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Als erste Ergebnisse der derzeit laufenden paläomagnetischen Untersuchungen im Rhein-Main-Gebiet werden die Befunde von einigen stratigraphisch bedeutenden Profilen mitgeteilt. Während die Remanenzwerte aus altpleistozänen Tonen der Kelsterbacher Terrasse mit einer Ausnahme revers sind, konnte im Autobahneinschnitt Abenheim (NW Worms) und im Lößprofil der Ziegeleigrube Bad Soden am Taunus der Ubergang von reverser zu normaler Magnetisierung gefunden werden. Die Grenze zwischen MATUYAMA- und BRUNHES-Epoche liegt im Profil Bad Soden unter dem 6., das Jaramillo-Event unter dem 7. fossilen Bt-Horizont.
Aus dem Gebiet der weichselzeitlichen Vereisung in Polen werden allgemein verbreitete geringmächtige periglaziale Deckschichten beschrieben. Sie zeigen in der Regel eine äolische Beeinflussung und unterscheiden sich dadurch vom Liegenden. Es handelt sich um spätglaziale Bildungen, wie sie aus dem Jungmoränengebiet der DDR seit langem bekannt sind. Ähnliche Substrate wurden auch im nördlichen Alpenvorland gefunden.
Im Lößprofil der Ziegelei Glos bei Lisieux ist eine Abfolge fossiler Boden aufgeschlossen, die sich gut mit der hessischen Lößstratigraphie verbinden läßt. Über dem letztinterglazialen Boden liegen nach einer Diskordanz der Lohner Boden, der E1-, der E2- und der E4-Naß-boden. Letzterer wird häufig als Äquivalent des „Sol de Kesselt" angesehen. Somit zeigt sich auch für dieses Gebiet, daß dieser Boden stratigraphisch nicht dem Lohner Boden entsprechen kann.
Der Auffassung, das Substrat der Lockerbraunerde auf dem Oberwald des Vogelsberges sei ausschließlich ein äolisches Sediment der Jüngeren Tundrenzeit, wird widersprochen. Verschiedene Befunde, vor allem 14C-Datierungen, lassen vielmehr den Schluß zu, daß große Teile des Substrates vieler Lockerbraunerden holozäne anthropogene Kolluvien sind. Bekräftigt wird dagegen der Befund gleichen (jungtundrenzeitlichen) Alters für Lockerbraunerde-Substrat und Deckschutt (Decksediment).
Throughout mankind’s history, the need to secure and protect the home settlement was an essential one. This holds especially true for the city of Ainos (modern Enez) in Turkish Thrace. Due to its continuous settlement history since the 7th/6th century BC, several different types of city walls were built—sometimes even on top of each other—several of which have been preserved over time. To decipher the construction style, the course and the age of a buried city wall segment in the southern part of the former city, a geoscientific multi-proxy approach including magnetic gradiometer (MG) and electrical resistivity tomography (ERT) measurements in combination with granulometrical, sedimentological and microfaunistical investigations on sediment cores was applied. We were able to (1) present reasonable arguments for its Hellenistic age; (2) reveal the course of this wall segment and extrapolate it further north into a less studied area; and (3) demonstrate that in this near-coastal area, the former swampy terrain had been consolidated for constructing the wall. Our multi-proxy approach serves as a valuable example for investigating buried structures in archaeological contexts, avoiding a less-economical, time-consuming, or even forbidden excavation.
We combined biostratigraphical analyses, archaeological surveys, and Glacial Isostatic Adjustment (GIA) models to provide new insights into the relative sea-level evolution in the northeastern Aegean Sea (eastern Mediterranean). In this area, characterized by a very complex tectonic pattern, we produced a new typology of sea-level index point, based on the foraminiferal associations found in transgressive marine facies. Our results agree with the sea-level history previously produced in this region, therefore confirming the validity of this new type of index point. The expanded dataset presented in this paper further demonstrates a continuous Holocene RSL rise in this portion of the Aegean Sea. Comparing the new RSL record with the available geophysical predictions of sea-level evolution indicates that the crustal subsidence of the Samothraki Plateau and the North Aegean Trough played a major role in controlling millennial-scale sea-level evolution in the area. This major subsidence rate needs to be taken into account in the preparation of local future scenarios of sea-level rise in the coming decades.
Die im Industriezeitalter und im globalen Mittel beobachtete Erwärmung der unteren Atmosphäre zeigt ausgeprägte regional-jahreszeitliche Besonderheiten (IPCC 2001, SCHÖNWIESE 2003, 2004). Dies gilt in noch höherem Maß für den Niederschlag (vgl. Kap. 3.1.2 und 3.1.8). Die Vermutung, dass eine solche Erwärmung zu einer Intensivierung des hydrologischen Zyklus führt, was im Prinzip zunächst richtig ist (vgl. Kap. 3.1.2), erweist sich jedoch als viel zu simpel, wenn daraus einfach auf eine generelle Niederschlagszunahme geschlossen wird. Dies gilt sogar innerhalb einer so kleinen Region wie Deutschland. Denn obwohl Deutschland im Mittel überproportional an der »globalen« Erwärmung teilnimmt (SCHÖNWIESE 2003, 2004), zeigen die Langzeitänderungen des Niederschlages im Detail ganz unterschiedliche Charakteristika. Dabei kann die hier vorgestellte Beschreibung der in Deutschland beobachteten Niederschlagtrends subregional noch wesentlich verfeinert werden, vgl. z.B. Analyse für Sachsen (FRANKE et al. 2004), da der Niederschlag eine nur geringe räumliche Repräsentanz aufweist (SCHÖNWIESE & RAPP 1997). Zeitliche Änderungen von Klimaelementen lassen sich nun in ganz unterschiedlicher Weise betrachten. Am meisten verbreitet sind lineare Trendberechnungen, wie sie auch einem Teil der hier vorliegenden Studie zugrunde liegen. Es können aber auch Trends anderer statistischer Kenngrößen als des Mittelwertes von Interesse sein, z.B. der Varianz. Häufigkeitsverteilungen, die in normierter Form Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen heißen, erlauben die Bestimmung solcher Kenngrößen in Form der Verteilungsparameter. Wird unter Nutzung geeigneter Verteilungen (z.B. Normal- oder Gumbelverteilung, vgl. unten Abb. 3.1.6-4) eine statistische Modellierung der jeweils betrachteten klimatologischen Zeitreihe vorgenommen, werden Aussagen über die Unter- bzw. Überschreitungswahrscheinlichkeiten bestimmter Schwellenwerte möglich, in verallgemeinerter Form für beliebige Schwellen und Zeiten (TRÖMEL 2004). Da dieser extremwertorientierte Aspekt von großer Wichtigkeit ist, soll auch ihm hier nachgegangen werden (vgl. alternativ Kap. 3.1.7 und 3.1.10). Die im Folgenden verwendeten Daten sind jeweils Monatssummen des Niederschlages 1901–2000 an 132 Stationen in Deutschland (teilweise unter Einbezug einiger Stationen in den angrenzenden Ländern), einschließlich der daraus abgeleiteten Flächenmittelwerte (sog. Rasterdaten; Quelle: Deutscher Wetterdienst, siehe u.a. MÜLLER-WESTERMEIER 2002; vgl. weiterhin RAPP & SCHÖNWIESE 1996, dort auch Hinweise zur Homogenitätsprüfung, sowie RAPP 2000).
Vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels und der Diskussion menschlicher Einflussnahme („anthropogener Treibhauseffekt“) ist anhand von Beobachtungsdaten der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlags untersucht worden, welche Strukturen die Klimaveränderungen in Hessen erkennen lassen. Dabei umfasst das betrachtete Gebiet den Bereich 49°- 52° Nord / 7°-11° Ost und schließt somit auch Teilgebiete der angrenzenden Bundesländer mit ein. Zeitlich lag der Schwerpunkt der Betrachtung auf dem Intervall 1951-2000, da aus dieser Zeit bei weitem die meisten Daten verfügbar sind (Temperatur 53, Niederschlag 674 Stationen). Darüber hinaus wurden aber auch Untersuchungen für die Zeit 1901 bis 2000 bzw. 2003 sowie für 30-jährige Subintervalle durchgeführt. Die Analysemethodik umfasst die Berechnung linearer Trends, einschließlich ihrer räumlichen Strukturen (Trendkarten), Aufdeckung von Fluktuationen (spektrale Varianzanalyse), Extremwertanalysen und die Diskussion natürlicher bzw. anthropogener Einflussfaktoren (Signalanalyse mittels multipler schrittweiser Regression). Die aus Tages-, Monats-, jahreszeitlichen und jährlichen Daten gewonnenen Ergebnisse sind überaus vielfältig und heterogen. Für das Flächenmittel Hessen ergibt sich 1951-2000 insgesamt (Jahresdaten) ein Temperaturanstieg von 0,9 °C mit dem Schwerpunkt im Winter (1,6 °C) und der geringsten Erwärmung im Herbst (0,2 °C). 1901-2003 liegen an den erfassten Stationen die jährlichen Erwärmungen bei 0,7 bis 1,8 °C; 30-jährig treten zum Teil auch Abkühlungen auf, insbesondere wenn die regional-jahreszeitlichen bzw. monatlichen Strukturen erfasst werden. Diese Strukturen sind beim Niederschlag noch weit ausgeprägter. Im Flächenmittel Hessen beträgt 1951-2000 der jährliche Niederschlagsanstieg 8,5 %, mit Maxima im Herbst (25 %) und Winter (22 %; Frühling 20%), während im Sommer ein Rückgang um 18 % eingetreten ist (mit Schwerpunkten im Juni und insbesondere August). Bei den Fluktuationen dominieren mittlere Perioden von ca. 2,2, 3,3, 5,5 und 7,5-8 Jahren, beim Niederschlag auch ca. 4,5 Jahre. Der Sonnenfleckenzyklus spiegelt sich in den analysierten Klimadaten nicht wider. Zusammen mit den Extremwerten sorgen diese Fluktuationen für zeitliche Instabilitäten der Klimatrends, insbesondere wenn relativ kurze (z.B. 30-jährige) Zeitabschnitte betrachtet werden. Die wiederum sehr vielfältigen und unterschiedlichen Ergebnisse der Extremwertanalyse spiegeln bei der Temperatur weitgehend die Trends wider, da sich die Streuung der Daten kaum verändert hat: d.h. Zunahme der Überschreitungswahrscheinlichkeit extrem warmer Ereignisse (insbesondere Frühling, überwiegend auch Sommer und Winter, am wenigsten im Herbst) und Abnahme der Unterschreitungswahrscheinlichkeit extrem kalter Ereignisse (dies im Winter bei den Tagesdaten jedoch sehr uneinheitlich). Beim Niederschlag sind die Abnahme extrem feuchter Monate im Sommer und die Zunahme extrem feuchter Tage im Herbst und Winter am auffälligsten. Langfristig folgen daraus ganz markante Änderungen der Jährlichkeiten. So ist beispielsweise 1901-2001 in Alsfeld die Jährlichkeit eines extrem feuchten Winters von 100 auf 5,6 Jahre zurückgegangen, die entsprechende Jährlichkeit eines extrem feuchten Sommers in Bad Camberg dagegen fast bis zur Unmöglichkeit angestiegen. Bei der Ursachendiskussion lässt sich in den Temperaturdaten ein deutlicher anthropogener Einfluss („Treibhauseffekt“) ausfindig machen. Abschließend wird diskutiert, inwieweit es sinnvoll ist, die beobachteten Trends, im Vergleich mit Modellprojektionen, in die Zukunft zu extrapolieren.
Vorwort: Klima ist vor allem deswegen nicht nur von wissenschaftlichem, sondern auch von öffentlichem Interesse, weil es veränderlich ist und weil solche Änderungen gravierende ökologische sowie sozioökonomische Folgen haben können. Im Detail weisen Klimaänderungen allerdings komplizierte zeitliche und räumliche Strukturen auf, deren Erfassung und Interpretation alles andere als einfach ist. Bei den zeitlichen Strukturen stehen mit Recht vor allem relativ langfristige Trends sowie Extremereignisse im Blickpunkt, erstere, weil sie den systematischen Klimawandel zum Ausdruck bringen und letztere wegen ihrer besonders brisanten Auswirkungen. Mit beiden Aspekten hat sich unsere Arbeitsgruppe immer wieder eingehend befasst. Hinsichtlich der Extremereignisse bzw. Extremwertstatistik sei beispielsweise auf die Institutsberichte Nr. 1, 2 und 5 sowie die dort angegebene Literatur hingewiesen. Hier geht es wieder einmal um Klimatrends und dabei ganz besonders um die räumlichen Trendstrukturen. Der relativ langfristige und somit systematische Klimawandel läuft nämlich regional sehr unterschiedlich ab, was am besten in Trendkarten zum Ausdruck kommt. Solche regionalen, zum Teil sehr kleinräumigen Besonderheiten sind insbesondere beim Niederschlag sehr ausgeprägt. Zudem sind die räumlichen Trendstrukturen auch jahreszeitlich/monatlich sehr unterschiedlich. In unserer Arbeitsgruppe hat sich Herr Dr. Jörg Rapp im Rahmen seiner Diplom- und insbesondere Doktorarbeit intensiv mit diesem Problem beschäftigt, was zur Publikation des „Atlas der Niederschlags- und Temperaturtrends in Deutschland 1891-1990“ (Rapp und Schönwiese, 2. Aufl. 1996) sowie des „Climate Trend Atlas of Europe – Based on Observations 1891-1990“ (Schönwiese und Rapp, 1997) geführt hat. Die große Beachtung dieser Arbeiten ließ es schon lange als notwendig erscheinen, eine Aktualisierung vorzunehmen. Dies ist zunächst für den Klima-Trendatlas Deutschland geschehen, der nun für das Zeitintervall 1901-2000 vorliegt (Institutsbericht Nr. 4, 2005). Hier wird nun auch eine entsprechende Aktualisierung für Europa vorgelegt, und zwar auf der Grundlage der Berechnungen, die Reinhard Janoschitz in seiner Diplomarbeit durchgeführt hat. Dabei besteht eine enge Querverbindung zum Projekt VASClimO (Variability Analysis of Surface Climate Observations), das dankenswerterweise vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen von DEKLIM (Deutsches Klimaforschungsprogramm) gefördert worden ist (siehe Institutsbericht Nr. 6, in den vorab schon einige wenige Europa-Klima-Trendkarten einbezogen worden sind). Mit der Publikation des hier vorliegenden „Klima-Trendatlas Europa 1901-2000“ werden in insgesamt 261 Karten (davon 17 Karten in Farbdarstellung in den Text integriert) wieder umfangreiche Informationen zum Klimawandel in Europa vorgelegt. Sie beruhen vorwiegend auf linearen Trendanalysen hinsichtlich der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlags für die Zeit 1901-2000 sowie für die Subintervalle 1951-2000, 1961-1990 und 1971-2000, jeweils aufgrund der jährlichen, jahreszeitlichen und monatlichen Beobachtungsdaten. Die Signifikanz der Trends ist im (schwarz/weiß wiedergegebenen) Kartenteil durch Rasterung markiert. Da sich die Analyse eng an die oben zitierte Arbeit von Schönwiese und Rapp (1997) anlehnt, wo ausführliche textliche Erläuterungen zu finden sind (ebenso in Rapp, 2000) wurde hier der Textteil sehr knapp gehalten.
Vorwort zur 1. Auflage Klima ist vor allem deswegen nicht nur von wissenschaftlichem, sondern auch von öffentlichem Interesse, weil es veränderlich ist und weil solche Änderungen gravierende ökologische sowie sozioökonomische Folgen haben können. Im Detail weisen Klimaänderungen allerdings komplizierte zeitliche und räumliche Strukturen auf, deren Erfassung und Interpretation alles andere als einfach ist. Bei den zeitlichen Strukturen stehen mit Recht vor allem relativ langfristige Trends sowie Extremereignisse im Blickpunkt, erstere, weil sie den systematischen Klimawandel zum Ausdruck bringen und letztere wegen ihrer besonders brisanten Auswirkungen. Hier geht es um den erstgenannten Aspekt, zu dem nun noch die räumlichen Strukturen treten. Der relativ langfristige und somit systematische Klimawandel läuft nämlich regional sehr unterschiedlich ab, was am besten in Trendkarten zum Ausdruck kommt. Solche regionalen, zum Teil sehr kleinräumigen Besonderheiten sind insbesondere beim Niederschlag sehr ausgeprägt. Schließlich sind die räumlichen Trendstrukturen auch jahreszeitlich bzw. monatlich sehr unterschiedlich. In unserer Arbeitsgruppe hat sich Jörg Rapp im Rahmen seiner Diplom- und insbesondere Doktorarbeit intensiv mit diese Problem beschäftigt, was zur Publikation des „Atlas der Niederschlags- und Temperaturtrends in Deutschland 1891-1990“ (Rapp und Schönwiese, 2. Aufl. 1996) sowie des „Climate Trend Atlas of Europe – Based on Observations 1891-1990“ (Schönwiese und Rapp, 1997) geführt hat. Die große Beachtung, die insbesondere der Klimatrendatlas Deutschland gefunden hat, ließ es schon lange als notwendig erscheinen, eine Aktualisierung vorzunehmen. Dieser Aufgabe hat sich in Form eines Fortgeschrittenenpraktikums Herr Reinhard Janoschitz gewidmet und die Aktualisierung für die Zeit 1901-2000, einschließlich Subintervallen, vorgenommen. Zudem hat er für 1951-2000 noch das Klimaelement Sonnenscheindauer hinzugenommen. Zur Zeit ist er im Rahmen seiner Diplomarbeit mit einer Neubearbeitung des Europäischen Klimatrendatlas befasst. Mit der Publikation des hier vorliegenden „Klimatrend-Atlas Deutschland 1901-2000“ werden in insgesamt 178 Karten (davon 20 Karten auch in Farbdarstellung in den Text integriert) wieder umfangreiche Informationen zum Klimawandel in Deutschland vorgelegt, und zwar mit Hilfe einer linearen Trendanalyse hinsichtlich der boden-nahen Lufttemperatur, des Niederschlags und der Sonnenscheindauer für die Zeit 1901-2000 sowie für die Subintervalle 1931-1960, 1961-1990 und 1971-2000 – Sonnenscheindauer allerdings nur 1951-2000 und 1971-2000 –, jeweils aufgrund der jährlichen, jahreszeitlichen und monatlichen Beobachtungsdaten. Die Signifikanz der Trends ist im (schwarz/weiß wiedergegebenen) Kartenteil durch Rasterung markiert. Methodisch lehnt sich die Analyse somit eng an die oben zitierte Arbeit von Rapp und Schönwiese (1996) an, wo auch ausführliche textliche Erläuterungen zu finden sind (ebenso in Rapp, 2000); deswegen wurde hier der Textteil sehr knapp gehalten. Hingewiesen sei schließlich auf ebenfalls für Deutschland durchgeführte Analysen klimatologischer Extremereignisse, die ebenfalls in der Reihe unserer Instituts-mitteilungen publiziert sind (Jonas et al., 2005; Trömel, 2005). Frankfurt a.M., im Herbst 2005 Christian-D. Schönwiese Vorwort zur 2. Auflage Das erfreulich große Interesse hat eine 2. Auflage erforderlich gemacht, die neben kleineren redaktionellen Verbesserungen bzw. Aktualisierungen vor allem die Erweiterung der in Kap. 4 vorgestellten Zeitreihen und einen ergänzenden Tabellenanhang jeweils bis 2007 enthält. So erfüllt dieser Atlas hoffentlich auch weiterhin seinen Informations-zweck. Im übrigen ist der im Vorwort zur 1. Auflage erwähnte „Klima-Trendatlas Europa“ mittlerweile als Nr. 7 (2008) der Reihe unserer Institutsberichte erschienen. Frankfurt a.M., im Sommer 2008 Christian-D. Schönwiese
Temporal changes in the occurrence of extreme events in time series of observed precipitation are investigated. The analysis is based on a European gridded data set and a German station-based data set of recent monthly totals (1896=1899–1995=1998). Two approaches are used. First, values above certain defined thresholds are counted for the first and second halves of the observation period. In the second step time series components, such as trends, are removed to obtain a deeper insight into the causes of the observed changes. As an example, this technique is applied to the time series of the German station Eppenrod. It arises that most of the events concern extreme wet months whose frequency has significantly increased in winter. Whereas on the European scale the other seasons also show this increase, especially in autumn, in Germany an insignificant decrease in the summer and autumn seasons is found. Moreover it is demonstrated that the increase of extreme wet months is reflected in a systematic increase in the variance and the Weibull probability density function parameters, respectively.
