Titanit nachgewiesen werden, möglicherweise ehemals Ca-Perovskit gewesen sind und damit eine Herkunft aus dem Unteren Mantel haben, so sprechen die hohen Gehalte an Kalium und Phosphor in Larnit gegen diese Annahme. Ein Einschluß, der als Ca-Perovskit im Unteren Mantel kristallisiert ist, kann nicht die großen Mengen an Kalium und Phosphor einbauen, wie sie dann im Larnit als direkte Umwandlungsphase nachgewiesen werden. Möglicherweise sind Einschlüsse, die hohe Gehalte an Kalium und Phosphor zeigen, in dem Zweiphasenstabilitätsfeld Larnit/Si-Titanit kristallisiert, und ein Hinweis darauf, daß sie kein Disproportionsprodukt aus vormaligem Ca-Perovskit sind. Bislang ungeklärt bleibt die Frage, ob mit höherem Druck die Löslichkeit von Kalium und Phosphor in Ca-Perovskit zunimmt. Wenn eine Druckabhängigkeit der Löslichkeit vorliegt, würde dies dafür sprechen, daß die Diamanten mit Ca-Perovskit-Einschlüssen aus dem Unteren Mantel stammen und nicht aus der Übergangszone. Die Annahme der Herkunft dieser speziellen Diamantparagenese aus dem Unteren Mantel wird auch durch das Auftreten von Ferro-Periklas und Stichovit zusammen mit Ca-Perovskit im gleichen Diamantkristall bekräftigt. Zukünftige Experimente bei höheren Drücken könnten die Frage klären, ob bei einer Druckerhöhung eine Zunahme der Löslichkeit in Ca-Perovskit beobachtet wird. Eine beachtliche Zunahme der Löslichkeit mit dem Druck würde das Modell der Herkunft der Ca-Silikateinschlüsse aus dem Unteren Mantel stützen. Die Löslichkeit von Kalium und Phosphor in Ca-Walstromit zeigt sowohl in den natürlichen Einschlüssen als auch in den Experimenten mittlere Gehalte dieser Elemente an. Abweichend von den Beobachtungen in den Einschlüssen ist jedoch der erhöhte Kaliumgehalt, der nicht den erwarteten stöchiometrischen Austausch von 1 : 1 wiedergibt. Untersuchungen an natürlichen Ca-Walstromit als Einschlüsse in Diamanten werden zukünftig von besonderem Interesse sein, da diese Einschlüsse entsprechend häufiger auftreten und als Probenmaterial vorliegen. Weitere Experimente im Ca-Walstromit-Stabilitätsfeld mit unterschiedlichen Gehalten an Spurenelementen und entsprechenden Strukturuntersuchungen können die Frage der Stabilität bzw. der Amorphisierung klären. Ein unmittelbares Amorphisieren von Ca-Walstromit nach der Druckentlastung wird nicht beobachtet und auch die energiereiche Strahlung der Mikrosonde bzw. des Synchrotrons hat keine Amorphisierung zur Folge. Beim Bestrahlen mit der sehr energiereichen Strahlung bei den TEM-Untersuchungen zeigt sich jedoch, daß Ca-Walstromit nicht sehr stabil ist und innerhalb weniger Minuten amorphisiert. Die TEM-Untersuchungen weisen auf mögliche Polymorphe von Ca-Walstromit hin. Wenn sich unterschiedliche Polymorphe nachweisen lassen, ist von abweichenden Löslichkeiten und unter Umständen anderen Einbaumechanismen in den Phasen auszugehen.
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 ....
Laut jüdischem Kalender entstand die Welt vor genau 5778 Jahren, nach der Bibel vor 6021 Jahren. Doch als Forscher begannen, auf und in der Erde selbst nach Spuren ihres Alters zu suchen, mussten sie die Zahl immer weiter nach oben korrigieren. Nach heutigen Datierungsmethoden ist unser Planet zwischen 4,5 und 4,6 Milliarden Jahre alt.
Volatile organic compounds (VOCs) were analyzed in air and snow samples at the Jungfraujoch high alpine research station in Switzerland as part of CLACE 5 (CLoud and Aerosol Characterization Experiment) during February/March 2006. The fluxes of individual compounds in ambient air were calculated from gas phase concentrations and wind speed. The highest concentrations and flux values were observed for the aromatic hydrocarbons benzene (14.3 μg.m−2 s−1), 1,3,5-trimethylbenzene (5.27 μg.m−2 s−1), toluene (4.40 μg.m−2 −1), and the aliphatic hydrocarbons i-butane (7.87 μg.m−2 s−1), i-pentane (3.61 μg.m−2 s−1) and n-butane (3.23 μg.m−2 s−1). The measured concentrations and fluxes were used to calculate the efficiency of removal of VOCs by snow, which is defined as difference between the initial and final concentration/flux values of compounds before and after wet deposition. The removal efficiency was calculated at −24°C (−13.7°C) and ranged from 37% (35%) for o-xylene to 93% (63%) for i-pentane. The distribution coefficients of VOCs between the air and snow phases were derived from published poly-parameter linear free energy relationship (pp-LFER) data, and compared with distribution coefficients obtained from the simultaneous measurements of VOC concentrations in air and snow at Jungfraujoch. The coefficients calculated from pp-LFER exceeded those values measured in the present study, which indicates more efficient snow scavenging of the VOCs investigated than suggested by theoretical predictions.
Volatile organic compounds (VOCs) were analyzed in air and snow samples at the Jungfraujoch high alpine research station in Switzerland as part of CLACE 5 (CLoud and Aerosol Characterization Experiment) during February/March 2006. The fluxes of individual compounds in ambient air were calculated from gas phase concentrations and wind speed. The highest flux values were observed for the aromatic hydrocarbons benzene (14.3 µg m−2s−1), 1,3,5-trimethylbenzene (5.27 µg m−2s−1), toluene (4.40 µg m−2s−1), and the aliphatic hydrocarbons i-butane (7.87 µg m−2s−1), i-pentane (3.61 µg m−2s−1) and n-butane (3.23 µg m−2s−1). The fluxes were used to calculate the efficiency of removal of VOCs by snow, and the effect of temperature on removal efficiency. The removal efficiency was calculated at – 24◦C (−13.7◦C) and ranged from 37% (35%) for o-xylene to 93% (63%) for i-pentane. The distribution coefficients of VOCs between the air and snow phases were derived from published poly-parameter linear free energy relationship (pp-LFER) data, and compared with distribution coef- ficients obtained from the simultaneous measurements of VOC concentrations in air and snow at Jungfraujoch. The coefficients calculated from pp-LFER exceeded those values measured in the present study, which indicates more efficient snow scavenging of the VOCs investigated than suggested by theoretical predictions.
Under the Kigali Amendment to the Montreal Protocol, new controls are being implemented to reduce emissions of HFC-23 (CHF3), a by-product during the manufacture of HCFC-22 (CHClF2). Starting in 2015, China and India, who dominate global HCFC-22 production (75% in 2017), set out ambitious programs to reduce HFC-23 emissions. Here, we estimate that these measures should have seen global emissions drop by 87% between 2014 and 2017. Instead, atmospheric observations show that emissions have increased and in 2018 were higher than at any point in history (15.9 ± 0.9 Gg yr−1). Given the magnitude of the discrepancy between expected and observation-inferred emissions, it is likely that the reported reductions have not fully materialized or there may be substantial unreported production of HCFC-22, resulting in unaccounted-for HFC-23 by-product emissions. The difference between reported and observation-inferred estimates suggests that an additional ~309 Tg CO2-equivalent emissions were added to the atmosphere between 2015 and 2017.
Within the world’s oceans, regionally distinct ecological niches develop due to differences in water temperature, nutrients, food availability, predation and light intensity. This results in differences in the vertical dispersion of planktonic foraminifera on the global scale. Understanding the controls on these modern-day distributions is important when using these organisms for paleoceanographic reconstructions. As such, this study constrains modern depth habitats for the northern equatorial Indian Ocean, for 14 planktonic foraminiferal species (G. ruber, G. elongatus, G. pyramidalis, G. rubescens, T. sacculifer, G. siphonifera, G. glutinata, N. dutertrei, G. bulloides, G. ungulata, P. obliquiloculata, G. menardii, G. hexagonus, G. scitula) using stable isotopic signatures (δ18O and δ13C) and Mg/Ca ratios. We evaluate two aspects of inferred depth habitats: (1) the significance of the apparent calcification depth (ACD) calculation method/equations and (2) regional species-specific ACD controls. Through a comparison with five global, (sub)tropical studies we found the choice of applied equation and δ18Osw significant and an important consideration when comparing with the published literature. The ACDs of the surface mixed layer and thermocline species show a tight clustering between 73–109 m water depth coinciding with the deep chlorophyll maximum (DCM). Furthermore, the ACDs for the sub-thermocline species are positioned relative to secondary peaks in the local primary production. We surmise that food source plays a key role in the relative living depths for the majority of the investigated planktonic foraminifera within this oligotrophic environment of the Maldives and elsewhere in the tropical oceans.
In Ergänzung zu einem vorangegangenen Projekt (Schönwiese et al., 2005) ist in der vorliegenden Studie eine weitere extremwertstatistische Untersuchung durchgeführt worden. Dazu wurden auf der Basis von täglichen Klimadaten aus Hessen und Umgebung (49°N bis 52°N, 7°O bis 11°O), und zwar der Temperatur von 53 Stationen und des Niederschlages von 84 Stationen, Schwellen extremer Werte definiert, um die Anzahl der Über- bzw. Unterschreitungen dieser Schwellen auf signifikante Trends hin zu untersuchen. Bei der Temperatur findet sich dabei eine systematische Zunahme von Hitzetagen (Maximumtemperatur über 30 °C) im August, wohingegen im Juli fast keine, und im Juni nur vereinzelt signifikante Zunahmen von Hitzetagen gefunden wurden. Hierbei zeigt sich, wie auch bei anderen Temperatur-Schwellen eine Abnahme der Signifikanz mit zunehmender Schwellenhöhe, was durch selteneres Auftreten besonders extremer Ereignisse verursacht wird. Im Winter und Frühjahr hat entsprechend die Anzahl der Frost- bzw. Eistage (Minimum- bzw. Maximumtemperatur unter 0 °C) signifikant abgenommen. Besonders ausgeprägt ist dies für die Frosttage im Frühling der Fall. Beim Niederschlag hat im Sommer, wiederum vor allem im August, die Anzahl von Trockentagen zugenommen. Extrem hohe Niederschlagssummen sind dagegen in dieser Jahreszeit seltener geworden, in den anderen Jahreszeiten jedoch häufiger. Vor allem der März zeichnet sich durch verbreitet hochsignifikante Zunahmen von Tagen mit Starkniederschlägen aus. Die Erhaltungsneigung von besonders warmen bzw. kalten Witterungen hat sich in den meisten Monaten nicht signifikant verändert. Es ist jedoch eine Neigung zu kürzeren relativ einheitlichen Witterungsabschnitten im Februar und März, sowie zu längeren im Oktober und November zu beobachten. Diese Ergebnisse sind jedoch vermutlich nicht sehr robust, da sich bei einer Verkürzung des Zeitfensters der Autokorrelationsfunktion die Signifikanzen teilweise (vor allem im April) deutlich verändern. Bei den Trends der Zahl der Trockenperioden erkennt man im Sommer einen positiven Trend; sie nehmen somit zu. Dies gilt sowohl für die 7-tägigen als auch für die 11-tägigen Trockenperioden. Die übrigen Jahreszeiten zeigen bei den 7-tägigen Trockenperioden nur schwache oder negative Trends. Bei den 11-tägigen Trockenperioden gilt dies nur für das Frühjahr und den Herbst, im Winter sind die Trends im Norden überwiegend positiv, im Süden negativ. Betrachtet man die Länge der längsten Trockenperioden, so nimmt diese im Sommer zu, im Frühjahr und im Gesamtjahr jedoch ab. Im Herbst ist das Bild uneinheitlich; dies kann aber auch daran liegen, dass lange sommerliche Trockenperioden in den Herbst hineinreichen und dann dort gezählt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Analyse der Anzahl und Länge bestimmter Witterungsabschnitte (Clusteranalyse), die durch relativ hohe oder tiefe Temperatur bzw. relativ wenig bzw. viel Niederschlag definiert sind. So können beispielsweise Tage mit weniger als 1 mm Niederschlag als Trockencluster bezeichnet werden. Dabei erkennt man im Sommer einen Trend zu mehr Trockenclustern,in Übereinstimmung mit den oben genannten Ergebnissen, in den übrigen Jahreszeiten und im Gesamtjahr jedoch einen Trend zu weniger Trockenclustern. Innerhalb des Sommers ist dieser Trend im August am stärksten, in den übrigen Jahreszeiten im März, Oktober und Dezember. Bei den Clustern von Feuchteereignissen, das heißt Tagen mit relativ viel Niederschlag, ist das Bild umgekehrt. Im Sommer nimmt deren Zahl ab, ansonsten nimmt sie zu. Die stärksten Trends sind dabei wiederum im August (Abnahme) bzw. im März, Oktober und Dezember (jeweils Zunahme) zu erkennen. Alle diese Trends werden im der Regel umso schwächer, je höher die Schranke der Niederschlagsmenge gewählt wird. Bei den Temperaturdaten sind die Trends von Frost- und Eistagen nur im November überwiegend positiv, in allen Wintermonaten (Dezember, Januar und Februar) jedoch fast ausschließlich negativ. Darin spiegelt sich somit der Trend zu höheren Temperaturen wider. Bei den Wärmeclustern ändern sich die Trends mit der Höhe der Schranke. Bei der Schranke von 25°C zeigen der Juli, insbesondere aber der August positive Trends. Bei der 30°C-Schranke bleibt der Augusttrend positiv, der Julitrend wird dagegen negativ. Bei der Schranke von 35°C werden die Augusttrends dann deutlich geringer, während die Julitrends, wenn auch schwächer ausgeprägt, negativ bleiben. Die Trends im Juni sind dagegen insgesamt schwach. Betrachtet man die Signifikanz der Trends, so sind insbesondere die Trends bei hohen Schranken weniger signifikant. Dies gilt für die hohen Niederschlagschranken (20mm, 30mm, 95%-Perzentil, 99%-Perzentil) ebenso wie für die hohen Temperaturschranken (30°C, 35°C). Weiterhin ist die Signifikanz dann niedrig, wenn die Zahl der Cluster im betrachteten Zeitraum klein ist. In Monaten und Jahreszeiten, in denen nur wenige Cluster auftreten, ist der Trend der Zahl der Cluster meist nicht signifikant. Insgesamt zeigen beim Niederschlag die untere Schranke von 1mm sowie die oberen Schranken von 10mm und 90% die signifikantesten Trends. Bei den Temperaturdaten ist das bei den Frosttagen generell, bei den Eistagen im Januar und Februar sowie bei den sommerlichen Clustern mit einer Tagesmaximumtemperatur von über 25°C der Fall (mit zum Teil über 95% bzw. 99% Signifikanz).
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).
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.