Die Zunahme der Konzentration von CO2 und anderen "Treibhausgasen" in der Atmosphäre ist unzweifelhaft, und ebenso unzweifelhaft reagiert das Klima darauf. Christian-Dietrich Schönwiese, Professor für Meteorologische Umweltforschung und Klimatologie an der Universität Frankfurt am Main, sieht dringenden politischen Handlungsbedarf und plädiert gleichzeitig dafür, die Debatte rund um den Klimaschutz zu versachlichen.
Im Rahmen der Diskussion des globalen bzw. regionalen Klimawandels sind, neben Extremereignissen, Langfristtrends von besonderem Interesse. Doch erfordert die ausgeprägte Klimavariabilität in Zeit und Raum spezielle regionale Detailuntersuchungen. Daher wird hier eine solche Analyse für Deutschland und die Klimaelemente bodennahe Lufttemperatur sowie Niederschlag vorgestellt, mit besonderem Blick auf die jahreszeitlichen/monatlichen Besonderheiten der Trends in ausgewählten Zeitintervallen zwischen 1891 und 2000. Am auffälligsten ist dabei die sich verstärkende winterliche Temperatur- und Niederschlagszunahme, während im Sommer, unter ebenfalls Erwärmung, eine Trendwende von abnehmendem zu in den letzten Dekaden zunehmendem Niederschlag eingetreten ist.
Die öffentliche Klimadebatte scheint sich zu verselbständigen. Abgehoben von den Erkenntnissen der Fachwissenschaftler reden die einen von der "Klimakatastrophe", die uns demnächst mit voller Wucht treffen wird, wenn wir nicht sofort alles ganz anders machen; Panik ist ihnen das rechte Mittel, Aufmerksamkeit zu erregen. Die anderen sehen im "Klimaschwindel" einen Vorwand für Forschungsgelder und zusätzliche Steuerbelastung der Wirtschaft; ihre Strategie ist Verwirrung und Verharmlosung. Mit der Fixierung auf solche Extrempositionen werden wir den Herausforderungen der Zukunft sicherlich nicht gerecht. Höchste Zeit für eine Versachlichung und für einen klärenden Beitrag zum Verwirrspiel "Klima".
Vielleicht hätte sich außerhalb der Fachwissenschaft niemand für das Weltklimaproblem interessiert, wären da nicht zwei brisante, miteinander gekoppelte Fakten: Die Menschheit ist hochgradig von der Gunst des Klimas abhängig. Es kann uns daher nicht gleichgültig sein, was mit unserem Klima geschieht. Und: Die Menschheit ist mehr und mehr dazu übergegangen, das Klima auch selbst zu beeinflussen. Daraus erwächst uns allen eine besondere Verantwortung. ...
Wenn sich beim Klimagipfel in Den Haag [genauer bei der nun schon 6. Vertragstaatenkonferenz zur Klimaschutzkonvention der Vereinten Nationen] nun wieder die Delegationen aus fast allen Staaten der Welt treffen, um über Klimaschutzmaßnahmen zu beraten, dann schwingt auch immer die Frage mit: Sind solche Maßnahmen wirklich notwendig? Sollen wir nicht einfach warten, bis wir mehr, ja vielleicht alles wissen? ...
Ein nördlich von Sulingen (TK 3318 Sulingen) gefundenes Flintkonglomerat wird beschrieben. Es ist ein vermutlich saaleeiszeitliches Geschiebe und wird von Koniferenwurzelresten durchzogen. Die Erhaltungszustände der Wurzeln und deren Verteilung im Gestein weisen das Konglomerat als ein primär durchwurzeltes Sediment aus. Es wird versucht, aufgrund petrographischer, sedimentologischer und paläobotanischer Befunde die Entstehung des wurzelführenden Flintkonglomerates als festländische Bildung skizzenartig zu umreißen. Das Flintkonglomerat wird einer Gruppe ähnlicher Geschiebe zugeordnet, die ØDUMS 1968 sehr detailliert aus Jütland beschrieb. Der Verfasser stellt - aufgrund der Befunde des vorliegenden Flintkonglomerates und einiger Schlußfolgerungen aus Literaturhinweisen bezüglich der primär eingebetteten Fossilien - die Auffassung ØDUMS hinsichtlich der Entstehung des Flintkonglomerates als eines marinen Sedimentes in Frage. Abschließend werden die Ausführungen ØDUMS zur Frage der vermutlichen Lage des Anstehenden und die Angaben KOCHS zur Frage der stratigraphischen Einordnung der Flintkonglomerate als spät-tertiäre Bildungen kurz zusammengefaßt dargelegt.
Etwa 7 km südlich des Teutoburger Waldes bei Bad Iburg liegt im Gebiet der Laerer Heide ein großer, langgestreckter Hügelzug aus fluvioglazialen Kiesen und Sanden, der von KELLER(1951) als Kames-Bildung gedeutet worden ist. Aufgrund der durch großräumigen Abbau gekennzeichneten Aufschlußlage ergab sich im vergangenen Jahrzehnt wiederholt die Möglichkeit, die Lagerungsverhältnisse der Sedimente zu studieren. Dabei wurden, vor allem in einem im Frühjahr 1990 vorübergehend aufgeschlossenen Profil, sekundäre Lagerungsveränderungen beobachtet, deren Deutung den bisherigen Vorstellungen zur Entstehung des Kies-Sand-Rückens einige neue Aspekte hinzufügt.
Unter den Geschieben des Kies-Sand-Rückens ,Laer-Heide' (Landkreis Osnabrück) fand sich ein Geschiebe des ,grünlich-grauen Graptolithengesteins' mit Calymene orthomarginata SCHRANK 1970 und Leonaspis mutica (EMMRICH 1844) aus dem baltischen Silur. Es stammt vermutlich aus dem Gebiet der "North Mid-Sea Bank" SSW von Gotland und ESE der Südspitze Ölands. Stratigraphisch ist es dem Bereich des Unterwenlock bis unteren Oberwen lock zuzuordnen. Nach einem kurzen Überblick über den Fossilinhalt des Geschiebes und der systematischen Einordnung der gefundenen Trilobitentaxa werden folgende Larvalstadien von Trilobiten beschrieben: 1 Paraprotaspis-Stadium eines Odontopleuriden, das wahrscheinlich Leonaspis mutica zuzuordnen ist, 1 nahezu vollständiges frühes Meraspis-Stadium und eine Reihe frühmeraspider und spätmeraspider Cranidien und Pygidien, die Calymene orthomarginata zugeordnet werden. Abschließend werden einige Beobachtungen zur Ontogenie von Calymene orthomarginata während der meraspiden Phase dargelegt.
Die über dem letztinterglazialen Boden (Parabraunerde bzw. pseudovergleyte Parabraunerde) folgenden würmzeitlichen äolischen Sedimente können durch kennzeichnende Bodenhorizonte in 3 Abschnitte (Alt-, Mittel- und Jungwürm) gegliedert werden. Charakteristisch für das Altwürm sind Humuszonen, für das Mittelwürm neben einigen „Naßböden" braune Verlehmungszonen bis zu einer Mächtigkeit von 1,1 m und für das Jungwürm mehrere schwach ausgebildete, geringmächtige Verbraunungszonen und „Naßböden". Den wichtigsten Leithorizont des Jungwürms bildet das Kärlicher Tuffbändchen, das in jüngster Zeit auch in Nordhessen aufgefunden wurde. Abschließend wird das in Hessen aufgestellte Gliederungsschema mit den Würmlöß-Gliederungen in anderen Teilen Europas verglichen und eine Parallelisierung versucht.
Die lithologische Abfolge des höheren Malm in Nordwestdeutschland wird mit Hilfe von biostratigraphisch aussagekräftigen Ammonitenfunden datiert und mit der westfranzösischen Gliederung parallelisiert. Die Grenze zwischen der Mutabilis- und der Eudoxus-Zone liegt innerhalb der "Stollenbank". Der "Knollenkalk" mit dem "Yo-Lager" des "Mittel-Kimmeridqe" entspricht basalen Abschnitten der Caletanum-Subzone der Eudoxus-Zone. Die "Ballersteinbank" enthält den "caletanum-Faunenhorizont", eine jüngere Kalkbank innerhalb der "Virgula-Bänke" den "quercynum-Faunenhorizont". Höchstes gesichertes marines Ober-Kimmeridgium (Autissiodorensis-Zone, Irius-Subzone) liegt in Gestalt der sogenannten "Gigas-Schichten" von Holzen/lth vor. An der Porta Westfalica kann hingegen eine Schichtlücke an der Basis der dortigen "Gigas-Schichten" , dem untertithonischen Gravesienkalk, weiter untermauert werden. Die jüngsten mit Ammoniten datierbaren Jura-Schichten lassen sich in den "Gigas-Schichten" am Südrand des Deister nachweisen.
We apply seismic full waveform inversion to SH‐ and Love‐wave data for investigating the near‐surface lithology at an archaeological site. We evaluate the resolution of the applied full waveform inversion algorithm through ground truthing in the form of an excavation and sediment core studies. Thereby, we investigate the benefits of full waveform inversion in comparison with other established methods of near‐surface prospecting in terms of resolution capabilities and interpretation security. The study is performed in a presumed harbour area of the ancient Thracian city of Ainos. The exemplary target is the source of a linear magnetic anomaly oriented perpendicular to the coast, which was found in a previous magnetic gradiometry survey, suggesting a mole. The SH‐wave full waveform inversion recovered a subsurface SH‐wave velocity model with submeter resolution showing lateral and vertical velocity variation between 40 and 150 m/s. To tame the non‐linearity of the full waveform inversion, a sequential inversion of frequency bands has to be combined with time‐windowing in order to separate the Love wave from the reflected SH wavefield. We compare the full waveform inversion results with multichannel analysis of surface waves, standard seismic reflection imaging, electrical resistivity tomography and electromagnetic induction. It turns out that the respective depth sections are correlated to a certain degree with the full waveform inversion results. However, the structural resolution of the other geophysical methods is significantly lower than for the full waveform inversion. An exception is the reflection seismic imaging, which shows the same resolution as full waveform inversion but can only be interpreted together with the full waveform inversion–based velocity model. An archaeological excavation as well as coring data allows ground truthing and a direct understanding of the geophysical structures. The results show that the target was a sort of near‐surface trench of about 3–4 m width and 0.8 m to 1.0 m depth, filled with silty sediment, which differs from the layered surrounding in colour and composition. The ground truthing revealed that only SH‐wave full waveform inversion and seismic reflection imaging could image the trench and sediment structure with satisfying lateral and depth resolution. We emphasize that the velocity distribution from SH‐wave full waveform inversion agrees closely with the excavated subsurface structures, and that the discovered changes in seismic velocity correlate with changes in the sand content in the respective sediment facies sequences. The study demonstrated that SH‐wave full waveform inversion is capable to image structural and lithological changes in the near subsurface at scales as low as 0.5 m, thus providing the high resolution needed for archaeological and geoarchaeological prospection.
This article presents the findings from systematically reviewing 26 empirical research studies published from 2005 to 2014 on the use of GIS for learning and teaching. By employing methods of narrative synthesis and qualitative content analysis, the study gives evidence about the state of knowledge of competence‐based GIS education. The results explain what factors and variables effect GIS learning in terms of technology use, major subject contents, learning contexts, and didactic and pedagogical aspects. They also show what facets of knowledge, process skills, and affect the research literature has investigated. The analysis of the type and quality of the methods used indicates that current GIS education research is a heterogeneous field that needs a systematic research framework for future efforts, according to empirical education research.
This article presents the findings from systematically reviewing 26 empirical research studies published from 2005 to 2014 on the use of GIS for learning and teaching. By employing methods of narrative synthesis and qualitative content analysis, the study gives evidence about the state of knowledge of competence-based GIS education. The results explain what factors and variables effect GIS learning in terms of technology use, major subject contents, learning contexts, and didactic and pedagogical aspects. They also show what facets of knowledge, process skills, and affect the research literature has investigated. The analysis of the type and quality of the methods used indicates that current GIS education research is a heterogeneous field that needs a systematic research framework for future efforts, according to empirical education research.
Flow velocity in rivers has a major impact on residence time of water and thus on high and low water as well as on water quality. For global scale hydrological modeling only very limited information is available for simulating flow velocity. Based on the Manning-Strickler equation, a simple algorithm to model temporally and spatially variable flow velocity was developed with the objective of improving flow routing in the global hydrological model of Water- GAP. An extensive data set of flow velocity measurements in US rivers was used to test and to validate the algorithm before integrating it into WaterGAP. In this test, flow velocity was calculated based on measured discharge and compared to measured velocity. Results show that flow velocity can be modeled satisfactorily at selected river cross sections. It turned out that it is quite sensitive to river roughness, and the results can be optimized by tuning this parameter. After the validation of the approach, the tested flow velocity algorithm has been implemented into the WaterGAP model. A final validation of its effects on the model results is currently performed.
In late 2013, a whole air flask collection programme was started at Taunus Observatory (TO) in central Germany. Being a rural site in close proximity to the Rhine–Main area, Taunus Observatory allows assessment of emissions from a densely populated region. Owing to its altitude of 825 m, the site also regularly experiences background conditions, especially when air masses approach from north-westerly directions. With a large footprint area mainly covering central Europe north of the Alps, halocarbon measurements at the site have the potential to improve the database for estimation of regional and total European halogenated greenhouse gas emissions. Flask samples are collected weekly for offline analysis using a GC/MS system simultaneously employing a quadrupole as well as a time-of-flight mass spectrometer. As background reference, additional samples are collected approximately once every 2 weeks at the Mace Head Atmospheric Research Station (MHD) when air masses approach from the site's clean air sector. Thus the time series at TO can be linked to the in situ AGAGE measurements and the NOAA flask sampling programme at MHD. An iterative baseline identification procedure separates polluted samples from baseline data. While there is good agreement of baseline mixing ratios between TO and MHD, with a larger variability of mixing ratios at the continental site, measurements at TO are regularly influenced by elevated halocarbon mixing ratios. Here, first time series are presented for CFC-11, CFC-12, HCFC-22, HFC-134a, HFC-227ea, HFC-245fa, and dichloromethane. While atmospheric mixing ratios of the chlorofluorocarbons (CFCs) decrease, they increase for the hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) and the hydrofluorocarbons (HFCs). Small unexpected differences between CFC-11 and CFC-12 are found with regard to frequency and relative enhancement of high mixing ratio events and seasonality, although production and use of both compounds are strictly regulated by the Montreal Protocol, and therefore a similar decrease in atmospheric mixing ratios should occur. Dichloromethane, a solvent about which recently concerns have been raised regarding its growing influence on stratospheric ozone depletion, does not show a significant trend with regard to both baseline mixing ratios and the occurrence of pollution events at Taunus Observatory for the time period covered, indicating stable emissions in the regions that influence the site. An analysis of trajectories from the Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) model reveals differences in halocarbon mixing ranges depending on air mass origin.
In late 2013, a whole air flask collection program started at the Taunus Observatory (TO) in central Germany. Being a rural site in close vicinity to the densely populated Rhein-Main area, Taunus Observatory allows to assess local and regional emissions. Owed to its altitude of 825 m, the site also regularly experiences background conditions, especially when air masses approach from north-westerly directions. With a large footprint area mainly covering central Europe north of the Alps, halocarbon measurements at the site have the potential to improve the data base for estimation of regional and total European halogenated greenhouse gas emissions. Flask samples are collected weekly for offline analysis using a GC-MS system employing a quadrupole as well as a time-of-flight mass spectrometer. As background reference, additional samples are collected approximately bi-weekly at the Mace Head Atmospheric Research Station (MHD) when air masses approach from the site’s clean air sector. Thus the TO time series can be linked to the in-situ AGAGE measurements and the NOAA flask sampling program at MHD. An iterative baseline identification procedure separates polluted samples from baseline data. While there is good agreement of baseline mixing ratios between TO and MHD, with a larger variability of mixing ratios at the continental site, measurements at TO are regularly influenced by elevated halocarbon mixing ratios. Here, first time series are presented for CFC-11, CFC-12, HCFC-22, HFC-134a, HFC-227ea, HFC-245fa, and dichloromethane. While atmospheric mixing ratios of the CFCs decrease, they increase for the HCFC and the HFCs. Small unexpected differences between CFC-11 and CFC-12 are found with regard to the occurrence of high mixing ratio events and seasonality, although production and use of both compounds are strictly regulated by the Montreal Protocol, and therefore a similar decrease of atmospheric mixing ratios should occur. Dichloromethane, a solvent about which recently concerns have risen regarding its growing influence on stratospheric ozone depletion, does not show a significant trend with regard to both, baseline mixing ratios and the occurrence of pollution events at Taunus Observatory for the time period covered, indicating stable emissions in the regions that influence the site. An analysis of HYSPLIT trajectories reveals differences in halocarbon mixing ranges depending on air mass origin.
Measurements of halogenated trace gases in ambient air frequently rely on canister sampling followed by offline laboratory analysis. This allows for a large number of compounds to be analysed under stable conditions, maximizing measurement precision. However, individual compounds might be affected during the sampling and storage of canister samples. In order to assess halocarbon stability in whole-air samples from the upper troposphere and lowermost stratosphere, we performed stability tests using the high-resolution sampler (HIRES) air sampling unit, which is part of the Civil Aircraft for the Regular Investigation of the atmosphere Based on an Instrument Container (CARIBIC) instrument package. The HIRES unit holds 88 lightweight stainless-steel cylinders that are pressurized in flight to 4.5 bar using metal bellows pumps. The HIRES unit was first deployed in 2010 but has up to now not been used for regular halocarbon analysis with the exception of chloromethane analysis. The sample collection unit was tested for the sampling and storage effects of 28 halogenated compounds. The focus was on compound stability in the stainless-steel canisters during storage of up to 5 weeks and on the influence of ozone, since flights take place in the upper troposphere and lowermost stratosphere with ozone mixing ratios of up to several hundred parts per billion by volume (ppbv). Most of the investigated (hydro)chlorofluorocarbons and long-lived hydrofluorocarbons were found to be stable over a storage time of up to 5 weeks and were unaltered by ozone being present during pressurization. Some compounds such as dichloromethane, trichloromethane, and tetrachloroethene started to decrease in the canisters after a storage time of more than 2 weeks or exhibited lowered mixing ratios in samples pressurized with ozone present. A few compounds such as tetrachloromethane and tribromomethane were found to be unstable in the HIRES stainless-steel canisters independent of ozone levels. Furthermore, growth was observed during storage for some species, namely for HFC-152a, HFC-23, and Halon 1301.
Stability of halocarbons in whole air samples from the upper
troposphere and lowermost stratosphere
(2019)
Measurements of halogenated hydrocarbons of ambient air frequently rely on canister sampling followed by offline laboratory analysis. This allows for a large number of compounds to be analysed under stable conditions, maximising measurement precision. However, individual compounds might be affected during storage of canister samples. In order to assess halocarbon stability in whole air samples from the upper troposphere and lowermost stratosphere, we performed stability tests using the air sampling unit High REsolution Sampler (HIRES) which is part of the CARIBIC (Civil Aircraft for the Regular Investigation of the Atmosphere Based on an Instrument Container) instrument package. HIRES holds 88 light-weight stainless steel cylinders that are pressurized in flight to 4.5 bar using metal bellows pumps. The HIRES sampling unit was first deployed in 2010, but has up to now not been used for regular halocarbon analysis with exception of chloromethane. The sample collection unit was tested for sampling and storage effects of 28 halogenated compounds. The focus was on compound stability in the stainless steel canisters during storage of up to five weeks and on the influence of ozone, since flights take place in the upper troposphere and lowermost stratosphere with ozone mixing ratios of up to several hundred ppbV. Most of the investigated (hydro)chlorofluorocarbons and long-lived hydrofluorocarbons were found to be stable over a storage time of up to five weeks and were unaltered by ozone being present during pressurization. Some compounds such as for example dichloromethane, trichloromethane and tetrachloroethene started to decrease in the canisters after a storage time of more than two weeks or exhibited lowered mixing ratios in samples pressurized with ozone present. Few compounds such as for example tetrachloromethane and tribromomethane were found to be not stable in the HIRES stainless-steel canisters independent of ozone levels. Also growth was observed during storage, namely for HFC-152a and HFC-23.
Mit dem Klimawandel könnte das Grundwasser künftig weltweit in vielen Regionen knapp werden. Das zeigt eine große internationale Studie, die vom Doktoranden Robert Reinecke und der Geographin Prof. Petra Döll initiiert wurde. Vielerorts könnte das zu Wassermangel führen oder einen bestehenden Wassermangel verschärfen. Gleichzeitig werden andere Regionen unter steigenden Grundwasserständen zu leiden haben. Ackerflächen könnten durch Vernässung verloren gehen.
Ice nucleating particles over the Eastern Mediterranean measured by unmanned aircraft systems
(2016)
During an intensive field campaign on aerosol, clouds and ice nucleation in the Eastern Mediterranean in April 2016, we have measured the abundance of ice nucleating particles (INP) in the lower troposphere from unmanned aircraft systems (UAS). Aerosol samples were collected by miniaturized electrostatic precipitators onboard the UAS at altitudes up to 2.5 km. The number of INP in these samples, which are active in the deposition and condensation modes at temperatures from −20 to −30 ◦C, were analyzed immediately after collection on site using the ice nucleus counter FRIDGE. During the one month campaign we encountered a series of Saharan dust plumes that traveled at several kilometers altitude. Here we present INP data from 42 individual flights, together with aerosol number concentrations, observations of lidar backscattering, dust concentrations derived by the dust transport model DREAM (Dust Regional Atmospheric Model), and results from scanning electron microscopy. The effect of the dust plumes is reflected by the coincidence of INP with the particulate mass (PM), the lidar signal and with the predicted dust mass of the model. This suggests that mineral dust or a constituent related to dust was a major contributor to the ice nucleating properties of the aerosol. Peak concentrations of above 100 INP std.l -1 were measured at −30 ◦C. The INP concentration in elevated plumes was on average a factor of 10 higher than at ground level. Since desert dust is transported for long distances over wide areas of the globe predominantly at several km altitude we conclude that INP measurements at ground level may be of limited significance for the situation at the level of cloud formation.
Ice nucleating particles over the eastern mediterranean measured by unmanned aircraft systems
(2017)
During an intensive field campaign on aerosol, clouds, and ice nucleation in the Eastern Mediterranean in April 2016, we measured the abundance of ice nucleating particles (INPs) in the lower troposphere from unmanned aircraft systems (UASs). Aerosol samples were collected by miniaturized electrostatic precipitators onboard the UASs at altitudes up to 2.5 km. The number of INPs in these samples, which are active in the deposition and condensation modes at temperatures from −20 to −30 °C, were analyzed immediately after collection on site using the ice nucleus counter FRIDGE (FRankfurt Ice nucleation Deposition freezinG Experiment). During the 1-month campaign, we encountered a series of Saharan dust plumes that traveled at several kilometers' altitude. Here we present INP data from 42 individual flights, together with aerosol number concentrations, observations of lidar backscattering, dust concentrations derived by the dust transport model DREAM (Dust Regional Atmospheric Model), and results from scanning electron microscopy. The effect of the dust plumes is reflected by the coincidence of INPs with the particulate matter (PM), the lidar signal, and the predicted dust mass of the model. This suggests that mineral dust or a constituent related to dust was a major contributor to the ice nucleating properties of the aerosol. Peak concentrations of above 100 INPs std L−1 were measured at −30 °C. The INP concentration in elevated plumes was on average a factor of 10 higher than at ground level. Since desert dust is transported for long distances over wide areas of the globe predominantly at several kilometers' altitude, we conclude that INP measurements at ground level may be of limited significance for the situation at the level of cloud formation.
Ice particle activation and evolution have important atmospheric implications for cloud formation, initiation of precipitation and radiative interactions. The initial formation of atmospheric ice by heterogeneous ice nucleation requires the presence of a nucleating seed, an ice-nucleating particle (INP), to facilitate its first emergence. Unfortunately, only a few long-term measurements of INPs exist, and as a result, knowledge about geographic and seasonal variations of INP concentrations is sparse. Here we present data from nearly 2 years of INP measurements from four stations in different regions of the world: the Amazon (Brazil), the Caribbean (Martinique), central Europe (Germany) and the Arctic (Svalbard). The sites feature diverse geographical climates and ecosystems that are associated with dissimilar transport patterns, aerosol characteristics and levels of anthropogenic impact (ranging from near pristine to mostly rural). Interestingly, observed INP concentrations, which represent measurements in the deposition and condensation freezing modes, do not differ greatly from site to site but usually fall well within the same order of magnitude. Moreover, short-term variability overwhelms all long-term trends and/or seasonality in the INP concentration at all locations. An analysis of the frequency distributions of INP concentrations suggests that INPs tend to be well mixed and reflective of large-scale air mass movements. No universal physical or chemical parameter could be identified to be a causal link driving INP climatology, highlighting the complex nature of the ice nucleation process. Amazonian INP concentrations were mostly unaffected by the biomass burning season, even though aerosol concentrations increase by a factor of 10 from the wet to dry season. Caribbean INPs were positively correlated to parameters related to transported mineral dust, which is known to increase during the Northern Hemisphere summer. A wind sector analysis revealed the absence of an anthropogenic impact on average INP concentrations at the site in central Europe. Likewise, no Arctic haze influence was observed on INPs at the Arctic site, where low concentrations were generally measured. We consider the collected data to be a unique resource for the community that illustrates some of the challenges and knowledge gaps of the field in general, while specifically highlighting the need for more long-term observations of INPs worldwide.
Ice-nucleating particle concentrations of the past: insights from a 600-year-old Greenland ice core
(2020)
Ice-nucleating particles (INPs) affect the microphysics in cloud and precipitation processes. Hence, they modulate the radiative properties of clouds. However, atmospheric INP concentrations of the past are basically unknown. Here, we present INP measurements from an ice core in Greenland, which dates back to the year 1370. In total 135 samples were analyzed with the FRIDGE droplet freezing assay in the temperature range from −14 to −35 ∘C. The sampling frequency was set to 1 in 10 years from 1370 to 1960. From 1960 to 1990 the frequency was increased to one sample per year. Additionally, a few special events were probed, including volcanic episodes. The typical time coverage of a sample was on the order of a few months. Historical atmospheric INP concentrations were estimated with a conversion factor, which depends on the snow accumulation rate of the ice core, particle dry deposition velocity, and wet scavenging ratio. Typical atmospheric INP concentrations were on the order of 0.1 L−1 at −25 ∘C. The INP variability was found to be about 1–2 orders of magnitude. Yet, the short-term variability from samples over a seasonal cycle was considerably lower. INP concentrations were significantly correlated to some chemical tracers derived from continuous-flow analysis (CFA) and ion chromatography (IC) over a broad range of nucleation temperatures. The highest correlation coefficients were found for the particle concentration (spherical diameter dp > 1.2 µm). The correlation is higher for a time period of seasonal samples, where INP concentrations follow a clear annual pattern, highlighting the importance of the annual dust input in Greenland from East Asian deserts during spring. Scanning electron microscopy (SEM) analysis of selected samples found mineral dust to be the dominant particle fraction, verifying their significance as INPs. Overall, the concentrations compare reasonably well to present-day INP concentrations, albeit they are on the lower side. However, we found that the INP concentration at medium supercooled temperatures differed before and after 1960. Average INP concentrations at −23, −24, −25, −26, and −28 ∘C were significantly higher (and more variable) in the modern-day period, which could indicate a potential anthropogenic impact, e.g., from land-use change.
Ice nucleating particle concentrations of the past: insights from a
600 year old Greenland ice core
(2020)
Ice nucleating particles (INPs) affect the microphysics in cloud and precipitation processes. Hence, they modulate the radiative properties of clouds. However, atmospheric INP concentrations of the past are basically unknown. Here, we present INP measurements from an ice core in Greenland, which dates back to the year 1370. In total 135 samples were analyzed with the FRIDGE droplet freezing assay in the temperature range from −14 ◦C to −35 ◦C. The sampling frequency was set to 1 in 10 years from 1370 to 1960. From 1960 to 1990 the frequency was increased to 1 sample per year. Additionally, a number of special events were probed, including volcanic episodes. The typical time coverage of a sample was on the order of a few months. Historical atmospheric INP concentrations were estimated with a conversion factor, which depends on the snow accumulation rate of the ice core, particle dry deposition velocity and the wet scavenging ratio. Typical atmospheric INP concentrations were on the order of 0.1 L -1 at −25 ◦C. The INP variability was found to be about 1 – 2 orders of magnitude. Yet, the short-term variability from samples over a seasonal cycle was considerably lower. INP concentrations were significantly correlated to chemical tracers derived from continuous flow analysis (CFA) and ion chromatography (IC) over a broad range of nucleation temperatures. The highest correlation coefficients were found for the particle concentration (dp > 1.2 µm). The correlation is higher for the seasonal samples, where INP concentrations follow a clear annual pattern, highlighting the importance of the annual dust input in Greenland from East Asian deserts during spring. Scanning electron microscopy (SEM) of single particles retrieved from selected samples found particles of soil origin to be the dominant fraction, verifying the significance of mineral dust particles as INPs. Overall, the concentrations compare reasonably well to present day INP concentrations, albeit they are on the lower side. However, we found that the INP concentration at medium supercooled temperatures differed before and after 1960. Average INP concentrations at −23 ◦C, −24 ◦C, −25 ◦C, −26 ◦C and −28 ◦C were significantly higher (and more variable) in the modern day period, which could indicate a potential anthropogenic impact or some post-coring contamination of the topmost, very porous firn.
Recently significant advances have been made in the collection, detection, and characterization of ice nucleating particles (INP). Ice nuclei are particles that facilitate the heterogeneous formation of ice within the atmospheric aerosol by lowering the free energy barrier to spontaneous nucleation and growth of ice from atmospheric water and/or vapor. The Frankfurt isostatic diiffusion chamber (FRIDGE) is an INP collection and offline detection system that has become widely deployed and shows additional potential for ambient measurements. Since its initial development FRIDGE has gone through several iterations and improvements. Here we describe improvements that have been made in the collection and analysis techniques. We detail the uncertainties inherent in the measurement method, and suggest a systematic method of error analysis for FRIDGE measurements. Thus what is presented herein should serve as a foundation for the dissemination of all current and future measurements using FRIDGE instrumentation.
Recently significant advances have been made in the collection, detection and characterization of ice nucleating particles (INPs). Ice nuclei are particles that facilitate the heterogeneous formation of ice within the atmospheric aerosol by lowering the free energy barrier to spontaneous nucleation and growth of ice from atmospheric water and/or vapor. The Frankfurt isostatic diffusion chamber (FRankfurt Ice nucleation Deposition freezinG Experiment: FRIDGE) is an INP collection and offline detection system that has become widely deployed and shows additional potential for ambient measurements. Since its initial development FRIDGE has gone through several iterations and improvements. Here we describe improvements that have been made in the collection and analysis techniques. We detail the uncertainties inherent in the measurement method and suggest a systematic method of error analysis for FRIDGE measurements. Thus what is presented herein should serve as a foundation for the dissemination of all current and future measurements using FRIDGE instrumentation.
Eiskeime (INP) sind Aerosolpartikel, die das Entstehen von Eiskristallen in der Atmosphäre zwischen 0 und -37°C ermöglichen, indem sie die zur Ausbildung der Eisphase nötige Energie gegenüber einem reinen Wassersystem stark herabsetzen. Dabei sind aktive Stellen auf der Oberfläche dieser Partikel für die erste Nukleation von Eis verantwortlich. In der Folge können die Eiskristalle zulasten von verdunstenden Wasserdampfmolekülen und Wassertröpfchen weiter anwachsen. Über Eismultiplikationsprozesse zersplittern und vervielfältigen sich die Eiskristalle und wachsen über Bereifung schließlich zu einer kritischen Größe heran, wodurch sie als Niederschlag zu Boden fallen können. Auch wenn der Anteil der zur heterogenen Eisnukleation fähigen Aerosole vergleichsweise gering ist, spielen INP eine entscheidende Rolle für die Entwicklung von Niederschlag und nehmen Einfluss auf Strahlungsprozesse, indem sie auf die Phase der Wolken und damit auf deren Strahlungseigenschaften einwirken. Viele Fragen im Forschungsgebiet der heterogenen Eisnukleation sind jedoch weiterhin nicht hinreichend genau geklärt. Ohne eine verbesserte Kenntnis von Konzentrationen, geographischer und vertikaler Verteilung, sowie zeitlicher Variation, Quellen und Natur von INP, sind noch vorhandene Wissenslücken im Strahlungsantrieb durch Wechselwirkungen von Aerosolen und Wolken nur zu einem gewissem Grad zu reduzieren. Dies ist nötig, um aktuelle Beobachtungsdaten der sich erwärmenden Atmosphäre besser verstehen und die zukünftigen Änderungen des Klimas sicherer vorhersagen zu können. In dieser Arbeit wird die Vakuumdiffusionskammer FRIDGE verwendet, um atmosphärische INP-Konzentrationen zu bestimmen. Aerosolpartikel werden dabei in einem ersten Schritt auf einem Silicium-Probenträger elektrostatisch niedergeschlagen. Die Effizienz des Sammelprozesses, also der Anteil der Partikel die tatsächlich auf dem Si-Substrat abgeschieden werden, wurde mittels zweier unabhängiger Methoden auf etwa 60% bestimmt. In einem zweiten Mess-Schritt werden die Proben in FRIDGE typischen Bedingungen von Mischphasenwolken ausgesetzt, wodurch Eiskristalle an den INP aktiviert werden und im Verlauf einer Messung anwachsen. Eine Kamera beobachtet die durch das Eiswachstum entstehenden Helligkeitsänderungen auf dem dunklen Probensubstrat. Die Kriterien, wann ein Objekt als Eiskristall identifiziert und gezählt wird, mussten im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelt werden. In der zu Beginn der Arbeit vorgefundenen Einstellung hatte bereits eine sehr geringe Helligkeitsänderung, wie sie durch das hygroskopische Wachstum von Aerosolpartikeln hervorgerufen wird, zu Signalen geführt, die fälschlicherweise als Eiskristalle gezählt wurden. Das reevaluierte Messverfahren von FRIDGE wurde im Zuge der FIN-02 Kampagne in einem groß angelegten Laborexperiment an der AIDA Wolkenkammer mit zahlreichen anderen INP-Zählern aus der ganzen Welt verglichen. Für den Großteil der Messungen der untersuchten Modell-Aerosoltypen konnte eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den anderen Instrumenten erzielt werden. In einer einmonatigen Feldmesskampagne im östlichen Mittelmeerraum konnten die ersten INP-Messungen an Bord eines unbemannten Flugzeugs durchgeführt werden. Während der Kampagne auf Zypern wurden mehrere Fälle von transportiertem Saharastaub beprobt, in denen die INP-Konzentration maßgeblich erhöht war. Lidar-Beobachtungen und ein Staubtransportmodell zeigten, dass sich das Maximum der Staubschichten zumeist in etwa 2-4 Kilometern Höhe befand. In der Höhe wurden INP-Konzentrationen gefunden, die im Mittel um einen Faktor 10 größer waren als auf Bodenniveau. Es wird gefolgert, dass INP-Messungen am Boden möglicherweise nur begrenzte Aussagekraft über die Situation nahe der Wolkenbildung besitzen. Im Rahmen BACCHUS-Projekts wurden zwischen August 2014 und Januar 2017 (mit Unterbrechungen) alle 1-2 Tage Proben an drei Reinluftstationen gesammelt (insgesamt über 900). Das INP-Messnetz mit einer geographischen Ausdehnung von der Arktis zum Äquator bestand aus Stationen in Spitzbergen, Martinique und im Amazonas. Die Station im brasilianischen Regenwald ist durch wechselnde Bedingungen von sauberer Regen- und verunreinigter Trockenzeit charakterisiert. In der Trockenzeit steigen die Partikelkonzentrationen durch starke Belastung aus Biomassenverbrennung um eine Größenordnung an; eine gleichzeitige Zunahme der INP-Konzentrationen konnte nicht beobachtet werden. Daraus kann vermutet werden, dass Partikel aus Feueremissionen keine ausgezeichneten Fähigkeiten zur Eisnukleation aufweisen. Die INP-Konzentrationen in der Karibik konnten mit dem Jahresgang von transportieren Saharastaub in Verbindung gebracht werden. In der Arktis wurden die niedrigsten INP-Konzentrationen der drei Stationen beobachtet. Zum Zeitpunkt des Erstellens dieser Arbeit können die determinierenden Einflussfaktoren, sowie der anthropogene Einfluss zur Zeit des arktischen Dunstes noch nicht abschließend geklärt werden.