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 synthesised observations of total particle number (CN) concentration from 36 sites around the world. We found that annual mean CN concentrations are typically 300–2000 cm -3 in the marine boundary layer and free troposphere (FT) and 1000–10 000 cm -3 in the continental boundary layer (BL). Many sites exhibit pronounced seasonality with summer time concentrations a factor of 2–10 greater than wintertime concentrations. We used these CN observations to evaluate primary and secondary sources of particle number in a global aerosol microphysics model. We found that emissions of primary particles can reasonably reproduce the spatial pattern of observed CN concentration (R2=0.46) but fail to explain the observed seasonal cycle (R2=0.1). The modeled CN concentration in the FT was biased low (normalised mean bias, NMB=& -88%) unless a secondary source of particles was included, for example from binary homogeneous nucleation of sulfuric acid and water (NMB= -25%). Simulated CN concentrations in the continental BL were also biased low (NMB= -74%) unless the number emission of anthropogenic primary particles was increased or a mechanism that results in particle formation in the BL was included. We ran a number of simulations where we included an empirical BL nucleation mechanism either using the activation-type mechanism (nucleation rate, J, proportional to gas-phase sulfuric acid concentration to the power one) or kinetic-type mechanism (J proportional to sulfuric acid to the power two) with a range of nucleation coefficients. We found that the seasonal CN cycle observed at continental BL sites was better simulated by BL particle formation (R2=0.3) than by increasing the number emission from primary anthropogenic sources (R2=0.18). The nucleation constants that resulted in best overall match between model and observed CN concentrations were consistent with values derived in previous studies from detailed case studies at individual sites. In our model, kinetic and activation-type nucleation parameterizations gave similar agreement with observed monthly mean CN concentrations.
We use observations of total particle number concentration at 36 worldwide sites and a global aerosol model to quantify the primary and secondary sources of particle number. We show that emissions of primary particles can reasonably reproduce the spatial pattern of observed condensation nuclei (CN) (R2=0.51) but fail to explain the observed seasonal cycle at many sites (R2=0.1). The modeled CN concentration in the free troposphere is biased low (normalised mean bias, NMB=−88%) unless a secondary source of particles is included, for example from binary homogeneous nucleation of sulfuric acid and water (NMB=−25%). Simulated CN concentrations in the continental boundary layer (BL) are also biased low (NMB=−74%) unless the number emission of anthropogenic primary particles is increased or an empirical BL particle formation mechanism based on sulfuric acid is used. We find that the seasonal CN cycle observed at continental BL sites is better simulated by including a BL particle formation mechanism (R2=0.3) than by increasing the number emission from primary anthropogenic sources (R2=0.18). Using sensitivity tests we derive optimum rate coefficients for this nucleation mechanism, which agree with values derived from detailed case studies at individual sites.
Bei Driehausen, ca. 13 km nordöstlich von Osnabrück, werden saalezeitliche Schmelzwassersande abgebaut, die wegen der Überlagerung durch Grundmoräne als "Vorschüttsande" anzusprechen sind. Die Grundmoräne läßt sich in einen Setztill und einen Ausschmelztill untergliedern. Aus Messungen der Geschiebeeinregelung ergeben sich für den unteren Teil der Grundmoräne Eisbewegungen nach Südwesten und Westen, für den oberen Schubrichtungen nach Süden. Nach dem südschwedisch geprägten Leitgeschiebeinhalt der Grundmoräne scheint es sich hier um den ersten saalezeitlichen Eisvorstoß in NW-Deutschland zu handeln. An der Basis der ca. 10-15 m mächtigen Schmelzwassersande treten wiederum stärker tonige Sedimente und auch Geschiebe auf, die auf eine ältere, vermutlich elsterzeitliche Grundmoräne hinweisen.
High-pressure single-crystal to 20 GPa and powder diffraction measurements to 50 GPa, show that the structure of Pb2SnO4 strongly distorts on compression with an elongation of one axis. A structural phase transition occurs between 10 GPa and 12 GPa, with a change of space group from Pbam to Pnam. The resistivity decreases by more than six orders of magnitude when pressure is increased from ambient conditions to 50 GPa. This insulator-to-semiconductor transition is accompanied by a reversible appearance change from transparent to opaque. Density functional theory-based calculations show that at ambient conditions the channels in the structure host the stereochemically-active Pb 6s2 lone electron pairs. On compression the lone electron pairs form bonds between Pb2+ ions. Also provided is an assignment of irreducible representations to the experimentally observed Raman bands.
We performed an experiment under long-term microgravity conditions aboard the International Space Station (ISS) to obtain information on the energetics and experimental constraints required for the formation of chondrules in the solar nebula by ’nebular lightning’. As a simplified model system, we exposed porous forsterite (Mg2 SiO4) dust particles to high-energetic arc discharges. The characterization of the samples after their return by synchrotron microtomography and scanning electron microscopy revealed that aggregates had formed, consisting of several fused Mg2SiO4 particles. The partial melting and fusing of Mg2SiO4 dust particles under microgravity conditions leads to a strong reduction of their porosity. The experimental outcomes vary strongly in their appearance from small spherical melt-droplets (∅≈90 µm) to bigger and irregularly shaped aggregates (∅≈350 µm). Our results provided new constraints with respect to energetic aspects of chondrule formation and a roadmap for future and more complex experiments on Earth and in microgravity conditions.
Die nachfolgende Dissertation wurde an der Goethe-Universität Frankfurt am Institut für Geowissenschaften (FB 11) in der Arbeitsgruppe Kristallographie und Mineralogie (AG Winkler) verfasst. Die Betreuung der hier durchgeführten Arbeiten erfolgte hauptsächlich durch Prof. B. Winkler in Zusammenarbeit mit Dr. L. Bayarjargal, PD Dr. E. Haussühl und PD Dr. V. Vinograd. Bei dem vorliegenden Manuskript handelt es sich um eine kumulative bzw. publikationsbasierte Dissertation, welche die Forschungsergebnisse verschiedener bereits veröffentlichter wissenschaftlicher Fachartikel zusammenfasst.
Die Arbeit beschreibt verschiedene Synthesen und Untersuchungen an Carbonaten und teilt sich im Wesentlichen in zwei Abschnitte. Zum einen wurden Experimente mit Carbonaten bei Extrembedingungen bzw. unter hohen Drücken und hohen Temperaturen durchgeführt, wie sie auch im Inneren der Erde zu finden sind. Im zweiten Teil wurden Carbonate bei Raumbedingungen synthetisiert und der Einbau von Seltenerdelementen untersucht. Grundsätzlich werden jedoch in beiden Teilen dieser Arbeit die Strukturen und Eigenschaften verschiedener Carbonate und eine mögliche Kationensubstitution bzw. die Synthese isostruktureller Verbindungen erforscht.