Erfahrungen aus einer transdisziplinär angeleiteten Serie von Stakeholder-Workshops zur nachhaltigen Klima-Adaption von mitteleuropäischen Wirtschaftswäldern werden vorgestellt und hinsichtlich der Baumartenwahl, der Risikoreduktion und der Segregation von Funktionen ausgewertet. Eine vorhergehende Diskursfeldanalyse erleichterte sowohl die Auswahl der Stakeholder als auch die anschließende Analyse der durchgeführten Stakeholder-Prozesse. Die ausreichende Beteiligung gesellschaftlicher Anspruchsgruppen trägt nicht nur dazu bei, mögliche gesellschaftliche Anforderungen an die Klima-Adaption von Wirtschaftswäldern zu identifizieren, sondern sie auch so breit zu erörtern, dass damit deren Konkretisierung möglich wird. Soweit eine Atmosphäre gegenseitigen Lernens geschaffen werden kann, können dabei auch bekannte (oder vermutete) Frontstellungen aufgebrochen und Auswege zu einer konfliktvermeidenden Umsetzung (z.B. durch Aufbau einer fachübergreifende Begleitforschung) aufgezeigt werden.
The formation of particles from precursor vapors is an important source of atmospheric aerosol. Research at the Cosmics Leaving OUtdoor Droplets (CLOUD) facility at CERN tries to elucidate which vapors are responsible for this new-particle formation, and how in detail it proceeds. Initial measurement campaigns at the CLOUD stainless-steel aerosol chamber focused on investigating particle formation from ammonia (NH3) and sulfuric acid (H2SO4). Experiments were conducted in the presence of water, ozone and sulfur dioxide. Contaminant trace gases were suppressed at the technological limit. For this study, we mapped out the compositions of small NH3–H2SO4 clusters over a wide range of atmospherically relevant environmental conditions. We covered [NH3] in the range from < 2 to 1400 pptv, [H2SO4] from 3.3 × 106 to 1.4 × 109 cm−3 (0.1 to 56 pptv), and a temperature range from −25 to +20 °C. Negatively and positively charged clusters were directly measured by an atmospheric pressure interface time-of-flight (APi-TOF) mass spectrometer, as they initially formed from gas-phase NH3 and H2SO4, and then grew to larger clusters containing more than 50 molecules of NH3 and H2SO4, corresponding to mobility-equivalent diameters greater than 2 nm. Water molecules evaporate from these clusters during sampling and are not observed. We found that the composition of the NH3–H2SO4 clusters is primarily determined by the ratio of gas-phase concentrations [NH3] / [H2SO4], as well as by temperature. Pure binary H2O–H2SO4 clusters (observed as clusters of only H2SO4) only form at [NH3] / [H2SO4] < 0.1 to 1. For larger values of [NH3] / [H2SO4], the composition of NH3–H2SO4 clusters was characterized by the number of NH3 molecules m added for each added H2SO4 molecule n (Δm/Δ n), where n is in the range 4–18 (negatively charged clusters) or 1–17 (positively charged clusters). For negatively charged clusters, Δ m/Δn saturated between 1 and 1.4 for [NH3] / [H2SO4] > 10. Positively charged clusters grew on average by Δm/Δn = 1.05 and were only observed at sufficiently high [NH3] / [H2SO4]. The H2SO4 molecules of these clusters are partially neutralized by NH3, in close resemblance to the acid–base bindings of ammonium bisulfate. Supported by model simulations, we substantiate previous evidence for acid–base reactions being the essential mechanism behind the formation of these clusters under atmospheric conditions and up to sizes of at least 2 nm. Our results also suggest that electrically neutral NH3–H2SO4 clusters, unobservable in this study, have generally the same composition as ionic clusters for [NH3] / [H2SO4] > 10. We expect that NH3–H2SO4 clusters form and grow also mostly by Δm/Δn > 1 in the atmosphere's boundary layer, as [NH3] / [H2SO4] is mostly larger than 10. We compared our results from CLOUD with APi-TOF measurements of NH3–H2SO4 anion clusters during new-particle formation in the Finnish boreal forest. However, the exact role of NH3–H2SO4 clusters in boundary layer particle formation remains to be resolved.
The formation of particles from precursor vapors is an important source of atmospheric aerosol. Research at the Cosmics Leaving OUtdoor Droplets (CLOUD) facility at CERN tries to elucidate which vapors are responsible for this new particle formation, and how in detail it proceeds. Initial measurement campaigns at the CLOUD stainless-steel aerosol chamber focused on investigating particle formation from ammonia (NH3) and sulfuric acid (H2SO4). Experiments were conducted in the presence of water, ozone and sulfur dioxide. Contaminant trace gases were suppressed at the technological limit. For this study, we mapped out the compositions of small NH3-H2SO4 clusters over a wide range of atmospherically relevant environmental conditions. We covered [NH3] in the range from <2 to 1400 pptv, [H2SO4] from 3.3 × 106 to 1.4 × 109 cm−3, and a temperature range from −25 to +20 °C. Negatively and positively charged clusters were directly measured by an atmospheric pressure interface time-of-flight (APi-TOF) mass spectrometer, as they initially formed from gas-phase NH3 and H2SO4, and then grew to larger clusters containing more than 50 molecules of NH3 and H2SO4, corresponding to mobility-equivalent diameters greater than 2 nm. Water molecules evaporate from these clusters during sampling and are not observed. We found that the composition of the NH3-H2SO4 clusters is primarily determined by the ratio of gas-phase concentrations [NH3] / [H2SO4], as well as by temperature. Pure binary H2O-H2SO4 clusters (observed as clusters of only H2SO4) only form at [NH3] / [H2SO4]<0.1 to 1. For larger values of [NH3] / [H2SO4], the composition of NH3-H2SO4 clusters was characterized by the number of NH3 molecules m added for each added H2SO4 molecule n (Δm / Δn), where n is in the range 4–18 (negatively charged clusters) or 1–17 (positively charged clusters). For negatively charged clusters, Δm / Δn saturated between 1 and 1.4 for [NH3] / [H2SO4]>10. Positively charged clusters grew on average by Δm / Δn = 1.05 and were only observed at sufficiently high [NH3] / [H2SO4]. The H2SO4 molecules of these clusters are partially neutralized by NH3, in close resemblance to the acid-base bindings of ammonium bisulfate. Supported by model simulations, we substantiate previous evidence for acid-base reactions being the essential mechanism behind the formation of these clusters under atmospheric conditions and up to sizes of at least 2 nm. Our results also suggest that yet unobservable electrically neutral NH3-H2SO4 clusters grow by generally the same mechanism as ionic clusters, particularly for [NH3] / [H2SO4]>10. We expect that NH3-H2SO4 clusters form and grow also mostly by Δm / Δn>1 in the atmosphere's boundary layer, as [NH3] / [H2SO4] is mostly larger than 10. We compared our results from CLOUD with APi-TOF measurements of NH3-H2SO4 anion clusters during new particle formation in the Finnish boreal forest. However, the exact role of NH3-H2SO4 clusters in boundary layer particle formation remains to be resolved.
A 3d regional density-driven flow model of a heterogeneous aquifer system at the German North Sea Coast is set up within the joint project NAWAK (“Development of sustainable adaption strategies for the water supply and distribution infrastructure on condition of climatic and demographic change”). The development of the freshwater-saltwater interface is simulated for three climate and demographic scenarios.
Groundwater flow simulations are performed with the finite volume code d3f++ (distributed density driven flow) that has been developed with a view to the modelling of large, complex, strongly density-influenced aquifer systems over long time periods.
Die Geologie des Elsaß
(1940)
NASAs Stardust Mission ist die erste Mission, die - nach den Apollo Missionen zum Mond - Material von einem extraterrestrischen Körper erfolgreich für die Untersuchung auf der Erde, zurückgebracht hat. Desweiteren konnten erfolgreich Proben von einem Interstellaren Partikelstrom aufgesammelt werden, der das Sonnensystem derzeit passiert. Die Mission erlaubt einen Einblick in die Beschaffenheit der Kometenpartikel, die Rolle von Kometen im Sonnensystem sowie den Eintrag von Staub in die Zodiakalwolke. Desweiteren erlaubt die Analyse der Kometenpartikel den direkten Vergleich zu bereits untersuchten Meteoriten und Interplanetaren Staub Partikeln (IDPs) die auf der Erde bzw. deren Stratosphäre gesammelt wurden. Stardust ist die vierte ”Discovery” Mission und wurde am 7. Februar 1999 gestartet. Während des Fluges zum Kometen 81P/Wild 2 wurde ein interstellarer Partikelstrom beprobt und der Asteroid Annefrank passiert. Nach fünf Jahren kam es zum Zusammentreffen mit dem Kometen 81P/Wild 2 und über fünf Minuten, wurden Proben mit einer Auffangvorrichtung eingesammelt. Es dauerte weitere zwei Jahre bis die Stardust Sonde die Proben erfolgreich zur Erde zurückgebracht hat und zur Untersuchung freigegeben wurden. Interstellare und kometare Partikel wurden mit einer tennisschlägerartigen Auffangvorrichtung eingefangen, die aus einer Vielzahl von Aerogel Zellen aufgebaut ist. Das für die Stardust Mission verwendete Aerogel besteht aus SiO2 dessen dendritische Struktur zu 99,8 % aus Luft (Poren) besteht. Dadurch erscheint es nahezu transparent, was die optische Suche mit Mikroskopen nach den Einschlagsspuren der Körner vereinfacht. Die jeweiligen Partikel wurden auf unterschiedlichen Seiten der Vorrichtung eingefangen, da unterschiedliche Eigenschaften des Aerogels notwendig waren und um sie später voneinander unterscheiden zu können. Die Seite, in der die Kometenpartikel eingefangen wurde, musste Körner mit unterschiedlichen Grössen, Morphologien und niedrigeren Geschwindigkeiten abbremsen, während auf der interstellaren Seite die Körner von wesentlich höheren Geschwindigkeiten abgebremst werden mussten. Die Aerogelzellen haben ein variierendes Dichteprofil: an der Oberfläche ist die Dichte geringer (5 mg/ml) und erhöht sich mit der Tiefe auf 30-50 mg/ml. Dieses Dichteprofil ist notwendig, da beim Einschlag der Körner auf das Auffangmedium ein hoher Druck entsteht, der umso geringer ist, je niedriger die Dichte im Moment des Auftreffens ist. Die Aerogelzellen für die Kometenpartikel haben drei Lagen mit unterschiedlichen Dichten, die Zellen für die interstellaren Körner haben zwei unterschiedliche Dichten (Tsou et al., 2003)....
Tropical cyclones (TC) represent a substantial threat to life and property for Caribbean and adjacent populations. The prospective increase of TC magnitudes, expressed in the 15th chapter of the IPCC AR5 report, entails a rising probability of ecological and social disasters, which were tragically exemplified by several severe Caribbean TC strikes during the past 20 years. Modern IPCC-grade climate models, however, still lack the required spatial and temporal resolution to accurately consider the underlying boundary conditions that modulate long-time TC patterns beyond the Instrumental Era. It is thus necessary to provide a synoptic mechanistic understanding regarding the origin of such long-time patterns, in order to predict reliable changes of TC magnitude and frequency under future climate scenarios. Caribbean TC records are still rare and often lack the necessary continuity and resolution to overcome these limitations. Here, we report on an annually-resolved sedimentary archive from the bottom of the Great Blue Hole (Lighthouse Reef, Belize). The TC record encompasses 1885 years and extends all existing site-specific TC archives both in terms of resolution and duration. We identified a likely connection between long-term TC patterns and climate phenomena responses to Common Era climate variations and offer a conceptual and comparative view considering several involved tropospheric and oceanographic control mechanisms such as the El-Niño-Southern-Oscillation, the North Atlantic Oscillation and the Atlantic Multidecadal Oscillation. These basin-scaled climate modes exercise internal control on TC activity by modulating the thermodynamic environment (sea-surface temperature and vertical wind shear stress dynamics) for enhanced/suppressed TC formation both on millennial (primary) and multi-decadal (secondary) time scales. We interpret the beginning of the Medieval Warm Period (MWP) as an important time interval of the Common Era record and suspect that the southward migration of the intertropical convergence zone (ITCZ) caused, in combination with extensive hydro-climate changes, a shift in the tropical Atlantic TC regime. The TC activity in the south-western Caribbean changed in general from a stable and less active stage (100–900 CE) to a more active and variable state (1,100 CE-modern).
Paläoklimarekonstruktionen, die es sich zum Ziel gesetzt haben, Klima-Mensch Interaktionen auf lange Zeitreihen betrachtet zu erforschen, nehmen begünstigt durch die aktuell intensiv geführte Klimadebatte, einen immer größer werdenden Stellenwert in der öffentlichen und wissenschaftlichen Wahrnehmung ein. Denn trotz aller wissenschaftlicher Fortschritte, die in den vergangenen Jahrzehnten im Bereich der modernen Klimaforschung gemacht wurden, bleibt die zuverlässige Vorhersage und Modellierung von zukünftigen Klimaveränderungen noch immer eine der größten Herausforderungen unser heutigen Zeit. Betrachtet man die Karibik exemplarisch in diesem Rahmen, dann prognostizieren viele Modellrechnungen, infolge steigender Ozeantemperaturen, ein deutlich häufigeres Auftreten von tropischen Stürmen und Hurrikanen sowie eine Verschiebung hin zu höheren Sturmstärken. Dieser Trend stellt für die Karibik und viele daran angrenzende Staaten eine der größten Gefahren des modernen Klimawandels dar, den es wissenschaftlich über einen langen Zeitrahmen zu erforschen gilt.
Klimaprognosen stützen sich meist vollständig auf hoch-aufgelöste instrumentelle Datensätze. Diese sind aber alle durch einen wesentlichen Aspekt limitiert. Aufgrund ihrer eingeschränkten Verfügbarkeit (~150 Jahre) fehlt ihnen die erforderliche Tiefe, um die auf langen Zeitskalen operierenden Prozesse der globalen Klimadynamik adäquat abbilden zu können. Betrachtet man das Holozän in seiner Gesamtheit, so wurde die globale Klimadynamik über die vergangenen ~11,700 Jahre von periodisch auftretenden Prozessen und Abläufen gesteuert. Diese wirken grundsätzlich über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten, teilweise Jahrhunderten und in einigen Fällen sogar Jahrtausenden. Viele dieser natürlichen Prozesse, können in der kurzen Instrumentellen Ära nicht gänzlich identifiziert und angemessen in Klimamodellen berücksichtig werden. Die alleinige Berücksichtigung der Instrumentellen Ära bietet daher nur eine eingeschränkte Perspektive, um die Ursachen und Abläufe von vergangenen sowie mögliche Folgen von zukünftigen Klimaveränderungen zu verstehen. Um diese Einschränkung zu überwinden, ist es somit erforderlich, dass die geowissenschaftliche Forschung mit Proxymethoden ein zusammenfassendes und mechanistisches Verständnis über alle Holozänen Klimaveränderungen erlangt.
Wenn man sich diese Limitierung, die ansteigenden Ozeantemperaturen und das in der Karibik in den vergangen 20 Jahren vermehrte Auftreten von starken tropischen Zyklonen ins Gedächtnis ruft, ist es nachvollziehbar, dass im Rahmen dieser Doktorarbeit ein zwei Jahrtausende langer und jährlich aufgelöster Klimadatensatz erarbeitet werden soll, der spät Holozäne Variationen von Ozeanoberflächenwasser-temperaturen (SST) und daraus resultierende lang-zeitliche Veränderungen in der Häufigkeit tropischer Zyklone widerspiegelt. In Zentralamerika wird das Ende der Maya Hochkultur (900-1100 n.Chr.) mit drastischen Umweltveränderungen (z.B. Dürren) assoziiert, die während der Mittelalterlichen Warmzeit (MWP; 900-1400 n.Chr.) durch eine globale Klimaveränderung hervorgerufen wurde. Die aus einem „Blue Hole“ abgeleiteten Informationen über Klimavariationen der Vergangenheit können als Referenz für die gegenwärtige Klimakriese verwendet werden.
Als „Blue Hole“ wird eine Karsthöhle bezeichnet, die sich subaerisch während vergangener Meeresspiegeltiefstände im karbonatischen Gerüst eines Riffsystems gebildet hat und in Folge eines Meeresspiegelanstiegs vollständig überflutet wurde. In einigen wenigen marinen „Blue Holes“ treten anoxische Bodenwasserbedingungen auf. Die in diesen anoxischen Karsthöhlen abgelagerten Abfolgen mariner Sedimente können als einzigartiges Klimaarchiv verwendet werden, da sie aufgrund des Fehlens von Bioturbation eine jährliche Schichtung (Warvierung) aufweisen.
In dieser kumulativen Dissertation über das „Great Blue Hole“ werden die Ergebnisse eines 3-jährigen Forschungsprojekts vorgestellt, dass das Ziel verfolgte einen wissenschaftlich herausragenden spät Holozänen Klimadatensatz für die süd-westliche Karibik zu erzeugen. Beim „Great Blue Hole“ handelt es sich um ein weltweit einzigartiges marines Sedimentarchiv für diverse spät Holozäne Klima-veränderungen, das im Zuge dieser Dissertation sowohl nach paläoklimatischen als auch nach sedimentologischen Fragestellungen untersucht wurde. Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich im Einzelnen mit (1) der Ausarbeitung eines jährlich aufgelösten Archives für tropische Zyklone, (2) der Entwicklung eines jährlich aufgelösten SST Datensatzes und (3) einer kompositionellen Quantifizierung der sedimentären Abfolgen sowie einer faziell-stratigraphischen Charakterisierung von Schönwetter-Sedimenten und Sturmlagen. Zu jedem dieser drei Aspekte, wurde jeweils ein Fachartikel bei einer anerkannten wissenschaftlichen Fachzeitschrift mit „peer-review“ Verfahren veröffentlicht.
Der insgesamt 8.55 m lange Sedimentbohrkern („BH6“), der für diese Dissertation untersucht wurde, stammt vom Boden des 125 m tiefen und 320 m breiten „Great Blue Holes“, das sich in der flachen östlichen Lagune des 80 km vor der Küste von Belize (Zentralamerika) gelegenen „Lighthouse Reef“ Atolls befindet. Durch seine besondere Geomorphologie wirkt das, innerhalb des atlantischen „Hurrikan Gürtels“ positionierte, „Great Blue Hole“ wie eine gigantische Sedimentfalle. Die unter Schönwetter-Bedingungen kontinuierlich abgelagerten Abfolgen feinkörniger karbonatischer Sedimente, werden von groben Sturmlagen unterbrochen, die auf „over-wash“ Prozesse von tropischen Zyklonen zurückzuführen sind.
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In situ single particle analysis of ice particle residuals (IPRs) and out-of-cloud aerosol particles was conducted by means of laser ablation mass spectrometry during the intensive INUIT-JFJ/CLACE campaign at the high alpine research station Jungfraujoch (3580 m a.s.l.) in January–February 2013. During the 4-week campaign more than 70 000 out-of-cloud aerosol particles and 595 IPRs were analyzed covering a particle size diameter range from 100 nm to 3 µm. The IPRs were sampled during 273 h while the station was covered by mixed-phase clouds at ambient temperatures between −27 and −6 °C. The identification of particle types is based on laboratory studies of different types of biological, mineral and anthropogenic aerosol particles. The outcome of these laboratory studies was characteristic marker peaks for each investigated particle type. These marker peaks were applied to the field data. In the sampled IPRs we identified a larger number fraction of primary aerosol particles, like soil dust (13 ± 5 %) and minerals (11 ± 5 %), in comparison to out-of-cloud aerosol particles (2.4 ± 0.4 and 0.4 ± 0.1 %, respectively). Additionally, anthropogenic aerosol particles, such as particles from industrial emissions and lead-containing particles, were found to be more abundant in the IPRs than in the out-of-cloud aerosol. In the out-of-cloud aerosol we identified a large fraction of aged particles (31 ± 5 %), including organic material and secondary inorganics, whereas this particle type was much less abundant (2.7 ± 1.3 %) in the IPRs. In a selected subset of the data where a direct comparison between out-of-cloud aerosol particles and IPRs in air masses with similar origin was possible, a pronounced enhancement of biological particles was found in the IPRs.
In-situ single particle analysis of ice particle residuals (IPR) and out-of-cloud aerosol particles was conducted by means of laser ablation mass spectrometry during the intensive INUIT-JFJ/CLACE campaign at the high alpine research station Jungfraujoch (3580 m a.s.l.) in January/February 2013. During the four week campaign more than 70000 out-of-cloud aerosol particles and 595 IPR were analyzed covering a particle size diameter range from 100 nm to 3 μm. The IPR were sampled during 273 hours while the station was covered by mixed-phase clouds at ambient temperatures between -27 °C and -6 °C. The identification of particle types is based on laboratory studies of different types of biological, mineral and anthropogenic aerosol particles. As outcome instrument specific marker peaks for the different investigated particle types were obtained and applied to the field data. The results show that the sampled IPR contain a larger relative amount of natural, primary aerosol, like soil dust (13 %) and minerals (11 %), in comparison to out-of-cloud aerosol particles (2 % and <1 %, respectively). Additionally, anthropogenic aerosol particles, like particles from industrial emissions and lead-containing particles, were found to be more abundant in the IPR than in the out-of-cloud aerosol. The out of-cloud aerosol contained a large fraction of aged particles (30 %, including organic material and secondary inorganics), whereas this particle type was much less abundant (3 %) in the IPR. In a selected subset of the data where a direct comparison between out-of-cloud aerosol particles and IPR in air masses with similar origin was possible, a pronounced enhancement of biological particles was found in the IPR.
This paper presents results from the "INUIT-JFJ/CLACE 2013" field campaign at the high alpine research station Jungfraujoch in January/February 2013. The chemical composition of ice particle residuals (IPR) in a size diameter range of 200–900 nm was measured in orographic, convective and non-convective clouds with a single particle mass spectrometer (ALABAMA) under ambient conditions characterized by temperatures between −28 and −4 °C and wind speed from 0.1 to 21 km h−1. Additionally, background aerosol particles in cloud free air were investigated. The IPR were sampled from mixed-phase clouds with two inlets which selectively extract small ice crystals in-cloud, namely the Counterflow Virtual Impactor (Ice-CVI) and the Ice Selective Inlet (ISI). The IPR as well as the aerosol particles were classified into seven different particle types: (1) black carbon, (2) organic carbon, (3) black carbon internally mixed with organic carbon, (4) minerals, (5) one particle group (termed "BioMinSal") that may contain biological particles, minerals, or salts, (6) industrial metals, and (7) lead containing particles. For any sampled particle population it was determined by means of single particle mass spectrometer how many of the analyzed particles belonged to each of these categories. Accordingly, between 20 and 30% of the IPR and roughly 42% of the background particles contained organic carbon. The measured fractions of minerals in the IPR composition varied from 6 to 33%, while the values for the "BioMinSal" group were between 15 and 29%. Four percent to 31% of the IPR contained organic carbon mixed with black carbon. Both inlets delivered similar results of the chemical composition and of the particle size distribution, although lead was found only in the IPR sampled by the Ice-CVI. The results show that the ice particle residual composition varies substantially between different cloud events, which indicates the influence of different meteorological conditions, such as origin of the air masses, temperature and wind speed.
A thick Middle and Late Pleistocene loess/palaeosol sequence is exposed at the gravel quarry Gaul located east of Weilbach in the southern foreland of the Taunus Mountains. The loess/palaeosol sequence correlates to the last three glacial cycles. Seven samples were dated by luminescence methods using an elevated temperature IRSL (post-IR IRSL) protocol for polymineral fine-grains to determine the deposition age of the sediment and to set up a more reliable chronological framework for these deposits. The fading corrected IR50 and the pIRIR225 age estimates show a good agreement for almost all samples. The fading corrected IRSL ages range from 23.7 ± 1.6 ka to >350 ka indicating that the oldest loess was deposited during marine isotope stage (MIS) 10 or earlier and that the humic-rich horizon (Weilbacher Humuszone) was developed during the late phase of MIS 7. Loess taken above the fCc horizon most likely accumulated during MIS 6 indicating that the remains of the palaeosol are not belonging to the last interglacial soil. The two uppermost samples indicate that the youngest loess accumulated during MIS 2 (Upper Würmian). Age estimates for the loess-palaeosol sequence of the gravel quarry Gaul/Weilbach could be obtained up to ~350 ka using the pIRIR225 from feldspar. Keywords: loess, luminescence dating, IRSL, fading, Weilbach, chronostratigraphy
High field strength element systematics and Lu-Hf & Sm-Nd garnet geochronology of orogenic eclogites
(2008)
Concerning the Bulk Silicate Earth (BSE), the depleted mantle and the continental crust are thought to balance the budget of refractory and lithophile elements, resulting in complementary trace element patterns. However, the two high field strength elements (HFSE) Niob and Tantal appear to contradict this mass balance. All reservoirs of the silicate Earth exhibit subchondritic Nb/Ta ratios, possibly as a result of Nb depletion. The two HFSE Zr and Hf on the other hand seem not to be fractionated between the silicate reservoirs. They show more or less chondritic Zr/Hf ratios. In this study a series of orogenic eclogites from different localities was analyzed to determine their HFSE concentrations and to contribute to the question if eclogites could form a hidden reservoir to account for the mass imbalance of the BSE. The results show that the orogenic eclogites have subchondritic Nb/Ta ratios and near chondritic Zr/Hf ratios. The investigated eclogites show no fractionation of Nb/Ta ratios and no enrichment of Nb compared to e.g. MOR-basalts, the likely precursor of these rocks. With an average Nb/Ta ratio of 14.9 these eclogites could not balance the differences between BSE and chondrite. Additionally, with an average Nb/Ta ≈ MORB they also cannot balance the small differences in the Nb/Ta of the crust and the mantle. LA-ICPMS analyses of rutiles in these eclogites reveal a zonation of Nb/Ta ratios in this mineral, with rutile cores having higher Nb/Ta than rutile rims. As a consequence, Laser Ablation data of rutiles have to be evaluated carefully and cannot necessarily reflect a bulk rock Nb and Ta composition, although over 90% of these elements reside in rutile.
Albert Schmidts Schrift über "Die Wupper" erschien zunächst in den Jahren 1902 / 1903 und beinhaltete neben zahlreichen Messtabellen einen knapp gehaltenen Text. Die heute meist zitierte zweite Auflage stammt aus dem Jahr 1913. Sie erschien wie ihre Vorgänger bei der in der bergisch-preußischen Kreisstadt Lennep (Rheinl.) ansässigen Buchhandlung Richard Schmitz. Sie umfasst zahlenmäßig vermehrte Messtabellen des Wupperstandes, graphische Darstellungen und auch einige Fotografien aus bereits realisierten bzw. geplanten Talsperrenprojekten. Das Werk gilt als Pionierschrift des deutschen Talsperrenbaus. Der Baumeister, Architekt und Ingenieur Albert Schmidt aus Lennep (1841-1932) schuf für die technischen Talsperrenkonstruktionen des Aachener Professors Dr. Otto Intze (1843-1904) im Bergischen Land die notwendigen Grundlagen, indem er aufgrund seiner Niederschlagsmessungen im künftigen Talsperrengebiet Aussagen über die notwendige Fassungsgröße ermöglichte. Prof. Intze und Albert Schmidt werden bis heute als die Väter der deutschen Talsperren bezeichnet. Die Schrift über "Die Wupper", von ihrer Entstehung im Oberbergischen bei Marienheide bis zur Mündung in den Rhein in Leverkusen, schildert den "schwarzen Fluss" u.a. als durch die Industrialisierung extrem verseuchtes Gewässer und entwickelt Methoden seiner biologischen Reinigung durch sog. Rieselfelder. Insofern wird der Autor heute nicht nur als Kenner der damaligen Verhältnisse, sondern auch als ein "früher Alternativer" oder "Grüner" bezeichnet.
We evaluate the near-surface representation of thermally driven winds in the Swiss Alps in a numerical weather prediction model at km-scale resolution. In addition, the influence of grid resolution (2.2 km and 1.1 km), topography filtering, and land surface datasets on the accuracy of the simulated valley winds is investigated. The simulations are evaluated against a comprehensive set of surface observations for an 18-day fair-weather summer period in July 2006. The episode is characterized by strong diurnal wind systems and the formation of shallow convection over the mountains, which transitions to precipitating convection in some areas. The near-surface winds (10 m above ground level) follow a typical diurnal pattern with strong daytime up-valley flow and weaker nighttime down-valley flow. At a 2.2 km resolution the valley winds are poorly simulated for most stations, while at a 1.1 km resolution the diurnal cycle of the valley winds is well represented in most large (e.g., Rhein valley at Chur and Rhone valley at Visp) and medium-sized valleys (e.g., Linth valley at Glarus). In the smaller valleys (e.g., Maggia valley at Cevio), the amplitude of the valley wind is still significantly underestimated, even at a 1.1 km resolution. Detailed sensitivity experiments show that the use of high-resolution land surface datasets, for both the soil characteristics as well as for the land cover, and reduced filtering of the topography are essential to achieve good performance at a 1.1 km resolution
Diurnal valley winds frequently form over complex topography, particularly under fair weather conditions, and have a significant impact on the local weather and climate. Since diurnal valley winds result from complex and multi-scale interactions, their representation in numerical weather prediction models is challenging. Better understanding of these local winds based on observations is crucial to improve the accuracy of the forecasts. This study investigates the diurnal evolution of the three-dimensional mean wind structure in a deep Alpine valley, the Rhone valley at Sion, using data from a radar wind profiler and a surface weather station operated continuously from 1 September 2016 to 17 July 2017. In particular, the wind profiler data was analyzed for a subset of days on which fair weather conditions allowed for the full development of thermally driven winds. A pronounced diurnal cycle of the wind speed, as well as a reversal of the wind direction twice per day is documented for altitudes up to about 2 km above ground level (AGL) in the warm season and less than 1 km AGL in winter. The diurnal pattern undergoes significant changes during the course of the year. Particularly during the warm-weather months of May through to September, a low-level wind maximum occurs, where mean maximum up-valley velocities of 8–10 m s−1 are found between 15–16 UTC at altitudes around 200 m AGL. In addition, during nighttime, a down-valley jet with maximum wind speeds of 4–8 m s−1 around 1 km AGL is found. A case study of a three-day period in September 2016 illustrates the occurrence of an elevated layer of cross-valley flow around 1–1.5 km AGL.
Atmosphärische Schwerewellen spielen eine wichtige Rolle für die Zirkulation der mittleren Atmosphäre, die wiederum die Troposphäre auf saisonalen und längeren Zeitskalen beeinflusst, und stellen somit ein Schlüsselelement für das Wetter- und Klimageschehen dar. Eine adäquate Beschreibung des Lebenszyklus atmosphärischer Schwerewellen in den operationellen Modellen zur Wettervorhersage und Klimasimulation ist daher sehr wünschenswert. Um zu einer verbesserten mathematischen Darstellung der Schwerewellendynamik in den Modellen beizutragen, wurden in den vergangenen Jahren zahlreiche numerische Studien durchgeführt. Wenngleich auch viele der ablaufenden Prozesse gegenwärtig gut verstanden sind, stellt die Wechselwirkung zwischen den mesoskaligen Schwerewellen und den synoptischskaligen Prozessen aufgrund der hohen Komplexität der Strömung weiterhin eine besondere Herausforderung für die Erforschung der Schwerewellenaktivität dar und erfordert oftmals hochaufgelöste numerische Simulationen über große Modelldomänen.
Folglich ist es wichtig, dass die angewendeten numerischen Verfahren effizient sind und möglichst idealisierte, aber dennoch atmosphärenähnliche Szenarien simulieren. In dieser Arbeit wird ein effizientes numerisches Verfahren zur Modellierung der Dynamik interner Schwerewellen sowie deren Einfluss auf die Zirkulation der mittleren Atmosphäre entwickelt.
Dabei wird die Diskretisierung des pseudo-inkompressiblen Finite-Volumen-Modells auf einem versetzten Gitter von Rieper et al. (2013), welches der Einfachheit halber Schallwellen aus der Dynamik herausfiltert und zur Untersuchung adiabatischer Atmosphärenprozesse auf der f-Ebene entwickelt wurde, im wesentlichen durch zwei Komponenten erweitert: 1) die Anwendung eines semi-impliziten Zeitschrittverfahrens auf die Bewegungsgleichungen zur Integration der Auftriebs- und Corioliseffekte und 2) die Berücksichtigung einer Heizung durch einen thermischen Relaxationsansatz, welcher in der Troposphäre ein baroklin instabiles Strömungsprofil erzeugt und eine zeitabhängige Dynamik des Hintergrundzustands zulässt. Zur Überprüfung der korrekten Implementierung der Erweiterungen werden eine Reihe von atmosphärischen Standardteststudien durchgeführt, welche die Konvergenzeigenschaften sowie die Effizienz des Verfahrens validieren. Darüber hinaus zeigen die Testfälle, dass die Ergebnisse des Modells mit anderen veröffentlichten Arbeiten sehr gut übereinstimmen.
Schließlich wird als Anwendungstestfall eine mesoskalige Simulation barokliner Instabilität in der Troposphäre durchgeführt, welche ferner die darin enthaltene kleinskalige Wellenaktivität sowie deren Einfluss auf die mittlere Atmosphäre modelliert. Die abschließende Betrachung der zonal und zeitlich gemittelten Felder zeigt die erwartete Zonalwindumkehr in der Höhe.
Highlights
• Solidification and cooling of an intruded dyke or sill within the middle or shallow crust generate stresses of order 200 MPa, which relax on time scales of a few years to million years.
• Stresses may exceed the brittle strength forming tensile fractures.
• Combined with the pressure gradient within the over-pressurized felsic melts, this explains the migration of felsic contact melt into shrinkage cracks (Sederholm-type veins).
Abstract
Rapid emplacement of a mafic dyke or sill at mid-crustal depth heats and possibly melts the felsic wall rock followed by solidification. Associated volume changes generate stresses, possibly enforcing brittle failure and melt migration. We model the evolution of melting, solidification, temperature, and stress including visco-elastic relaxation in 1D - dykes or -sills using realistic rock rheologies of the Weschnitz pluton (Odenwald). For deep emplacement (Case 1, 15.3 km) extensive contact melting of the wall rock occurs, for shallow emplacement (Case 2, 10 km) it is negligible. The stresses are zero at high melt fractions, but increase during solidification and cooling: The intrusion orthogonal stress is always zero. The intrusion parallel stress σ‖ within the intrusion is tensile (O(200 MPa)). It relaxes on a time scale between a few years (Case 1) and 0.6 m.y. (Case 2). Within the wall rock σ‖ is compressive during heating, but becomes tensile under solidification and cooling. Wall rock stresses relax on a time scale of months to 100 years. A Deborah number is defined based on viscous to thermal relaxation allowing generalization of our results. Adding lithostatic stresses, the total stresses of Case 1 remain below the brittle strength, while for Case 2 they may exceed it. Adding the lithostatic pressure to the melt pressure, the effective stresses exceed the brittle strength and intrusion orthogonal tensile fractures are predicted. Combined with the pressure gradient within the over-pressurized felsic melts generated in the wall rock, this explains the migration of felsic contact melt into shrinkage cracks of the mafic sill in the Weschnitz pluton.
Ecological networks are more sensitive to plant than to animal extinction under climate change
(2016)
Impacts of climate change on individual species are increasingly well documented, but we lack understanding of how these effects propagate through ecological communities. Here we combine species distribution models with ecological network analyses to test potential impacts of climate change on >700 plant and animal species in pollination and seed-dispersal networks from central Europe. We discover that animal species that interact with a low diversity of plant species have narrow climatic niches and are most vulnerable to climate change. In contrast, biotic specialization of plants is not related to climatic niche breadth and vulnerability. A simulation model incorporating different scenarios of species coextinction and capacities for partner switches shows that projected plant extinctions under climate change are more likely to trigger animal coextinctions than vice versa. This result demonstrates that impacts of climate change on biodiversity can be amplified via extinction cascades from plants to animals in ecological networks.