Die Ergebnisse zur Sedimentologie, Taphonomie und Paläoökologie der Dinotheriensande des Urrheins in Rheinhessen geben weiteren Aufschluß über die tektonosedimentäre und paläoökologische Entwicklung des Urrheins. Die als Dinotheriensande bekannten Ablagerungen des Urrheins, deren Bildung nach biostratigraphischen Kleinsäugerfunden ins Obermiozän (Vallesium, MN 9, ca. 10,5 - 11 Ma.) gestellt werden, zeichnen sich durch fossile Wirbeltierfragmente teils großer Säugetiere sowie grober Gerölle überwiegend an der Basis, in einigen Bereichen auch aus Grobsand sowie größtenteils aus Fein- bis Mittelsand bestehenden fluviatilen Sedimenten aus. Der im heutigen Raum von Eppelsheim unter einer Ca. 3 m mächtigen Lössschicht liegende ehemalige Flusslauf des Urrheins floß von Worms und Westhofen aus dem Süden kommend entlang einer tektonisch bedingten Schwächezone in Eppelsheim nach Norden über Bermersheim Richtung Wißberg und Sprendlingen weiter nach Bingen. Dabei räumte die anfänglich sehr starke Strömung die durch tektonische Bewegung und eventuelle Verkarstung geschwächten Kalke der Inflata-Schichten (Aquitanium, Unter Miozän) und den Oberen Cerithienschichten (Chattium, oberstes Ober Oligozän bis Aquitanium, Unter Miozän) zu einem Flussbett aus. Die dabei durch die starke Strömung mitgeführten gut gerundeten, max. 170 mm großen Gerölle und Wirbeltierfragmente wurden an der Basis der Dinotheriensande über den abdichtenden Tonen der oligozänen Süßwasserschichten, in Verbindung mit glimmerfreien Grobsanden, abgelagert. Neben den Grobsanden (0,63 - 2 mm) an der Basis zwischen den großen Geröllen bestehen die Dinotheriensande überwiegend aus Feinsand (0,06 - 0,2 mm) und Mittelsand (0,2 - 0,63 mm), teils in gradierter Schichtung. In einigen Bereichen kommen immer wieder auch Grobsande und kleine bis mittelgroße Gerölle bis zum Top vor. Dabei erreichen die aus mehreren Schichtkörpern bestehenden Ablagerungen der Dinotheriensande bei Eppelsheim eine Gesamtmächtigkeit von 6,96 m. Die einzelnen Schichtkörper dieser Ablagerungen zeigen überwiegend Schrägschichtung, wobei die einzelnen Schichtungsblätter tangentiale Schrägschichtung erkennen lassen. Die Auswertung der Vorschüttungsrichtung aus Schrägschichtungsmessungen ergeben für die Hauptrichtung der Paläoströmung über der Basis eine Strömung aus SSE kommend, wobei die Strömung im weiteren Verlauf der Ablagerungen im Grabungsbereich von Eppelsheim von SE bis hin zum Top der Dinotheriensande von SSW kommend wechselt. Dabei lassen sich in den Ablagerungen der Dinotheriensande mit einer Gesamtmächtigkeit von 6,96 m schwerpunktmäßig von der Basis bis zum Top drei Fossilhorizonte erkennen. Hierbei variiert die Höhe des 2. Fossilhorizontes, von der Basis des 1. Fossilhorizontes in den Dinotherie~sandenü ber dem Ton der Süßwasserschichten gemessen, bei Ca. 140 - 150 Cm, sowie die Höhe des 3. Fossilhorizontes bei Ca. 400 - 410 cm. Neben der Anreicherung von fossilen Wirbeltierresten und den großen Geröllen an der Basis befinden sich in den Dinotheriensanden auch bis zu 50 mm große Gerölle, die überwiegend in dem 2. und 3. Fossilhorizont abgelagert wurden. Die Analyse von 10000 unterschiedlichen Geröllen ergab eine Zusammensetzung von gut gerundeten Quarzarten, Quarzite, Sandsteine, Kieselschiefer, Hornsteine, unterschiedliche Variationen von Chalzedon sowie Karneol, Rhyolith und Granit von der Basis bis zum Top der Dinotheriensande. Zwischen den Sanden eingeschaltete große Tonlinsen machen den Eindruck ehemaliger abgebrochener Uferbruchstücke, zumal sie teilweise mit großen Geröllen sedimentiert wurden. Die eigentlichen Sande bestehen aus überwiegend gut bis kantengerundetem Quarzsand, mit einem Glimmer-Anteil von Muskovit, etwas Biotit und im geringem Maße Phlogopit. Das Schwermineralspektrum setzt sich aus Granat, Apatit, Amphibol, Staurolith, Turmalin, Zirkon, Alterit, Hypersthen, Spinell, Siderit, Rutil, Topas, Gips und Augit sowie einem hohen Gehalt an opaken Mineralen zusammen. Die fossilen Wirbeltierfragmente, von Proboscidae, Rhinocerotidae, Equidae, Suidae, Cervidae, Bovidae, Tragulidae, Anthracotheriidae, Tapiroidae, Castoridae, unterschiedliche Arten von Carnivora sowie von Primaten und Insectivora stammend, bestehen zum größten Teil aus deren Zahnen und Zahnfragmenten. Weitere craniale und postcraniale Fragmente kommen gegenüber den Zähnen in geringerem Umfang vor. Fast alle Fragmente sind leicht bis stark abgerollt (Abrollungsgrad). Der größte Teil der Knochenfragmente zeigt ein einheitliches Bruchmuster, welches sich durch eine sägezahnförmige Fraktur mit scharfen Bruchkanten kennzeichnet. Einige Spuren in Form von Oberflächenmarken an den fossilen Knochen und Zähnen zeigen neben Bißspuren von Carnivora auch postmortale Spuren von Insekten und Nagern. Trockenrisse deuten auf eine mehr oder weniger längere Liegezeit der Kadaver bzw. der Skelette, Teilskelette oder vereinzelter Knochen an der Erdoberfläche vor der eigentlichen Sedimentation in den Dinotheriensanden hin. Auffallend finden sich die fossilen Wirbeltierreste in den Dinotheriensanden fast immer in unartikulierter und vereinzelter Fundlage, ausgenommen im Strömungsschatten größerer Objekte, wie zum Beispiel der große Kalkklotz im Grabungsbereich von Eppelsheim. Dabei handelt es sich um eine durchmischte Ansammlung von unartikulierten Wirbeltier-Fragmenten (Voorhies-Gruppen). Seit Beginn des 19. Jahrhunderts kamen die durch Zufall ausgegrabenen fossilen Wirbeltierreste aus den sogenannten Sandkauten Rheinhessens durch Ankauf ins Hessische Landesmuseum von Darmstadt (HLMD) und, neben anderen Instituten im In- und Ausland sowie einigen Privatsammlungen, ins Naturhistorische Museum von Mainz (NHMM). Die seit 1996 jährlich laufenden wissenschaftlichen Grabungen des Forschungsinstituts Senkenberg / Frankfurt a. Main (FIS) und im Anschluss des NHMM in Eppelsheim lieferten zu diesen historischen Sammlungen weitere Funde. Derzeit sind im HLMD 3217, im NHMM 5432 und im FIS 2278 fossile Funde aus den Dinotheriensanden von Rheinhessen inventarisiert (Stand: Frühjahr 2006). Die bei der Auswertung gewonnenen Daten der bestimmbaren, teilbestimmbaren und unbestimmbaren Funde aller drei Museen (HLMD, NHMM U. FIS) lieferten neben den schon erwahnten Daten über Abrollungsgrad, Bruchmuster, Oberflächenmarken und Voorhies- Gruppen, auch die über die orientierten Zähne ermittelbaren Werte der Mindestanzahl von Individuen aus den bekannten Fundorten in Rheinhessen. Über den Abkauungsgrad der Zähne, in Verbindung mit ihrer natürlichen Position, ließ sich das Altersspektrum dieser Individuen erstellen. Daneben wurde die Fossilienfarbe erfasst, mit deren Hilfe man die Funde in den historischen Sammlungen zur nachträglich Bestimmung des Fundhorizontes benutzen kann, da durch postsedimentäre Ausfällungen die Dinotheriensande, inklusive der darin befindlichen Fossilien, von der Basis bis zum Top unterschiedlich gefärbt sind. Schließlich wurde über die durchschnittlichen Gewichtsdaten der rezenten Vertreter der hier zu behandelten Tierarten eine Verteilungsübersicht in den drei bekannten Museen (HLMD, NHMM u. FIS) erstellt.
The evolution and interrelationships of carnivorous squamates (mosasaurs, snakes, monitor lizards, Gila Monsters) are a contentious part of reptile systematics and go to the heart of conflict between morphological and molecular data in inferring evolutionary history. One of the best-preserved fossils in this motley grouping is “Saniwa” feisti Stritzke, 1983, represented by complete skeletons from the early-middle Eocene of Messel, Germany. We re-describe it on the basis of superficial examination, stereoradiography, and high-resolution X-ray computed tomography of new and published specimens. The scalation of the lizard is unique, consisting of small, keeled scales on the head (including a row of enlarged medial supraorbitals) and large, rhomboidal, keeled scales (invested by osteoderms) that covered the rest of the body. Two paired longitudinal rows of enlarged scales ran down the neck. The head was laterally compressed and box-shaped due to the presence of a strong canthal-temporal ridge; the limbs and tail were very long. Notable osteological features include: a toothed, strap-like vomer; septomaxilla with a long posterior process; palpebral with a long posterolateral process; a lacrimal boss and a single lacrimal foramen; a well-developed cultriform process of the parabasisphenoid; two hypoglossal (XII) foramina in addition to the vagus; a lack of resorption pits for replacement teeth; and possibly the presence of more than one wave of developing replacement teeth per locus. There are no osteological modifications suggestive of an intramandibular hinge, but postmortem displacement of the angular-prearticular-surangular complex in multiple specimens suggests that there might have been some degree of mobility in the lower jaw based on soft-tissue modifications. Using phylogenetic analyses on a data-set comprising 473 morphological characters and 46 DNA loci, we infer that a monophyletic Palaeovaranidae Georgalis, 2017, including Eosaniwa Haubold, 1977, lies on the stem of Varanidae Merrem, 1820, basal to various Cretaceous Mongolian taxa. We transfer feisti to the new genus Paranecrosaurus n. gen. Analysis of gut contents reveals only the second known specimen of the cryptozoic lizard Cryptolacerta hassiaca Müller, Hipsley, Head, Kardjilov, Hilger, Wuttke & Reisz, 2011, confirming a diet that was at least partly carnivorous; the preservation of the teeth of C. hassiaca suggests that the gastric physiology of Paranecrosaurus feisti (Stritzke, 1983) n. comb. had high acidity but low enzyme activity. Based on the foregoing and linear discriminant function analysis, we reconstruct P. feisti n. comb., as a powerful, widely roaming, faunivorous-carnivorous stem monitor lizard with a sensitive snout. If the molecular phylogeny of anguimorphs is correct, then many of the features shared by Helodermatidae Gray, 1837 and Varanidae must have arisen convergently, partly associated with diet. In that case, a reconciliation of morphological and molecular data would require the discovery of equally primitive fossils on the helodermatid stem.
The LPJ-GUESS dynamic vegetation model uniquely combines an individual- and patch-based representation of vegetation dynamics with ecosystem biogeochemical cycling from regional to global scales. We present an updated version that includes plant and soil N dynamics, analysing the implications of accounting for C-N interactions on predictions and performance of the model. Stand structural dynamics and allometric scaling of tree growth suggested by global databases of forest stand structure and development were well-reproduced by the model in comparison to an earlier multi-model study. Accounting for N cycle dynamics improved the goodness-of-fit for broadleaved forests. N limitation associated with low N mineralisation rates reduces productivity of cold-climate and dry-climate ecosystems relative to mesic temperate and tropical ecosystems. In a model experiment emulating free-air CO2 enrichment (FACE) treatment for forests globally, N-limitation associated with low N mineralisation rates of colder soils reduces CO2-enhancement of NPP for boreal forests, while some temperate and tropical forests exhibit increased NPP enhancement. Under a business-as-usual future climate and emissions scenario, ecosystem C storage globally was projected to increase by c. 10 %; additional N requirements to match this increasing ecosystem C were within the high N supply limit estimated on stoichiometric grounds in an earlier study. Our results highlight the importance of accounting for C-N interactions not only in studies of global terrestrial C cycling, but to understand underlying mechanisms on local scales and in different regional contexts.
The LPJ-GUESS dynamic vegetation model uniquely combines an individual- and patch-based representation of vegetation dynamics with ecosystem biogeochemical cycling from regional to global scales. We present an updated version that includes plant and soil N dynamics, analysing the implications of accounting for C–N interactions on predictions and performance of the model. Stand structural dynamics and allometric scaling of tree growth suggested by global databases of forest stand structure and development were well reproduced by the model in comparison to an earlier multi-model study. Accounting for N cycle dynamics improved the goodness of fit for broadleaved forests. N limitation associated with low N-mineralisation rates reduces productivity of cold-climate and dry-climate ecosystems relative to mesic temperate and tropical ecosystems. In a model experiment emulating free-air CO2 enrichment (FACE) treatment for forests globally, N limitation associated with low N-mineralisation rates of colder soils reduces CO2 enhancement of net primary production (NPP) for boreal forests, while some temperate and tropical forests exhibit increased NPP enhancement. Under a business-as-usual future climate and emissions scenario, ecosystem C storage globally was projected to increase by ca. 10%; additional N requirements to match this increasing ecosystem C were within the high N supply limit estimated on stoichiometric grounds in an earlier study. Our results highlight the importance of accounting for C–N interactions in studies of global terrestrial N cycling, and as a basis for understanding mechanisms on local scales and in different regional contexts.
In Oppenwehe, ca. 2 km östlich der Stemweder Berge, befindet sich zwischen dem Oppenweher Moor im Norden und dem Großen Dieckfluß im Süden eine ca. 3 km lange und 1 km breite Erhebung. Sie überragt das umgebende Flachland um ca. 5-6 m und bildet vermutlich das nordwestliche Ende einer bei Hille westlich von Minden verlaufenden saalezeitlichen Stauchungsstruktur, die sich anscheinend in einer Reihe von Rücken bis nach Oppenwehe fortsetzt. In der seit Herbst 1995 am Ostrand von Oppenwehe bestehenden Abgrabung der Fa. Lindemann, Lemförde, konnten detaillierte Beobachtungen zum inneren Aufbau und damit zum Entstehungsablauf dieser Struktur gewonnen werden. Es liegt hier eine glaziäre Abfolge ("Serie") von Vorschüttsanden, Grundmoräne und Nachschüttbildungen vor, die verfaltet und verschuppt ist. Daraus läßt sich eine zweimalige Überfahrung dieses Raumes durch das saalezeitliche Inlandeis ableiten. Eine wenige Meter südlich der Sandgrube abgeteufte Rammkernbohrung erbrachte darüber hinaus Aufschluß über den tieferen Teil der Schichtenfolge des Quartärs. Sie umfaßt holsteinzeitliche Ablagerungen und endet mit einer elsterzeitlichen Grundmoräne, die unmittelbar auf Tonsteinen der Unterkreide liegt.
The ambient and laboratory molecular and ion clusters were investigated. Here we present data on the ambient concentrations of both charged and uncharged molecular clusters as well as the performance of a pulse height condensation particle counter (PH-CPC) and an expansion condensation particle counter (E-CPC). The ambient molecular cluster concentrations were measured using both instruments, and they were deployed in conjunction with ion spectrometers and other aerosol instruments in Hyytiälä, Finland at the SMEAR II station during 1 March to 30 June 2007. The observed cluster concentrations varied and were from ca. 1000 to 100 000 cm−3. Both instruments showed similar concentrations. The average size of detected clusters was approximately 1.8 nm. As the atmospheric measurements at sub 2-nm particles and molecular clusters are a challenging task, and we were most likely unable to detect the smallest clusters, the reported concentrations are our best estimates for minimum cluster concentrations in boreal forest environment.
This study presents an evaluation of a pulse height condensation particle counter (PH-CPC) and an expansion condensation particle counter (E-CPC) in terms of measuring ambient and laboratory-generated molecular and ion clusters. Ambient molecular cluster concentrations were measured with both instruments as they were deployed in conjunction with an ion spectrometer and other aerosol instruments in Hyytiälä, Finland at the SMEAR II station between 1 March and 30 June 2007. The observed cluster concentrations varied and ranged from some thousands to 100 000 cm -3. Both instruments showed similar (within a factor of ~5) concentrations. An average size of the detected clusters was approximately 1.8 nm. As the atmospheric measurement of sub 2-nm particles and molecular clusters is a challenging task, we conclude that most likely we were unable to detect the smallest clusters. Nevertheless, the reported concentrations are the best estimates to date for minimum cluster concentrations in a boreal forest environment.
Rodrigues Ridge connects the Réunion hotspot track with the Central Indian Ridge (CIR) and has been suggested to represent the surface expression of a sub-lithospheric flow channel. From global earthquake catalogues, the seismicity in the region has been associated mainly with events related to the fracture zones at the CIR. However, some segments of the CIR appear void of seismic events. Here, we report on the seismicity recorded at a temporary array of 10 seismic stations operating on Rodrigues Island from September 2014 to June 2016. The array analysis was performed in the time domain by time shifting and stacking the complete waveforms. Event distances were estimated based on a 1-D velocity model and the travel time differences between S and P wave arrivals. We detected and located 63 new events that were not reported by the global networks. Most of the events (51) are located off the CIR and can be classified as intraplate earthquakes. Local magnitudes varied between 1.6 and 3.7. Four seismic clusters were observed that occurred to the west of the spreading segment of the CIR. The Rodrigues Ridge appeared to be aseismic during the period of operation. The lack of seismic activity along both Rodrigues Ridge and the sections of the CIR to the east of Rodrigues may be explained by partially molten upper-mantle material, possibly in relation to the proposed material flow between the Réunion plume and the CIR.