Here we present a comprehensive attempt to correlate aragonitic Na∕Ca ratios from Desmophyllum pertusum (formerly known as Lophelia pertusa), Madrepora oculata and a caryophylliid cold-water coral (CWC) species with different seawater parameters such as temperature, salinity and pH. Living CWC specimens were collected from 16 different locations and analyzed for their Na∕Ca ratios using solution-based inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES) measurements.
The results reveal no apparent correlation with salinity (30.1–40.57 g kg−1) but a significant inverse correlation with temperature (−0.31±0.04 mmolmol−1∘C−1). Other marine aragonitic organisms such as Mytilus edulis (inner aragonitic shell portion) and Porites sp. exhibit similar results highlighting the consistency of the calculated CWC regressions. Corresponding Na∕Mg ratios show a similar temperature sensitivity to Na∕Ca ratios, but the combination of two ratios appears to reduce the impact of vital effects and domain-dependent geochemical variation. The high degree of scatter and elemental heterogeneities between the different skeletal features in both Na∕Ca and Na∕Mg, however, limit the use of these ratios as a proxy and/or make a high number of samples necessary. Additionally, we explore two models to explain the observed temperature sensitivity of Na∕Ca ratios for an open and semi-enclosed calcifying space based on temperature-sensitive Na- and Ca-pumping enzymes and transport proteins that change the composition of the calcifying fluid and consequently the skeletal Na∕Ca ratio.
Here we present a comprehensive attempt to correlate aragonitic Na / Ca ratios from Lophelia pertusa, Madrepora oculata and a caryophylliid cold-water coral (CWC) species with different seawater parameters such as temperature, salinity and pH. Living CWC specimens were collected from 16 different locations and analyzed for their Na / Ca content using solution-based inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES) measurements. The results reveal no apparent correlation with salinity (30.1–40.57 g/kg) but a significant inverse correlation with temperature (−0.31 mmol/mol/°C). Other marine aragonitic organisms such as Mytilus edulis (inner aragonitic shell portion) and Porites sp. exhibit similar results highlighting the consistency of the calculated CWC regressions. Corresponding Na / Mg ratios show a similar temperature sensitivity to Na / Ca ratios, but the combination of two ratios appear to reduce the impact of vital effects and domain-dependent geochemical variation. The high degree of scatter and elemental heterogeneities between the different skeletal features in both Na / Ca and Na / Mg however limit the use of these ratios as a proxy and/or make a high number of samples necessary. Additionally, we explore two models to explain the observed temperature sensitivity of Na / Ca ratios for an open and semi-enclosed calcifying space based on temperature sensitive Na and Ca pumping enzymes and transport proteins that change the composition of the calcifying fluid and consequently the skeletal Na / Ca ratio.
Acesta excavata (Fabricius, 1779) is a slow growing bivalve from the Limidae family and is often found associated with cold-water coral reefs along the European continental margin. Here we present the compositional variability of frequently used proxy elemental ratios (Mg/ Ca, Sr/Ca, Na/Ca) measured by laser-ablation mass spectrometry (LA-ICP-MS) and com- pare it to in-situ recorded instrumental seawater parameters such as temperature and salin- ity. Shell Mg/Ca measured in the fibrous calcitic shell section was overall not correlated with seawater temperature or salinity; however, some samples show significant correlations with temperature with a sensitivity that was found to be unusually high in comparison to other marine organisms. Mg/Ca and Sr/Ca measured in the fibrous calcitic shell section display significant negative correlations with the linear extension rate of the shell, which indicates strong vital effects in these bivalves. Multiple linear regression analysis indicates that up to 79% of elemental variability is explicable with temperature and salinity as independent pre- dictor values. Yet, the overall results clearly show that the application of Element/Ca (E/Ca) ratios in these bivalves to reconstruct past changes in temperature and salinity is likely to be complicated due to strong vital effects and the effects of organic material embedded in the shell. Therefore, we suggest to apply additional techniques, such as clumped isotopes, in order to exactly determine and quantify the underlying vital effects and possibly account for these. We found differences in the chemical composition between the two calcitic shell lay- ers that are possibly explainable through differences of the crystal morphology. Sr/Ca ratios also appear to be partly controlled by the amount of magnesium, because the small magne- sium ions bend the crystal lattice which increases the space for strontium incorporation. Oxi- dative cleaning with H2O2 did not significantly change the Mg/Ca and Sr/Ca composition of the shell. Na/Ca ratios decreased after the oxidative cleaning, which is most likely a leaching effect and not caused by the removal of organic matter.
Hyrrokkin sarcophaga is a parasitic foraminifera that is commonly found in cold-water coral reefs where it infests the file clam Acesta excavata and the scleractinian coral Desmophyllum pertusum (formerly known as Lophelia pertusa). Here, we present measurements of the trace element and isotopic composition of these parasitic foraminifera, analyzed by inductively coupled optical emission spectrometry (ICP-OES), electron probe microanalysis (EPMA) and mass spectrometry (gas-source MS and inductively-coupled-plasma MS). Our results reveal that the geochemical signature of H. sarcophaga depends on the host organism it infests. Sr / Ca ratios are 1.1 mmol mol−1 higher in H. sarcophaga that infest D. pertusum, which could be an indication that dissolved host carbonate material is utilized in shell calcification, given that the aragonite of D. pertusum has a naturally higher Sr concentration compared to the calcite of A. excavata. Similarly, we measure 3.1 ‰ lower δ13C and 0.25 ‰ lower δ18O values in H. sarcophaga that lived on D. pertusum, which might be caused by the direct uptake of the host's carbonate material with a more negative isotopic composition or different pH regimes in these foraminifera (pH can exert a control on the extent of CO2 hydration/hydroxylation) due to the uptake of body fluids of the host. We also observe higher Mn / Ca ratios in foraminifera that lived on A. excavata but did not penetrate the host shell compared to specimen that penetrated the shell, which could be interpreted as a change in food source, changes in the calcification rate, Rayleigh fractionation or changing oxygen conditions. While our measurements provide an interesting insight into the calcification process of this unusual foraminifera, these data also indicate that the geochemistry of this parasitic foraminifera is unlikely to be a reliable indicator of paleoenvironmental conditions using Sr / Ca, Mn / Ca, δ18O or δ13C unless the host organism is known and its geochemical composition can be accounted for.
Hyrrokkin sarcophaga is a parasitic foraminifer that is commonly found in cold-water coral reefs where it infests the file clam Acesta excavata and the scleractinian coral Lophelia pertusa. Here, we present measurements of the elemental and isotopic composition of this parasitic foraminifer for the first time, analyzed by inductively coupled optical emission spectrometry (ICP-OES), electron probe micro analysis (EPMA) and mass spectrometry (MS). Our results reveal that the geochemical signature of H. sarcophaga depends on the host organism it infests. Sr/Ca ratios are 1.1 mmol mol-1 higher in H. sarcophaga that infest L. pertusa, which could be an indication that dissolved host carbonate material is utilised in shell calcification, given that the aragonite of L. pertusa has a naturally higher Sr concentration compared to the calcite of A. excavata.Similarly, we measure 3.1 ‰ lower δ13C and 0.25 ‰ lower δ18O values in H. sarcophaga that lived on20 L. pertusa, which might be caused by the direct uptake of the host’s carbonate material with a more negative isotopic composition or different pH regimes in these foraminifera (pH can exert a control on the extent of CO2 hydration/hydroxylation) due to the uptake of body fluids of the host. We also observe higher Mn/Ca ratios in foraminifers that lived on A. excavata but did not penetrate the host shell compared to specimen that penetrated the shell, which could be interpreted as a change in food source, changes in the calcification rate, Rayleigh fractionation or changing oxygen conditions. While our measurements provide an interesting insight into the calcification process of this unusual foraminifer, these data also indicate that the geochemistry of this parasitic foraminifer is unlikely to be a reliable indicator of paleoenvironmental conditions using Sr/Ca, Mn/Ca, δ18O or δ13C unless the host organism is known and its geochemical composition can be accounted for.
Geochemical investigations on biogenic carbonates are commonly conducted to reconstruct the environmental conditions of the past. However, different carbonate producers incorporate elements to varying degrees, due to biological vital effects. Detecting and quantifying these effects is crucial to produce reliable reconstructions. These paleoreconstructions are of great importance to evaluate the consequences of our recent climate change and identify control mechanisms on the distribution of endangered species such as Desmophyllum pertusum. In chapter three we tested Mg/Ca, Sr/Ca and Na/Ca ratios on this species, among other coldwater scleractinians, to test if they provide reliable proxy information. The results reveal no apparent control of Mg/Ca or Sr/Ca ratios through seawater temperature, salinity or pH. Na/Ca ratios appear to be partly controlled by the seawater temperature, which is also true for other aragonitic organisms such as warm-water corals and the bivalve Mytilus edulis. However, a large variability complicates possible reconstructions by means of Na/Ca. In addition, we explore different models to explain the apparent temperature effect on Na/Ca ratios based on temperature sensitive Na and Ca pumping enzymes.
The bivalve Acesta excavata is commonly found in cold-water coral reefs among the North Atlantic, together with D. pertusum. Multiple linear regression analysis, presented in chapter four, indicates that up to 79% of the elemental variability in Mg/Ca, Sr/Ca and Na/Ca is explainable with temperature and salinity as independent predictor variables. Vital effects, for instance growth rate effects, are evident and make paleoreconstructions not feasible. Furthermore, organic material embedded in the shell, as well as possible stress effects can drastically change the elemental composition. Removal of these organic matrices from bulk samples for LA-ICP-MS (laser ablation inductively coupled mass spectrometer) measurements by means of oxidative cleaning is not possible, but Na/Ca ratios decrease after this cleaning. This is presumably an effect of leaching and not caused by the removal of organic matrices.
Interesting biogeochemical relations were found in the parasitic foraminifera H. sarcophaga. We report Mg/Ca, Sr/Ca, Na/Ca and Mn/Ca ratios measured in H. sarcophaga from two different host species (A. excavata and D. pertusum) in chapter five. Sr/Ca ratios are significantly higher in foraminifera that lived on D. pertusum. This could indicate that dissolved host material is utilized in shell calcification of H. sarcophaga, given the naturally higher strontium concentration in the aragonite of D. pertusum. Mn/Ca ratios are highest in foraminifera that lived on A. excavata but did not fully penetrate the host’s shell. Most likely, this represents a juvenile stadium of the foraminifera during which it feeds on the organic
periostracum of the bivalve, which is enriched in Mn and Fe. The isotopic compositions are similarly affected, both δ18O and δ13C values are significantly lower in foraminifera that lived 23on D. pertusum compared to specimen that lived on A. excavata. Again, this might represent the uptake of dissolved host material or different pH regimes in the calcifying fluid of the hosts (bivalve < 8, coral > 8) that control the extent of hydration/hydroxylation reactions. Temperature reconstructions are possible using stable oxygen isotopes on this foraminifera species; however, the results are only reliable if the foraminifera lived on A. excavata. Samples of H. sarcophaga from D. pertusum would lead to overestimations of the seawater temperature due to the lower δ18O values.
Apart from biological vital effects, storage and preservation methods can significantly change the geochemical composition of different marine biogenic carbonates. In chapter six this is presented on the example of ethanol preservation, a common technique to allow extended storage of biogenic samples. The investigation reveals a significant decrease of Mg/Ca and Na/Ca ratios even after only 45 days storage in ultrapure ethanol. Sr/Ca ratios on the other hand are not influenced.
Besides temperature, salinity and pH further environmental parameters are important such as nutrient availability, especially for the distribution of cold-water corals. In chapter seven we extend the investigations on A. excavata by including the elemental ratios Ba/Ca, Mn/Ca and P/Ca. We expected P/Ca to be helpful in the otherwise difficult process of dentifying growth increments. Based on our observations we had to refute this theory. P/Ca ratios are not systematically enriched in the vicinity of growth lines. Instead, we found a regular sequence of peaks of Ba/Ca, P/Ca and Mn/Ca. This sequence as well as the peaks in general are potentially caused by equential blooms of different algae, diatoms and other planktonic organisms ...
An easy-to-use model to evaluate conductivities at high and middle latitudes in the height range 70–100 km is presented. It is based on electron density profiles obtained with the EISCAT VHF radar during 11 years and on the neutral atmospheric model MSIS95. The model uses solar zenith angle, geomagnetic activity and season as input parameters. It was mainly constructed to study the properties of Schumann resonances that depend on such conductivity profiles.
Kalkreiche Niedermoore
(2002)
Die Standorte der nährstoffarmen kalkreichen Sümpfe und Moore weisen oberflächennah anstehendes kalkreiches Grundwasser auf. Bei geringer Sauerstoffversorgung kommt es hier, bedingt durch schlechtere Humuszersetzung, zur Bildung kalkreicher Torfablagerungen. Teilweise werden die Standorte jedoch auch von sauerstoffreichem Quellwasser durchsickert. Hier findet eine wesentlich stärkere Zersetzung des Humus statt, wodurch keine Torfablagerungen entstehen und es lediglich zur Bildung von Kalksümpfen kommt. Diese Kalksümpfe weisen häufig eine mehr oder weniger ausgeprägte Kalktuffbildung auf. Bei Kontakt mit der Luft gibt das hier zutage tretende kalziumbikarbonatreiche Quellwasser Kohlendioxid ab. Dadurch wird Kalziumkarbonat frei. Die mit Wasser benetzten Teile der an diesen Standorten vorkommenden Pflanzen werden mit einer Kalkschicht überzogen, wodurch Kalktuff gebildet wird. Nur die kalkreichen Niedermoore in der subalpinen Stufe der Alpen sind weitgehend gehölzfrei (GÖRS 1974, in OBERDORFER 1977). In tieferen Lagen kommen auf diesen Standorten natürlicherweise Erlenbruchwälder aus dem Verband Alnion glutinosae vor. Durch Rodung des Waldes und anschließender jahrhundertelanger Beweidung oder gelegentlicher Mahd (SUCCOW u. JESCHKE 1986) entwickelten sich hier Kalkbinsensümpfe und Kalkkleinseggenriede.
The reanalysis products and derived products, ERA5 (Copernicus Climate Change Service, 2018) and W5E5 (WATCH Forcing Data (WFD) methodology applied to ERA5) (LANGE ET AL., 2021) have been recently published initiating a new phase of scientific research utilizing these datasets. ERA5 and W5E5 offer the possibility to reduce insecurities in model results through their improved quality compared to previous climate reanalyses (CUCCHI ET AL., 2020). The suitability of either climate forcing as input for the hydrological model WaterGAP and the influence of the models specific calibration routine has been evaluated with four model experiments. The model was validated by analysing the models ability to produce reasonable values for global water balance components and to reproduce observed discharge in 1427 basins as well as total water storage anomalies in 143 basins using well established efficiency metrics. Bias correction of W5E5 was found to lead to more global realistic mean precipitation and consequently discharge and AET values. In an uncalibrated model setup ERA5 results in better performances across all efficiency metrics. Model results produced with W5E5 as climate input were strongly improved through calibration ultimately leading to the best performances out of all four model experiments. However, model performances considerably improved through calibration with both climate forcings hence calibration was found to have the strongest effect on model performance. Furthermore, spatial differences in performance of either forcing were identified. Snow-dominated regions show an overall better performance with ERA5, while wetter and warmer regions are better represented with W5E5. Finally, it can be concluded that W5E5 should be preferred as climate input for impact modelling; however, depending on the spatial scale and region ERA5 should at least be considered, in particular for snow-dominated regions.
Global impact models represent process-level understanding of how natural and human systems may be affected by climate change. Their projections are used in integrated assessments of climate change. Here we test, for the first time, systematically across many important systems, how well such impact models capture the impacts of extreme climate conditions. Using the 2003 European heat wave and drought as a historical analogue for comparable events in the future, we find that a majority of models underestimate the extremeness of impacts in important sectors such as agriculture, terrestrial ecosystems, and heat-related human mortality, while impacts on water resources and hydropower are overestimated in some river basins; and the spread across models is often large. This has important implications for economic assessments of climate change impacts that rely on these models. It also means that societal risks from future extreme events may be greater than previously thought.
Aquatic ecosystems are globally contaminated with microplastics (MP). However, comparative data on MP levels in freshwater systems is still scarce. Therefore, the aim of this study is to quantify MP abundance in water and sediment of the German river Elbe using visual, spectroscopic (Fourier-transform infrared spectroscopy) and thermo analytical (pyrolysis gas chromatography mass spectrometry) methods. Samples from eleven German sites along the German part of the Elbe were collected, both in the water and sediment phase, in order to better understand MP sinks and transport mechanisms. MP concentrations differed between the water and sediment phase. Sediment concentrations (mean: 3,350,000 particles m−3, 125–5000 μm MP) were in average 600,000-fold higher than water concentrations (mean: 5.57 particles m−3, 150–5000 μm MP). The abundance varied between the sampling sites: In sediments, the abundance decreased in the course of the river while in water samples no such clear trend was observed. This may be explained by a barrage retaining sediments and limiting tidal influence in the upstream parts of the river. Particle shape differed site-specifically with one site having exceptionally high quantities of spheres, most probably due to industrial emissions of PS-DVB resin beads. Suspended MP consisted predominantly of polyethylene and polypropylene whereas sediments contained a higher diversity of polymer types. Determined MP concentrations correspond well to previous results from other European rivers. In a global context, MP levels in the Elbe relate to the lower (water) to middle section (sediment) of the global range of MP concentrations determined for rivers worldwide. This highlights that elevated MP levels are not only found in single countries or continents, but that MP pollution is an issue of global concern.