Indian Ocean came into existence with the breakup of Gondwana in the Mesozoic era. The presence of complex aseismic ridges and plateaus in the Indian Ocean makes it the least-understood of all the oceans. Mascarene Plateau, apart from Central Indian Ridge (CIR) running north-south between 2◦N and 25◦S in the Indian Ocean, is one such complex feature in the Indian Ocean that consists of Seychelles microcontinent in the north and the volcanic islands of Mauritius, La Réunion and Rodrigues in the south.
Most of the previous seismological studies on the islands of Mauritius, Rodrigues and Seychelles are restricted as each of them has only one operational permanent station. In the current study, I present the results obtained from the investigations of the seismological data obtained from the deployment of temporary seismic network on Mauritius (November, 2012–August, 2014) and Seychelles (March, 2013–March, 2015) under Réunion Hotspot and Upper Mantle–Réunions Unterer Mantel (RHUM–RUM) project and later in Rodrigues (September, 2014–June, 2016) under a collaborative project between Goethe-Universität, Frankfurt, Germany and Mauritius Oceanography Institute (MOI), Mauritius. Additional data from the permanent stations were also used in this study. The investigations and results are presented under three themes, namely: (1) crustal structure beneath Mauritius, (2) upper mantle anisotropy below Mauritius, Rodrigues and Seychelles and (3) intraplate seismicity in the Rodrigues–CIR region.
Upper mantle anisotropy in south-west Indian Ocean region are very limited, especially from the islands of Mauritius and Rodrigues. With the new data from the seismic stations deployed in Mauritius and Seychelles, under RHUM–RUM, and permanent stations in Rodrigues, I constrain the upper mantle flow pattern beneath these islands. From the joint-splitting analysis, I obtain fast-polarisation direction (φ) dominant in N80◦E and delay time (δt) of ≈0.85 s for Mauritius and φ tending east–west in Rodrigues with δt of ≈1.1 s. Parabolic asthenospheric flow model explains the orientation of the fast-polarisation direction beneath Mauritius, whereas deep mantle circulation patterns best explain the horizontal alignment of the fast-polarisation direction in Rodrigues. From Seychelles data, the results show φ trending NE and δt ≈0.74 s, even for the island close to Amirante Ridge, suggesting an asthenospheric deformation induced by relative motion between the plate and the deep mantle flow.
It has recently been suggested that the volcanic island of Mauritius may be underlain by a remnant of continental origin termed “Mauritia.” To constrain the crustal thickness beneathMauritius, I analysed data from 11 land stations, 10 of which were deployed recently under the RHUM–RUM project. From the recordings, I obtained 382 P-receiver functions. On the obtained receiver functions, I applied the H–κ stacking technique and derived the crustal thickness of ≈10–15 km. I observe a considerable variation in the VP/VS ratio caused by a lack of clear multiples. Using forward modelling of receiver functions, I show that the lack of clear multiples can be explained by a transitional Moho, where the velocity increases gradually. The modelling further indicates that the thickness of this gradient zone is estimated to be ≈10 km. I argue that my findings suggest oceanic crust thickened by crustal underplating due to the mantle plume currently located beneath La Réunion.
Seismicity around Rodrigues Island is generally associated with events recorded by the global networks along the CIR. Using seismological array techniques on the data collected by the temporary deployment of seismic array on Rodrigues Island for a period of 22 months (September, 2014–June 2016), 62 new events were located, which were not reported by any global network. Determination of backazimuth and apparent velocity were performed by applying array methods in the time-domain instead of the more conventional frequency-domain analysis. Event distances were calculated using a 1-D velocity model and the measured travel-time differences between S- and P-wave arrivals. Local magnitudes of the events were obtained by removing the velocity response from the seismographs and then convolving with Wood–Anderson transfer function to obtain ground motion in nanometers. Most of the newly-detected events are located off the ridge axis and can be classified as intraplate events. Three different seismic clusters were observed around the island. Most of the events were localised in the north-east of Rodrigues at a distance of ≈138 km from the reference station. A distinguishable swarm of earthquakes was observed on the west of the spreading segment from March to April 2015. The local magnitudes (ML) of the events varied between 1.6 and 3.7.
Die folgende Arbeit ist eine von drei Dissertationen des interdisziplinären Forschungsvorhabens „Landschaftsarchäologie im Hessischen Ried“, das im Rahmen des Frankfurter Graduiertenkollegs „Archäologische Analytik“ stattfand. Das Projekt bestand aus einer archäologisch-historischen (MAURER 2003), einer bodenkundlichen (KANNENGIEßER Diss. in Arbeit) sowie dieser palynologischen Dissertation. Gemeinsam beschäftigen sich diese Arbeiten mit der Landschaftsrekonstruktion des nördlichen Hessischen Rieds. Die palynologischen Untersuchungen hatten das Ziel, die bisher weitgehend unbekannte ‚jüngere’ Vegetationsgeschichte von der vorrömischen Eisenzeit bis etwa zum 5. Jh. n. Chr. zu rekonstruieren. Zwischen der Eisenzeit und dem Frühmittelalter gab es im Hessischen Ried mehrere kulturelle Umbrüche. In der Spätlatènezeit siedelte eine keltische Bevölkerungsgruppe im nördlichen Hessischen Ried. Deren Spur verliert sich aber im 1. Jh. v. Chr. Erst nach einer ‚Fundlücke’ von etwa 50 Jahren findet man schließlich Überreste eine elbgermanische Population (LENZ-BERNHARD & BERNHARD 1991). Über Lebensweise und Anzahl dieser germanischen Bevölkerung wissen wir fast nichts. Zumindest ein Teil von ihnen aber diente im römischen Heer. Etwa ab dem Jahr 13/12 v. Chr. in augusteischer Zeit stand das Ried unter dem Einfluss des seitdem am Rhein stationierten römischen Militärs (MAURER 2003). Im Zuge der Okkupation kamen römische Soldaten mitsamt ihrem Tross von Angehörigen und Marketendern an den Rhein. Da sehr wenig über die zuvor ansässige Bevölkerung bekannt ist, ist es unklar, wie sich die Bevölkerungsstärke und damit der Bedarf an landwirtschaftlicher Nutzfläche während dieser Zeit veränderte. In der mittleren Kaiserzeit (ca. 70–260 n. Chr.) bildete das Hessische Ried das südöstliche Vorfeld der Provinzhauptstadt Mogontiacum (Mainz) bzw. das Umland des Auxiliarkastells/Zivilvicus Groß-Gerau-„Auf Esch“. In die sog. „agri decumates“ rechts des Rheins (Tacitus, GERMANIA 29, 3) gesellten sich nach und nach noch gallische Siedler zur römischen Bevölkerung. Es ist zu erwarten, dass sich die kulturellen Umbrüche dieser Zeit auch im Landschaftsbild widerspiegelten. Beispielsweise werden vielerorts den Römern die ersten großflächigen Waldrodungen und Raubbau an der Landschaft zugeschrieben (BEHRE 1988, CÜPPERS 1990, DUMAYNE 1993). In den letzten Jahren mehren sich allerdings die Indizien dafür, dass zumindest in einigen Gebieten einschneidende Landschaftseingriffe bereits in der Eisenzeit stattgefunden haben und die Landschaft bei Ankunft der Römer schon weitgehend entwaldet und anthropogen geprägt war (BUNNIK et al. 1995, STOBBE 1996, 2000, STOBBE & KALIS 2001, 2002, DÖRFLER et al. 2000, KOOISTRA 1996, DUMAYNE 1993, DUMAYNE-PEATY 1998). Auch für das nördliche Hessische Ried bestätigt die vorliegende Arbeit dieses Bild. Schon in der Eisenzeit entstand im Hessischen Ried eine weitgehend geöffnete Landschaft mit Grünlandflächen und Äckern. Die Vegetationsveränderungen beim Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit (um 800 BC) sind dabei weit deutlicher als beim Übergang von der Eisenzeit zur Römischen Kaiserzeit. In der Römerzeit wurde zwar der Ackerbau intensiviert und einige typische Kulturpflanzen wurden eingeführt, doch das restliche Pollenspektrum verändert sich kaum. Beim Rückzug der römischen Armee vom Odenwaldlimes kam es zu einer leichten Regeneration der Buche im Umland. Während der Völkerwanderungszeit sieht man in den Profilen keine deutliche Waldregeneration, sondern nur einen leichten Rückgang der Bewirtschaftung.
Aus der Venedigergruppe
(1865)
Amines are potentially important for atmospheric new particle formation, but their concentrations are usually low with typical mixing ratios in the pptv range or even smaller. Therefore, the demand for highly sensitive gas-phase amine measurements has emerged in the last several years. Nitrate chemical ionization mass spectrometry (CIMS) is routinely used for the measurement of gas-phase sulfuric acid in the sub-pptv range. Furthermore, extremely low volatile organic compounds (ELVOCs) can be detected with a nitrate CIMS. In this study we demonstrate that a nitrate CIMS can also be used for the sensitive measurement of dimethylamine (DMA, (CH3)2NH) using the NO3−•(HNO3)1 − 2• (DMA) cluster ion signal. Calibration measurements were made at the CLOUD chamber during two different measurement campaigns. Good linearity between 0 and ∼ 120 pptv of DMA as well as a sub-pptv detection limit of 0.7 pptv for a 10 min integration time are demonstrated at 278 K and 38 % RH.
Amines are potentially important for atmospheric new particle formation, but their concentrations are usually low with typical mixing ratios in the pptv range or even smaller. Therefore, the demand for highly sensitive gas-phase amine measurements has emerged in the last several years. Nitrate chemical ionization mass spectrometry (CIMS) is routinely used for the measurement of gasphase sulfuric acid in the sub-pptv range. Furthermore, extremely low volatile organic compounds (ELVOCs) can be detected with a nitrate CIMS. In this study we demonstrate that a nitrate CIMS can also be used for the sensitive measurement of dimethylamine (DMA, (CH3/2NH) using the NO3−•(HNO3)1 − 2• (DMA) cluster ion signal. Calibration measurements were made at the CLOUD chamber during two different measurement campaigns. Good linearity between 0 and ~120 pptv of DMA as well as a sub-pptv detection limit of 0.7 pptv for a 10 min integration time are demonstrated at 278K and 38% RH.
Felsen haben wegen ihrer besonderen landschaftsprägenden Bedeutung schon früh die Aufmerksamkeit des Menschen auf sich gezogen, und eine Fülle geschichtsträchtiger und kultureller Zentren des Menschen befinden sich bis heute an und um Felsen. Felsen sind aber auch Extremstandorte und die hier lebenden Tiere und Pflanzen vielfach hochangepaßte Spezialisten. Im Rahmen der Umsetzung der FFH-Richtlinie ihrer Bedeutung als Lebensraum vieler seltener und zum Teil bedrohter Arten Rechnung getragen. Im Folgenden werden neben typischen Farn- und Blütenpflanzen auch einige Moose und Flechten vorgestellt. Da die meisten Moos- und Flechtenarten keine deutschen Namen tragen, werden die botanischen Namen verwendet.
Samples of freshly fallen snow were collected at the high alpine research station Jungfraujoch, Switzerland, during the Cloud and Aerosol Characterization Experiments (CLACE) 5 in February and March 2006. Sampling was carried out on the Sphinx platform. Headspace-solid-phase-dynamic extraction (HS-SPDE) combined with gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) was used to quantify C6–C10 n-aldehydes in the snow samples. The most abundant n-aldehyde was n-hexanal (median concentration 1.324 micro g L -1) followed by n-nonanal, n-decanal, n-octanal and n-heptanal (median concentrations 1.239, 0.863, 0.460, and 0.304 micro g L -1, respectively). A wide range of concentrations was found among individual snow samples, even for samples taken at the same time. Higher median concentrations of all n-aldehydes were observed when air masses reached Jungfraujoch from the north-northwest in comparison to air masses arriving from the southeast-southwest. Results suggest that the n-aldehydes detected most likely are of direct and indirect biogenic origin, and that they entered the snow through the particle phase.
Irrigation intensifies land use by increasing crop yield but also impacts water resources. It affects water and energy balances and consequently the microclimate in irrigated regions. Therefore, knowledge of the extent of irrigated land is important for hydrological and crop modelling, global change research, and assessments of resource use and management. Information on the historical evolution of irrigated lands is limited. The new global Historical Irrigation Dataset (HID) provides estimates of the temporal development of the area equipped for irrigation (AEI) between 1900 and 2005 at 5 arc-minute resolution. We collected subnational irrigation statistics from various sources and found that the global extent of AEI increased from 63 million ha (Mha) in 1900 to 112 Mha in 1950 and 306 Mha in 2005. We developed eight gridded versions of time series of AEI by combining subnational irrigation statistics with different data sets on the historical extent of cropland and pasture. Different rules were applied to maximize consistency of the gridded products to subnational irrigation statistics or to historical cropland and pasture data sets. The HID reflects very well the spatial patterns of irrigated land in the western United States as shown on historical maps. Mean aridity on irrigated land increased and river discharge decreased from 1900–1950 whereas aridity decreased from 1950–2005. The dataset and its documentation are made available in an open data repository at https://mygeohub.org/publications/8 (doi:10.13019/M2MW2G).
Irrigation intensifies land use by increasing crop yield but also impacts water resources. It affects water and energy balances and consequently the microclimate in irrigated regions. Therefore, knowledge of the extent of irrigated land is important for hydrological and crop modelling, global change research, and assessments of resource use and management. Information on the historical evolution of irrigated lands is limited. The new global historical irrigation data set (HID) provides estimates of the temporal development of the area equipped for irrigation (AEI) between 1900 and 2005 at 5 arcmin resolution. We collected sub-national irrigation statistics from various sources and found that the global extent of AEI increased from 63 million ha (Mha) in 1900 to 111 Mha in 1950 and 306 Mha in 2005. We developed eight gridded versions of time series of AEI by combining sub-national irrigation statistics with different data sets on the historical extent of cropland and pasture. Different rules were applied to maximize consistency of the gridded products to sub-national irrigation statistics or to historical cropland and pasture data sets. The HID reflects very well the spatial patterns of irrigated land as shown on historical maps for the western United States (around year 1900) and on a global map (around year 1960). Mean aridity on irrigated land increased and mean natural river discharge on irrigated land decreased from 1900 to 1950 whereas aridity decreased and river discharge remained approximately constant from 1950 to 2005. The data set and its documentation are made available in an open-data repository at https://mygeohub.org/publications/8 (doi:10.13019/M20599).
The Land and Water Development Division of the Food and Agriculture Organization of the United Nations and the Johann Wolfgang Goethe University, Frankfurt am Main, Germany, are cooperating in the development of a global irrigation-mapping facility. This report describes an update of the Digital Global Map of Irrigation Areas for the continents of Africa and Europe as well as for the countries Argentina, Brazil, Mexico, Peru and Uruguay in Latin America. For this update, an new inventory of subnational irrigation statistics was compiled. The reference year for the statistics is 2000. Adding up the irrigated areas per country as documented in the report gives a total of 48.8 million ha while the total area equipped for irrigation at the global scale is 278.8 million ha. The total number of subnational units in the inventory used for this update is 16 822 while the number of subnational units in the global inventory increased to 26 909. In order to distribute the irrigation statistics per subnational unit, digital spatial data layers and printed maps were used. Irrigation maps were derived from project reports, irrigation subsector studies, and books related to irrigation and drainage. These maps were digitized and compared with satellite images of many regions. In areas without spatial information on irrigated areas, additional information was used to locate areas where irrigation is likely, such as land-cover and land-use maps that indicate agricultural areas or areas with crops that are usually grown under irrigation.