Despite mounting evidence of the anthropogenic influence on the Earth's climate, underlying mechanisms of climate change often remain elusive. The investigation of periods of rapid climate change from geological archives may provide crucial information about magnitude, duration, teleconnections of and regional responses to global and hemispheric scale climate perturbations. Thus, paleoclimate reconstructions may help in mitigating and adapting to the challenges of the coming decades. The '8.2 kyr B.P. climatic event' has previously been proposed as a possible analogue for the future climatic scenario of a reduced Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). The catastrophic drainage of the Laurentide meltwater lakes through the Hudson Bay and into the Labrador Sea, that occurred ca. 8.47 kyr B.P., caused the slowdown of the AMOC around 8.2 kyr B.P.. Subsequently, reduced heat transfer towards Europe triggered a substantial decline in (winter) temperature and pronounced changes in atmospheric circulation patterns in many regions of the northern hemisphere, especially the North Atlantic realm and Europe. Among the regions affected by the 8.2 kyr B.P. climatic event, the Eastern Mediterranean region is of particular interest for both past and future climate developments. Traditionally characterized as a region highly sensitive to variations in the climate systems of the high and low latitudes, abrupt climate changes have the potential to strongly alter atmospheric circulation patterns and thus precipitation distribution in the region that may have severe socioeconomical consequences. The analysis of stable hydrogen (δD) and oxygen isotopes (δ18O) in precipitation is an excellent tool to trace changes in atmospheric circulation. Here, we present a comparative study of δD and δ18O in precipitation from the Eastern Mediterranean region both in a present day scenario and during the 8.2 kyr B.P. climatic event. We analyze the influences of topography, air mass trajectory, climate and seasonality among others the stable isotopic compositions of meteoric waters from the Central Anatolian Plateau (CAP), Turkey, in order to create a first-order template which may serve as a reference against which paleoenvironmental proxy data may be more accurately interpreted and tested. Further, we employ a multiproxy approach on the early Holocene peat deposits of the classical site of Tenaghi Philippon (TP), NE Greece, to investigate paleoenvironmental responses to northern hemisphere cooling during the 8.2 kyr B.P. climatic event and aim to determine changes atmospheric circulation from δD of leaf wax n-alkanes (δDwax).
Based on δD and δ18O data from more than 480 surface water samples from the CAP, we characterize moisture sources affecting the net isotopic budget of precipitation, manifesting in a systematic north-south difference in near-sea level moisture compositions. Rainout, induced by the major orographic barriers of the plateau, the Pontic Mountains to the north and the Taurus Mountains to the south, strongly shape the modern patterns of δD and δ18O. Stable isotope data from the semi-arid plateau interior provide clear evidence for an evaporitic regime that drastically affects surface water compositions. Strong evaporative enrichment contrasts rainfall patterns along the plateau margins, in part obfuscating the effects of topography and air mass trajectory.
Consequently, in order to address possible influences of evaporation on δD and δ18O in paleoprecipitation from TP, we analyze n-alkane abundances and distributions along with stable carbon isotope compositions of total organic carbon (δ13CTOC) and palynological data to estimate surface moisture conditions during the early Holocene (ca. 8.7 - 7.5 kyr B.P.) and especially during the 8.2 kyr B.P. climatic event. A period of relatively dry surface conditions from ca. 8.7 to 8.2 kyr B.P., indicated by low values of the 'aquatic index' (Paq ) and by elevated Average Chain Length (ACL) values, in concert with elevated δ13CTOC values, precedes the 8.2 kyr B.P. climatic event. The event itself is characterized by slightly wetter, more humid conditions, as suggested by an increase in Paq values as well as reduced ACL and δ13CTOC values between ca. 8.2 and 7.9 kyr B.P.. In the upper section of the core, a distinct change in paleohydrology becomes. A steep increase in Paq and a decrease in ACL values as well as variations in δ13CTOC from 7.9 kyr B.P. onwards imply considerably elevated surface moisture levels, likely caused by the increased activity of the karstic system of the surrounding mountains. Collectively, the biomarker proxies presented here, reveal a concise picture of changing moisture conditions at TP that is consistent with palynological data and provide detailed paleoenvironmental information for the analysis of δDwax as a paleoprecipitation proxy. The long-term decline in δDwax values characterizes the lower section of the core until ca. 8.2 kyr B.P.. The 8.2 kyr B.P. climatic event itself is connected to two distinct positive hydrogen isotope excursions: a minor shift in δDwax around 8.2 kyr B.P. and a major shift in δDwax between ca. 8.1 and 8.0 kyr B.P.. The upper part of the section shows a progressive trend towards higher δDwax values. With no indication of increased evaporitic conditions at TP during the 8.2 kyr B.P. climatic event, as evident in biomarker proxies and pollen data, we link shifts in δDwax to changes in Mediterranean air mass trajectories supplying precipitation to northeastern Greece, with variations in the relative contributions of northerly derived, D-depleted moisture and southerly-derived, D-enriched moisture. Possible control mechanisms include changes in the influence of the Siberian High and differences in the influence of the African and Asian monsoon circulations on anticyclonic conditions in the Mediterranean region as well as regional inflow of moist air from the Aegean Sea.
Die zweite Reise des FS MARIA S. MERIAN setzt sich aus physikalisch-ozeanographischen und biologischen Programmen zusammen. Der erste Fahrtabschnitt (Leitung Lherminier) führt ein französisches Langzeitprogramm zur Erfassung der atlantischen Umwälzbewegung (OVIDE) fort, bei dem ein hydrographischer Schnitt mit einem umfangreichen Tracerprogramm zwischen Portugal und dem südlichen Grönland aufgenommen wird. Der zweite Abschnitt (Leitung Meincke) ist ein Beitrag zum Hamburger Sonder-forschungsbereich 512, Teilprojekt „Der Ostgrönlandstrom – Indikator niederfrequenter Veränderlichkeit des Ausstroms aus dem System Arktischer Ozean/Europäisches Nordmeer“ und zum Grundprogramm des Alfred-Wegener-Institutes zum Thema „Langzeit-variabilität von Konvektion und Transporten in der Grönlandsee“. Auf dem dritten Abschnitt (Leitung Freiwald) werden neben einer polarforschungshistorischen Studie auf Spitsbergen biosedimentäre Systeme polarer Karbonatvorkommen auf den Schelfen Svalbards im Zusammenhang mit rezenter Klimavariabilität analysiert. Im letzten Abschnitt (Leitung Schauer) werden Langzeitmessungen zum Wassermassenaustausch zwischen Nordatlantik und dem Nordpolarmeer durch die Framstraße und zur Ökologie der polaren Tiefsee fortgeführt. MSM02/1 Im Rahmen eines 2002 begonnenen Langzeitprogramms OVIDE zur Erfassung der atlantischen Umwälzbewegung wird alle 2 Jahre ein hydrographischer Schnitt zwischen Portugal und dem südlichen Grönland aufgenommen. Der Schnitt besteht aus 95 CTD-Stationen und einem umfangreichen Tracer-Programm Begleitet werden die Messungen durch direkte Strömungsmessungen mit ADCPs, - einem im Schiff verankerten sowie einem mit der Rosette gefierten Gerät. Das Programm ist Teil des französischen Programms PNEDC und des inter-nationalen Programms CLIVAR. MSM02/2 Der Fahrtabschnitt MSM02 dient der Fortführung von zwei längerfristigen physikalisch-ozeanographischen Beobachtungsprogrammen der Universität Hamburg und des Alfred-Wegener-Institutes für Polar- und Meeresforschung. Mit Hilfe von in situ Messungen und realitätsnaher Model-lierung soll die saisonale bis zwischenjährliche Veränderlichkeit der Wassermassenzusammensetzung und –transporte sowohl des oberflächennahen und tiefen Ostgrönlandstromes als auch des Grönlandsee-Wirbels untersucht werden. Sie liefern die Daten zur Rolle der Prozesse im Europäischen Nordmeer, die den Eintrag von oberflächennahem Süßwasser und tiefen Overflows in den Nordatlantischen Ozean kontrollieren und damit die für das europäische Klima wichtige atlantische thermohaline Umwälzzirkulation steuern. MSM02/3 Die wissenschaftliche Zielsetzung der Reise MSM02/3 widmet sich der postglazialen Entwicklung benthischer Lebensgemeinschaften auf den Schelfen um Spitzbergen. Die Integration geologischer, biologischer, meeres-chemischer und ozeanographischer Fragestellungen ist durch die Expertise der Fahrtteilnehmer gesichert. Zusätzlich wird das Schicksal der gescheiterten Deutschen Arktis Expedition und ihrer Rettungsexpedition in den Jahren 1912 und 1913 erforscht und ein wichtiges, wenngleich tragisches Kapitel in der deutschen Polarforschung geschlossen. MSM02/4 Das Programm dient ozeanographischen und biologischen Langzeitstudien in der Framstraße. Im Rahmen des EU-geförderten Programms „DAMOCLES“ wird der ozeanische Austausch zwischen dem Nordatlantik und dem Nord-polarmeer bestimmt. Dazu wird seit 1997 auf 79°N ein Verankerungsarray betrieben, das jährlich ausgetauscht wird. Um die räumlichen Skalen besser aufzulösen, werden parallel dazu CTD-Messungen durchgeführt. Über den gleichen Zeitraum währen multidisziplinäre Untersuchungen im Bereich der Tiefsee-Langzeitstation AWI-„Hausgarten“. Neben einem zentralen Experimentierfeld in 2500 m Wassertiefe werden Stationen entlang zweier Transekte in 1000 - 5500 m Wassertiefe aufgesucht, um in biologischen, geochemischen und sedimentologischen Untersuchungen saisonale und mehrjährige Veränderungen identifizieren zu können. Dabei werden neben schiffsgebundenen Proben-nahmegeräten Lander und Verankerungen eingesetzt. Im Rahmen des DFG-Projekts “Biodiversity and ecology of deepsea copepods in polar seas – speciation processes and ecological niches in the homogeneous environment of the pelagic realm” werden die Biodiversität und die Ernährungsökologie dominanter Cope-podenarten der arktischen Tiefsee untersucht.
Der 300 km breite Eucla Schelf Südaustraliens gehört zu den weltgrößten modernen nicht-tropischen Ablagerungssystemen. Während des Pleistozäns wurde hier ein etwa 500 m mächtiger pleistozäner Sedimentstapel abgelagert, der sich aus progradierenden Klinoformen zusammensetzt. Die Ocean Drilling Program Sites 1127, 1129 und 1131 bilden ein proximal-distal Profil entlang des Eucla Shelfs-Kontinentalhangs. Die dabei erbohrten pleistozänen Periplattform-Ablagerungen bestehen überwiegend aus bioklastenreichen, fein- bis grobkörnigen, unlithifizierten bis teilweise lithifizierten Pack-, Wacke- und Grainstones. Eine ausgeprägte sedimentäre Zyklizität der analysierten Ablagerungen drückt sich in Fluktuationen der Korngröße und der mineralogischen Zusammensetzung, der natürlichen Radioaktivität, der stabilen Isotope sowie in Veränderungen der Fazies aus. Zur Untersuchung der sedimentären Zyklizität dieser nicht-tropischen Sedimente wurden sechs Sedimentintervalle früh- bis mittelpleistozänen Alters innerhalb der Bohrungen Site 1127, 1129 und 1131 ausgewählt. Die früh- bis mittelpleistozäne Periplattform-Sedimentabfolge des Eucla Schelfs wird durch die Stapelung genetischer Sequenzen gebildet. Diese entstehen als eine Folge hochfrequenter Meeresspiegelschwankungen, die unmittelbare Auswirkungen auf den Grad der Überflutung und damit auf den Sedimentexport vom Eucla Schelf ins angrenzende Becken haben. Eine genetische Sequenz weist eine Mächtigkeit von etwa 25 m unmittelbar beckenwärts der Schelfkante auf. Die maximale Mächtigkeit von ca. 30 m wird in beckenwärtigeren Bereichen erreicht, bevor die genetische Sequenz erneut auskeilt und in den hier untersuchten distalsten Ablagerungsbereichen Mächtigkeiten von 10-15 m aufweist. Die Begrenzungen der genetischen Sequenzen werden durch abrupte Korngrößenwechsel oder durch Umkehrpunkte in Korngrößentrends gebildet. Innerhalb einer genetischen Sequenz werden Hochstands-Ablagerungen durch grobkörnige bioklastenreiche Pack- bis Grainstones charakterisiert, die wiederum große Mengen an Tunikaten Spikulae, braunen hoch-Mg Bioklasten und Bryozoen-Detritus beinhalten. Tiefstands-Ablagerungen andererseits werden durch feinkörnige Packstones mit erhöhten Gehalten an Schwammnadeln und Mikrit charakterisiert. Die metastabilen Karbonatmodifikationen Aragonit und Hoch-Mg Kalzit können jeweils bis zu 34 % der Gesamtprobe ausmachen und sind in Ablagerungen des Meeresspiegel-Anstiegs und -Hochstands angereichert. Hauptaragonitbildner sind dabei Tunikaten Spikulae. Dolomit ist auf Ablagerungen des beginnenden Meeresspiegel-Anstiegs beschränkt. Die primäre Verteilung der metastabilen Karbonatmodifikationen innerhalb der genetischen Sequenzen führt so während späterer Versenkungsstadien möglicherweise zu einer differentiellen Diagenese. Die sedimentäre Zyklizität der Ablagerungen des späten Mittelpleistozäns unterscheidet sich von der Zyklizität des frühen- bis mittleren Pleistozäns durch eine Zunahme der Häufigkeit allochthoner Schelfkomponenten wie Rotalgen-Detritus und brauner Hoch-Mg Kalzit-Bioklasten. Zugleich zeigt sich ein Häufigkeits-Rückgang autochthoner Schwammnadeln. Diese Variationen während des frühen und mittleren Pleistozäns werden als eine Folge der Progradation der Schelfkante und der sich daraus ergebenden verändernden relativen Position zur Schelfkante sowie des sich verändernden Nährstoffeintrags interpretiert. Site 1127 zeigt darüberhinaus eine Verdopplung der Zyklenmächtigkeiten der mittelpleistozänen Ablagerungen. Dies ist höchstwahrscheinlich auf Veränderungen der Erdorbitalparameter (Milankovitch-Zyklizität) zurückzuführen. Im letzten Teil der Arbeit werden die sedimentären Zyklizitäten dieser nicht-tropischen Periplattform-Karbonate mit pleistozänen tropischen Ablagerungen der westlichen Flanke der Großen Bahama Bank verglichen (ODP Site 1009). Die Gliederung in Coarsening Upward-Zyklen ist dabei ein wesentliches Merkmal sowohl der nicht-tropischen als auch der tropischen Periplattform-Karbonate. Im Gegensatz zu den untersuchten nicht-tropischen Karbonaten werden jedoch tropische Ablagerungen des Meeresspiegel-Anstiegs und -Hochstands durch feinkörniges, mikritreiches Material. Maxima des Aragonit- bzw. Minima des Hoch-Mg Kalzitgehalts charakterisiert. Die Mächtigkeit einzelner Zyklen von ca. 10 m ist darüberhinaus aufgrund geringfügig niedrigerer Sedimentationsraten geringer als in den untersuchten nicht-tropischen Karbonaten, in denen die minimalen Zyklenmächtigkeiten 10-15 m betragen.
Aus der Redaktion
(2020)
Droughts are anticipated to intensify in many parts of the world due to climate change. However, the issue of drought definition, namely the diversity of drought indices, makes it difficult to compare drought assessments. This issue is widely known, but its relative importance has never been quantitatively evaluated in comparison to other sources of uncertainty. Here, encompassing three drought categories (meteorological, agricultural, and hydrological droughts) with four temporal scales of interest, we evaluated changes in the drought frequency using multi-model and multi-scenario simulations to identify areas where the definition issue could result in pronounced uncertainties and to what extent. We investigated the disagreement in the signs of changes between drought definitions and decomposed the variance into four main factors: drought definitions, greenhouse gas concentration scenarios, global climate models, and global water models, as well as their interactions. The results show that models were the primary sources of variance over 82% of the global land area. On the other hand, the drought definition was the dominant source of variance in the remaining 17%, especially in parts of northern high-latitudes. Our results highlight specific regions where differences in drought definitions result in a large spread among projections, including areas showing opposite signs of significant changes. At a global scale, 7% of the variance resulted independently from the definition issue, and that value increased to 44% when 1st and 2nd order interactions were considered. The quantitative results suggest that by clarifying hydrological processes or sectors of interest, one could avoid these uncertainties in drought assessments to obtain a clearer picture of future drought change.
Le phénomène du cuirassement reste une "curiosité" et une énigme pour le pays de la zone intertropicale. A cause de ses caractéristiques lithologiques et structurales assez particulières de ses roches (roches riches en éléments ferromagnésiens), le Burkina Faso est une véritable zone de prédilection des cuirasses. Malgré l'effort des chercheurs pour élucider le phénomène du cuirassement, force est de reconnaître que de nos jours, certains points d'ombre subsistent toujours; ce qui invite à une analyse plus poussée ... Loin de négliger les problèmes liés à la reconstitution de la génèse de la cuirasse, nous proposons ici une analyse assez originale des cuirasses sur la base des connaissances déjà acquises et de nos multiples observations sur le terrain burkinabé.
An interior delta in the lower course of the Ntem River near the sub-prefecture Ma’an was identified after interpretation of satellite images, topographical maps of SW Cameroon and geological as well as hydrological references and a reconnaissance fieldtrip to the study area. Here neotectonic processes have initiated the establishment of a ‘sediment trap’ (step fault), which in combination with environmental changes strongly generated the fluvial morphology. It transitionally led to temporary lacustrine and palustrine conditions in parts of this river section. Inside the interior delta an anastomosing multi-branched river system has developed, which contains ‘stillwater locations', periodically inundated sections, islands and rapids. Following geomorphological, physiogeographical and sedimentological research approaches, the alluvial plain has been prospected and studied extensively. 91 hand-corings, including three NE–SW transects, were carried out on river benches, levees, cut-off and periodical branches, islands as well as terraces throughout the entire alluvial plain and have unveiled multi-layered, sandy to clayey alluvia reaching up to 440 cm depth. At many locations, fossil organic horizons and palaeosurfaces were discovered, containing valuable palaeoenvironmental proxy data. At these sites, through additional detailed stratigraphical analysis (close-meshed hand-coring and exposure digging) a comprehensive insight into the stratification (lamination) of the alluvia could be gained, clarifying processes and conditions that prevailed in the catchment area during the period of their deposition. 32 Radiocarbon data of macro-rests (leafs, wood), charcoal and organic sediment sampled from these horizons provided ages between 48.230 ± 6.411 and 217 ± 46 years BP (not calibrated). This constitutes the importance of the alluvia as an additional, innovative palaeoarchive for proxy data contributing to the reconstruction of palaeoenvironment and palaeoclimate in western Equatorial Africa. The further examination of the alluvia will not only provide additional information on the dynamics of vegetation, climate and hydrology (esp. fluvial morphology) in SW Cameroon since the ‘First Millennium BC Crisis’ (around 3.000 years BP), the main focus of the DFG-research project, but also on conditions prevailing since the Late Pleistocene, during the Last Glacial Maximum (~18.000 years BP), the Younger Dryas impact (~11.000 years BP) and the ‘Humid African Period’ (~9.000–6.000 years BP). Delta13C-values (–31,4 to –26,4‰) evidence that at the particular drilling sites rain forest has prevailed during the corresponding time period (rain forest refuge theory). The sampled macrorests all indicate rain forest dominated ecosystems, which were able to persist in fluvial habitats, even during arid periods.