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
A new version of a digital global map of irrigation areas was developed by combining irrigation statistics for 10825 sub-national statistical units and geo-spatial information on the location and extent of irrigation schemes. The map shows the percentage of each 5 arc minute by 5 arc minute cell that was equipped for irrigation around the year 2000. It is thus an important data set for global studies related to water and land use. This paper describes the data set and the mapping methodology and gives, for the first time, an estimate of the map quality at the scale of countries, world regions and the globe. Two indicators of map quality were developed for this purpose, and the map was compared to irrigated areas as derived from two remote sensing based global land cover inventories. We plan to further improve that data set; therefore comments, information and data that might contribute to that effort are highly welcome.
A new version of a digital global map of irrigation areas was developed by combining irrigation statistics for 10 825 sub-national statistical units and geo-spatial information on the location and extent of irrigation schemes. The map shows the percentage of each 5 arc minute by 5 arc minute cell that was equipped for irrigation around the year 2000. It is thus an important data set for global studies related to water and land use. This paper describes the data set and the mapping methodology and gives, for the first time, an estimate of the map quality at the scale of countries, world regions and the globe. Two indicators of map quality were developed for this purpose, and the map was compared to irrigated areas as derived from two remote sensing based global land cover inventories.
A new global crop water model was developed to compute blue (irrigation) water requirements and crop evapotranspiration from green (precipitation) water at a spatial resolution of 5 arc minutes by 5 arc minutes for 26 different crop classes. The model is based on soil water balances performed for each crop and each grid cell. For the first time a new global data set was applied consisting of monthly growing areas of irrigated crops and related cropping calendars. Crop water use was computed for irrigated land and the period 1998 – 2002. In this documentation report the data sets used as model input and methods used in the model calculations are described, followed by a presentation of the first results for blue and green water use at the global scale, for countries and specific crops. Additionally the simulated seasonal distribution of water use on irrigated land is presented. The computed model results are compared to census based statistical information on irrigation water use and to results of another crop water model developed at FAO.
Irrigation is the most important water use sector accounting for about 70% of the global freshwater withdrawals and 90% of consumptive water uses. While the extent of irrigation and related water uses are reported in statistical databases or estimated by model simulations, information on the source of irrigation water is scarce and very scattered. Here we present a new global inventory on the extent of areas irrigated with groundwater, surface water or non-conventional sources, and we determine the related consumptive water uses. The inventory provides data for 15 038 national and sub-national administrative units. Irrigated area was provided by census-based statistics from international and national organizations. A global model was then applied to simulate consumptive water uses for irrigation by water source. Globally, area equipped for irrigation is currently about 301 million ha of which 38% are equipped for irrigation with groundwater. Total consumptive groundwater use for irrigation is estimated as 545 km3 yr−1, or 43% of the total consumptive irrigation water use of 1 277 km3 yr−1. The countries with the largest extent of areas equipped for irrigation with groundwater, in absolute terms, are India (39 million ha), China (19 million ha) and the United States of America (17 million ha). Groundwater use in irrigation is increasing both in absolute terms and in percentage of total irrigation, leading in places to concentrations of users exploiting groundwater storage at rates above groundwater recharge. Despite the uncertainties associated with statistical data available to track patterns and growth of groundwater use for irrigation, the inventory presented here is a major step towards a more informed assessment of agricultural water use and its consequences for the global water cycle.
Irrigation is the most important water use sector accounting for about 70% of the global freshwater withdrawals and 90% of consumptive water uses. While the extent of irrigation and related water uses are reported in statistical databases or estimated by model simulations, information on the source of irrigation water is scarce and very scattered. Here we present a new global inventory on the extent of areas irrigated with groundwater, surface water or non-conventional sources, and we determine the related consumptive water uses. The inventory provides data for 15 038 national and sub-national administrative units. Irrigated area was provided by census-based statistics from international and national organizations. A global model was then applied to simulate consumptive water uses for irrigation by water source. Globally, area equipped for irrigation is currently about 301 million ha of which 38% are equipped for irrigation with groundwater. Total consumptive groundwater use for irrigation is estimated as 545 km3 yr−1, or 43% of the total consumptive irrigation water use of 1277 km3 yr−1. The countries with the largest extent of areas equipped for irrigation with groundwater, in absolute terms, are India (39 million ha), China (19 million ha) and the USA (17 million ha). Groundwater use in irrigation is increasing both in absolute terms and in percentage of total irrigation, leading in places to concentrations of users exploiting groundwater storage at rates above groundwater recharge. Despite the uncertainties associated with statistical data available to track patterns and growth of groundwater use for irrigation, the inventory presented here is a major step towards a more informed assessment of agricultural water use and its consequences for the global water cycle.
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 mantle xenoliths collected by kimberlites indicate that the subcratonic mantle underneath the Archean crust is mostly a residue of high degrees of partial melting which was subsequently reenriched. The majority of the xenoliths show cryptic metasomatism and only few modal metasomatism.
Much effort has been put into deciphering different kinds of enrichment processes within the mantle. Here, we take the approach to look into the inventory of subcalcic garnets which stem from cpx-free harzburgites and dunites. These subcalcic garnets, commonly with sinusoidal REE patterns, carry the major budget of the trace elements of their host rock. Thus, they are promising objects to study both depletion and enrichment. Most importantly, the analysis of a single grain subcalcic garnetwill provide almost all important information of the bulk rock. Our aim is to gain detailed information mainly on metasomatism on a craton wide scale by combining major, trace elements and Lu-Hf and Sm-Nd isotopic signatures from subcalcic garnets. Eventually, we will summarize the metasomatic agent(s) and processes and possibly the timing of the enrichment within the lithospheric mantle underneath the Kaapvaal craton.
Coccolithophores are an abundant phytoplankton group that exhibit remarkable diversity in their biology, ecology, and calcitic exoskeletons (coccospheres). Their extensive fossil record is testament to their important biogeochemical role and is a valuable archive of biotic responses to environmental change stretching back over 200 million years. However, to realise the potential of this archive requires an understanding of the physiological processes that underpin coccosphere architecture. Using culturing experiments on four modern coccolithophore species (Calcidiscus leptoporus, Calcidiscus quadriperforatus, Helicosphaera carteri and Coccolithus braarudii) from three long-lived families, we investigate how coccosphere architecture responds to shifts from exponential (rapid cell division) to stationary (slowed cell division) growth phases as cell physiology reacts to nutrient depletion. These experiments reveal statistical differences in cell size and the number of coccoliths per cell between these two growth phases, specifically that cells in exponential-phase growth are typically smaller with fewer coccoliths, whereas cells experiencing growth-limiting nutrient depletion have larger coccosphere sizes and greater numbers of coccoliths per cell. Although the exact numbers are species-specific, these growthphase
shifts in coccosphere geometry demonstrate that the core physiological responses of cells to nutrient depletion results in increased cell sizes and coccoliths per cell across four different coccolithophore families (Calcidiscaceae, Coccolithaceae, Isochrysidaceae, Helicosphaeraceae), a representative diversity of this phytoplankton group. Building on this, direct comparison of coccosphere geometries in modern and fossil coccolithophores enables a proxy for growth phase to be developed that allows growth responses to environmental change to be investigated throughout their evolutionary history. Our data also shows that changes in growth rate and coccoliths per cell associated with growth-phase shifts can substantially alter cellular calcite production. Coccosphere geometry is therefore a valuable tool for accessing growth information in the fossil record that provides unprecedented insights into the biotic responses of species to environmental change and its potential biogeochemical consequences.