Die Studie zur holozänen und pleistozänen Umweltgeschichte Süd-Kameruns betrachtet den Aussagewert alluvialer Ablagerungen der Flüsse Boumba, Dja, Nyong, Ntem und Sanaga für die Paläoumweltforschung. Die zugrundeliegende Forschungsarbeit fand im Rahmen des ReSaKo-Projektes, als Teil der interdisziplinären DFG-Forschergruppe 510 (“Ökologischer Wandel und kulturelle Umbrüche in West- und Zentralafrika”) statt, welches die zeitliche und räumliche Korrelation zwischen Klimawandel, Landnutzungsstrategien und kulturellen Innovationen während der “First Millennium BC Crisis” untersucht hat. Hierfür wurde der ökologisch sensitive Bereich des tropischen bis äquatorialen, immergrünen bis halb-immergrünen Guineisch-Kongolesischen Regenwaldes und dessen Übergangszone zur Savanne im Süden Kameruns ausgewählt. Als Hauptziele galten dabei zum einen der Nachweis und die Interpretation umweltgeschichtlich verwertbarer Alluvionen in einer diesbezüglich bisher unerforschten Region und zum anderen die Korrelation der Befunde mit bereits vorliegenden terrestrischen und hemi-pelagischen Paläoumweltarchiven zur weiteren Rekonstruktion der Paläoumweltbedingungen im westlichen (monsunalen) Äquatorialafrika. Nach der Identifizierung geeigneter Arbeitsgebiete entlang verzweigter, mäandrierender und verflochtener bis anastomosierender Flussabschnitte mittels Fernerkundung von Satellitenbildszenen (LANDSAT ETM+ und ASTER), wurden unter Verwendung physiogeographischer und geomorphologischer Arbeitsmethoden ausgedehnte Feldarbeiten während der Trockenzeiten der Jahre 2005-2008 durchgeführt. Zahlreiche Bohrarbeiten (161 Handbohrungen bis 550 cm Tiefe) zur Sedimentprobennahme (1093 Proben) innerhalb der Alluvial- und Auenbereiche der fluvialen Systeme lieferten einen umfassenden Einblick in die Stratigraphie und fluvial-morphologische als auch paläoökologische und –hydrologische Entwicklung der verschiedenen fluvialen Ökosysteme. Die mehrschichtigen, sandigen bis tonigen Alluvionen enthalten Paläooberflächen (z. B. Gyttjen, reliktische Sümpfe, fossile organische Lagen/Horizonte), die hervorragende zusätzliche Proxydaten-Archive für die Rekonstruierung umweltgeschichtlicher Bedingungen darstellen. Bohrtransekte und die Interpretation von Korngrößensequenzen (Verfeinerung, Vergröberung) und Paläooberflächen aus solchen alluvialen Sedimentarchiven stellen ein wichtiges, diagnostisches Instrument bei der Rekonstruktion paläoökologischer und paläohydrologischer Bedingungen und Veränderungen dar und belegen zeitweise einsetzende Austrocknung und Bodenbildung in den Auen sowie die Entstehung von Sümpfen, Mudden, Altarmen und Altwasserseen. Dies zeugt eindeutig von einer modifizierten Dynamik der fluvialen Systeme als Reaktion auf endogene Steuer-größen und (fluss-)interner Variabilität (equilibrium). Eine Vielzahl (76) von 14C (AMS)-Datierungen an organischem Sediment und Makroresten aus diesen Alluvionen lieferten spätpleistozäne bis rezente Alter (~48 – 0,2 ka BP). Die dazugehörigen δ13C-Werte (-35.5 bis -18.0 ‰) belegen für den Großteil der Untersuchungsstandorte (außer Oberläufe des Nyong und Sanaga) den Fortbestand von C3-Spezies dominierter Galleriewald-Ökosysteme entlang der Flusssysteme (“fluviale Regenwaldrefugien”) trotz einiger klimatischer Veränderungen/Aridisierungen (z. B. Letztes Glaziales Maximum um etwa 20.000 BP). Trotz der bestehenden Schwierigkeiten bei der Interpretation tropischer Sedimentarchive (z. B. Hiatusproblematik) und fluvialer Archive im Allgemeinen, unterstützen weitere sedimentologische und pedologische Analysen (bodenchemische und -physikalische Laboranalysen: Korngrößen, Kohlenstoff [Ctot], Stickstoff [N], Eisengehalt [Feo und Fed], pH, Munsell-Farben und C/N) und ausgewählte 14C (AMS)-Datierungen und δ13C-Bestimmungen diesen Beitrag zur hypothetischen Rekonstruktion der umweltgeschichtlichen und paläohydrologischen Entwicklung des Untersuchungsraumes. Die Interpretation des Alluvialarchivs liefert zusätzlich fundierte Informationen hinsichtlich der komplexen Zusammenhänge zwischen Klima, Ozean, fluvialen und ökologischen Systemen und anthropogener Einflussnahme in einem regional weitestgehend unerforschten Gebiet mit hoch-sensitiven tropischen Ökosystemen. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Korrelation mit früheren Paläoumweltstudien, die über Untersuchungen an weiteren terrestrischen (lakustrin und palustrin) und hemi-pelagischen Archiven dieser Region gewonnen werden konnten. Sie bekräftigen Milanković- bis sub-Milanković-skalige Fluktuationen (bes. Präzession-Zyklus) der Intensität des westafrikanischen Monsuns und daraus resultierende klimatische, hydrologische und ökologische Modifikationen im Untersuchungsgebiet, was wiederum weitreichende Telekonnektionen und Reorganisationen impliziert. Insgesamt können im Liegenden grobkörnige, sandige sedimentäre Einheiten, welche turbulente fluvial-morphologische Bedingungen und geöffnete Landschaftsstrukturen während des Spätpleistozäns (48-30 ka BP) vermuten lassen, von fein-sandigen LGM-zeitlichen (22-16 ka BP) und mächtigen schluffigen bis tonigen, holozänen Sedimenteinheiten im Hangenden unterschieden werden, welche eher stabilisierte und saisonale Umweltverhältnisse widerspiegeln. Größere Um- und Verlagerungen innerhalb der Alluvialbereiche (v. a. Gerinnebettverlagerungen, Versumpfung) konnten für den Übergang vom Pleistozän zum Holozän (14-10 ka BP) nachgewiesen werden. Weitere einschneidende Veränderungen traten im Spätholozän auf (um 4, 2 und 0,8 ka BP), wahrscheinlich begünstigt durch die einsetzende Sesshaftwerdung Bantu sprechender Volksgruppen im tropischen Regenwald Zentralafrikas und die Einführung der Metallurgie um 3 ka BP. Die Informationen über regionale umweltgeschichtliche Oszillationen und Variationen im Prozess- und Landschaftsgefüge sind in den alluvialen Sedimenten gut dokumentiert und erhalten geblieben und ergänzen somit frühere Ergebnisse (z. B. ECOFIT Programm) zur spätquartären Umweltgeschichte des vom Monsun geprägten westlichen Äquatorialafrikas. Die Ergebnisse bestätigen vor allem die Bedeutung und Anwendbarkeit tropischer (afrikanischer) alluvialer Sedimente für die Paläoumweltforschung und belegen zudem, dass neben (neo-)tektonischen Impulsen das Klima die tragende Rolle in der Gestaltung der Landschaft und der Dynamik, sowie der Entwicklung der Flusseinzugsgebiete gespielt hat.
Land surface and hydrologic models (LSMs/HMs) are used at diverse spatial resolutions ranging from catchment-scale (1–10 km) to global-scale (over 50 km) applications. Applying the same model structure at different spatial scales requires that the model estimates similar fluxes independent of the chosen resolution, i.e., fulfills a flux-matching condition across scales. An analysis of state-of-the-art LSMs and HMs reveals that most do not have consistent hydrologic parameter fields. Multiple experiments with the mHM, Noah-MP, PCR-GLOBWB, and WaterGAP models demonstrate the pitfalls of deficient parameterization practices currently used in most operational models, which are insufficient to satisfy the flux-matching condition. These examples demonstrate that J. Dooge's 1982 statement on the unsolved problem of parameterization in these models remains true. Based on a review of existing parameter regionalization techniques, we postulate that the multiscale parameter regionalization (MPR) technique offers a practical and robust method that provides consistent (seamless) parameter and flux fields across scales. Herein, we develop a general model protocol to describe how MPR can be applied to a particular model and present an example application using the PCR-GLOBWB model. Finally, we discuss potential advantages and limitations of MPR in obtaining the seamless prediction of hydrological fluxes and states across spatial scales.
Land surface and hydrologic models (LSM/HM) are used at diverse spatial resolutions ranging from 1-10 km in catchment-scale applications to over 50 km in global-scale applications. Application of the same model structure at different spatial scales requires that the model estimates similar fluxes independent of the model resolution and fulfills a flux-matching condition across scales. An analysis of state-of-the-art LSMs and HMs reveals that most do not have consistent and realistic parameter fields for land surface geophysical properties. Multiple experiments with the mHM, Noah-MP, PCR-GLOBWB and WaterGAP models are conducted to demonstrate the pitfalls of poor parameterization practices currently used in most operational models, which are insufficient to satisfy the flux-matching condition. These examples demonstrate that J. Dooge’s 1982 statement on the unsolved problem of parameterization in these models remains true. We provide a short review of existing parameter regionalization techniques and discuss a method for obtaining seamless hydrological predictions of water fluxes and states across multiple spatial resolutions. The multiscale parameter regionalization (MPR) technique is a practical and robust method that provides consistent (seamless) parameter and flux fields across scales. A general model protocol is presented to describe how MPR can be applied to a specific model, with an example of this application using the PCR-GLOBWB model. Applying MPR to PCR-GLOBWB substantially improves the flux-matching condition. Estimation of evapotranspiration without MPR at 5 arcmin and 30 arcmin spatial resolutions for the Rhine river basin results in a difference of approximately 29%. Applying MPR reduce this difference to 9%. For total soil water, the differences without and with MPR are 25% and 7%, respectively.
Flusssysteme im mediterranen Raum reagieren besonders sensitiv auf Veränderungen von Umweltbedingungen, z.B. durch Neotektonik, Klimaänderungen und Landnutzung. Geowissenschaftler der Goethe-Universität Frankfurt untersuchen in diesem Zusammenhang das Einzugsgebiet des Rio Palancia (Spanien), um über die Erstellung einer Sediment-Massenbilanzierung die Entwicklungsgeschichte des Systems zu erforschen. Zur Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Sediment-Ablagerungstypen wurde das Georadarverfahren (GPR) eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es, am Beispiel fluvialer Lockersedimente das Zustandekommen von Radargrammen noch besser zu verstehen und möglichst viel Information über den Untergrund aus einem Radargramm zu extrahieren. An 30 Standorten wurden GPR-Messungen durchgeführt und mit Geoelektrik und Rammkernsondierungen kombiniert. Die Einführung einer Bearbeitungs- und Auswertesystematik gewährleistet die Vergleichbarkeit von Radardaten unterschiedlicher Standorte. Als Besonderheit werden die Radargramme jeweils auf zwei verschiedene Arten bearbeitet und dargestellt, um sowohl Strukturen herauszuarbeiten als auch die – zumindest relative – Amplitudencharakteristik zu erhalten. Erst dadurch wird eine Auswertung mithilfe der erweiterten Radarstratigraphie-Methode möglich. Diese setzt sich aus der klassischen Radarstratigraphie und der neu entwickelten Reflexionsanalyse zusammen. Dabei werden systematisch Radar-Schichtflächen, Radareinheiten und Radarfazies ermittelt und anschließend die Amplitudengröße, die Polarität und die Breite der Reflexionen betrachtet. Die Radarstratigraphie liefert objektive Erkenntnisse über Form und Verlauf von Untergrundstrukturen, während mithilfe der Reflexionsanalyse Aussagen zu relativen Änderungen von Wassergehalt, Korngrößenverteilung und elektrischer Leitfähigkeit möglich sind. Mithilfe der Radarstratigraphie wurde die Radarantwort verschiedener Sediment-Ablagerungstypen im Untersuchungsgebiet verglichen. Die Radargramme zeigen unterschiedliche Zusammensetzungen von Radarfazies. Eine Unterscheidung und räumliche Abgrenzung verschiedener Ablagerungstypen mit GPR ist somit durchführbar. Die Dielektrizität des Mediums bestimmt, zusammen mit der elektrischen Leitfähigkeit, die Geschwindigkeit und Dämpfung der elektromagnetischen Welle sowie die Reflexionskoeffizienten. Um das Zustandekommen von Radargrammen im Detail nachvollziehen zu können, ist es notwendig, die Dielektrizitätskoeffizienten (DK) der untersuchten Sedimente zum Zeitpunkt der Messung zu kennen und die Abhängigkeit des DK von petrophysikalischen Parametern zu verstehen. Deshalb wurden Proben aus den Rammkernsondierungen entnommen. Im Labor wurden der Real- und Imaginärteil des DK im Radarfrequenzbereich (mit Schwerpunkt auf 200 MHz) in Abhängigkeit von Wassergehalt, Trockendichte, Korngrößenverteilung und Kalkgehalt mithilfe der Plattenkondensatormethode bestimmt. Der DK ist in erster Linie vom Wassergehalt abhängig. Es konnte eine für die Sedimente im Untersuchungsgebiet charakteristische Wassergehalts-DK-Beziehung ermittelt werden. Die resultierende Kurve ist gegenüber entsprechenden in der Fachliteratur zu findenden Beziehungen verschoben, was vermutlich auf die hohen Kalkgehalte der Proben zurückzuführen ist. Für trockene Sedimente wurde eine Korrelation des DK mit der Trockendichte festgestellt. Bei der Bestimmung der Absorptionskoeffizienten fiel auf, dass Proben mit hohem Tonanteil selbst bei geringen Wassergehalten außerordentlich hohe Dämpfungskoeffizienten aufweisen können. Die charakteristische Wassergehalts-DK-Beziehung wurde für Modellierungen von Radardaten genutzt, die dann mit Messdaten verglichen wurden. Über die Modellierung einer einzelnen Radarspur konnte die spezielle Charakteristik der entsprechenden gemessenen Spur erklärt werden, die durch den Einfluss einer dünnen Schicht zustande kommt, deren Mächtigkeit an der Grenze der theoretischen Auflösung für die verwendete Radarfrequenz liegt. Auf Basis der Erkenntnisse aus der erweiterten Radarstratigraphie an einem Radargramm auf fluvialen Lockersedimenten war es zudem möglich, ein komplettes Radargramm zu simulieren. Es gibt das gemessene Radargramm vereinfacht, aber in guter Übereinstimmung wieder. Die Georadarmethode erwies sich als sehr gut geeignet für die Untersuchung, Identifizierung und Quantifizierung fluvialer Sedimente im Palancia-Einzugsgebiet. Die im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelte erweiterte Radarstratigraphie-Methode stellt ein systematisches und weitgehend objektives Verfahren zur Auswertung von Radargrammen dar, das sich auch auf andere Untersuchungsgebiete übertragen lassen sollte. Durch Laboruntersuchungen wurde der Einfluss petrophysikalischer Parameter auf den DK bestimmt. Über die Modellierungen konnten die Ergebnisse großskaliger Geländemessungen mit denen kleinskaliger Labormessungen verknüpft werden. Die insgesamt gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis von Radargrammen bei.
During the SHIVA (Stratospheric Ozone: Halogen Impacts in a Varying Atmosphere) project an extensive dataset of all halogen species relevant for the atmospheric budget of total organic bromine has been collected in the West Pacific region using the FALCON aircraft operated by the German Aerospace agency DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) covering a vertical range from the planetary boundary layer up to the ceiling altitude of the aircraft of 13 km. In total, more than 700 measurements were performed with the newly developed fully-automated in-situ instrument GHOST-MS (Gas cHromatograph for the Observation of Tracers – coupled with a Mass Spectrometer) by the Goethe University of Frankfurt (GUF) and with the onboard whole-air sampler WASP with subsequent ground based state-of-the-art GC/MS analysis by the University of East Anglia (UEA). Both instruments yield good agreement for all major (CHBr3 and CH2Br2) and minor (CHBrCl, CHBrCl2 and CHBr2Cl) VSLS (very short-lived substances), at least at the level of their 2 σ measurement uncertainties. In contrast to the suggestion that the Western Pacific could be a major source region for VSLS (Pyle et al., 2011), we found only slightly enhanced mixing ratios of brominated halogen source gases relative to the levels reported in Montzka et al. (2011) for other tropical regions. A budget for total organic bromine, including all four halons,CH3Br and the VSLS, is derived for the upper troposphere, the input region for the TTL and thus also for the stratosphere, compiled from the SHIVA dataset. With exception of the two minor VSLS CHBrCl2 and CHBr2Cl, excellent agreement with the values reported in Montzka et al. (2011) is found, while being slightly higher than previous studies from our group based on balloon-borne measurements.
Latitudinal and bathymetrical species richness patterns in the NW Pacific and adjacent Arctic Ocean
(2019)
Global scale analyses have recently revealed that the latitudinal gradient in marine species richness is bimodal, peaking at low-mid latitudes but with a dip at the equator; and that marine species richness decreases with depth in many taxa. However, these overall and independently studied patterns may conceal regional differences that help support or qualify the causes in these gradients. Here, we analysed both latitudinal and depth gradients of species richness in the NW Pacific and its adjacent Arctic Ocean. We analysed 324,916 distribution records of 17,414 species from 0 to 10,900 m depth, latitude 0 to 90°N, and longitude 100 to 180°N. Species richness per c. 50 000 km2 hexagonal cells was calculated as alpha (local average), gamma (regional total) and ES50 (estimated species for 50 records) per latitudinal band and depth interval. We found that average ES50 and gamma species richness decreased per 5° latitudinal bands and 100 m depth intervals. However, average ES50 per hexagon showed that the highest species richness peaked around depth 2,000 m where the highest total number of species recorded. Most (83%) species occurred in shallow depths (0 to 500 m). The area around Bohol Island in the Philippines had the highest alpha species richness (more than 8,000 species per 50,000 km2). Both alpha and gamma diversity trends increased from the equator to latitude 10°N, then further decreased, but reached another peak at higher latitudes. The latitudes 60–70°N had the lowest gamma and alpha diversity where there is almost no ocean in our study area. Model selection on Generalized Additive Models (GAMs) showed that the combined effects of all environmental predictors produced the best model driving species richness in both shallow and deep sea. The results thus support recent hypotheses that biodiversity, while highest in the tropics and coastal depths, is decreasing at the equator and decreases with depth below ~2000 m. While we do find the declines of species richness with latitude and depth that reflect temperature gradients, local scale richness proved poorly correlated with many environmental variables. This demonstrates that while regional scale patterns in species richness may be related to temperature, that local scale richness depends on a greater variety of variables.