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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.
Um die Veränderungen von der Natur- zur Kulturlandschaft des Hochtals von St. Antönien (Graubünden, Schweiz) zu erfassen, wurden unterschiedliche natürliche Archive, wie Böden, Moore und Bäume innerhalb eines Methodenverbunds aus Bodenkunde, Palynologie und Dendroökologie untersucht. Das Gerüst für die Paläoumweltrekonstruktion bilden dabei die Pollenanalysen der Moorprofile Capelgin (1680 m ü. NN) und Groß Ried (1720 m ü. NN) am NE-exponierten Hang des Chrüzes. Sie reichen bis ins Boreal zurück. Um bestimmte Landschaftszustände, wie Rodungen oder Nutzungsänderungen, zu beschreiben, erwiesen sich Bodenprofile ebenfalls als sehr aufschlussreiche landschaftsgeschichtliche Zeugnisse. Mit den dendroökologischen Untersuchungen war es möglich, kalenderjahrgenaue Angaben zur Wiederbewaldungsdynamik und zum Erosionsgeschehen zu machen. Der Beginn der Alpweidrodungen im Hochtal liegt in der Spätbronzezeit, damit wurde ein weiterer Beweis geliefert, dass auch die klimatisch weniger begünstigten nördlichen Randalpen schon in dieser Epoche vom Menschen genutzt wurden. Flächenhafte Brandrodungen um Weideland zu gewinnen, sind dann für die Eisen- und Römerzeit belegt. Die Ergebnisse des Methodenverbunds gaben zudem einen genaueren Einblick in das Wirkungsgefüge Mensch und Umwelt. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Betrachtung der eisenzeitlichen Alpweidrodungen. Nach den Brandrodungen war es nicht möglich, die Flächen in Weideland zu überführen, sondern es gab zunächst eine Phase erhöhter Geomorphodynamik mit Ausbreitung der Grünerle.
Die Genese der Leptinite und Paragneise zwischen Nordrach und Gengenbach im mittleren Schwarzwald
(1990)
Nachdem die Erforschung der anatektischen Prozesse lange Jahre das Bild des metamorphen Schwarzwalds prägte, wurden durch das Erkennen von Niedrigdruck- und Mitteldruck-Faziesserien (BLÜMEL 1983) und durch die lithologische Gliederung (WIMMENAUER 1984) neue Akzente im metamorphen Grundgebirge gesetzt. Im Rahmen des Kontinentalen Tiefbohrprogramms der Bundesrepublik Deutschland (KTB) wurde im Raum Nordrach-Gengenbach eine Leptinit-Paragneis-Wechselfolge kartiert. Vier Einheiten konnten unterschieden werden: (1) homogene Areale aus biotitarmen Leptiniten, (2) homogene Areale aus biotitreichen Leptiniten, (3) Areale aus verschiedenen, psammopelitischen Paragneisen und (4) eine Wechsellagerung im Aufschlussbereich zwischen Paragneisen und biotitarmen Leptiniten. Die ganze Wechselfolge stellt einen metamorphen, vulkano-sedimentären Komplex aus mindestens zwei verschiedenen Rhyolithen, rhyolithischen Tuffen, Tonsteinen, Grauwacken/Arkosen und Tuffiten dar. Die Struktur des Arbeitsgebiets wird durch die Wippersbach-Mulde, einen Bereich entlang des Haigerach-Tals mit Tendenz zu einem hochtemperatur-mylonitischen Gefüge und den Nordracher Granit, der parallel zur Foliation der Metamorphite intrudierte, geprägt. Im Mittelbachtal ist in streichender Verlängerung der Zone Diersburg-Berghaupten eine ca. 200 m breite Störungszone aufgeschlossen, die mehrphasig mylonitisch und kataklastisch überprägt wurde. Die biotitarmen Leptinite bestehen im wesentlichen aus 40 % Quarz und 60 % Feldspat. Sie sind nahezu massig, feinkörnig-ungleichkörnig (0,1 - 1 mm) mit amöboiden Kornformen. Mylonitische Gefüge kommen untergeordnet vor. Ihr Mineralbestand lautet: Quarz, Biotit, Granat, Sillimanit, Cordierit, Spinell, Ilmenit, Rutil. Die ehemaligen Hypersolvus-Feldspäte Mesoperthit und Antiperthit zeigen eine Entwicklungsreihe zu diskreten Plagioklas(An10-20)- und Orthoklas-Körnern. Um Granat ist eine Corona aus Cordierit-Quarz-Symplektit oder hellgrünem Biotit entwickelt. Die biotitreichen Leptinite haben durch den erhöhten Biotit-Gehalt (um 3 %) ein flaseriges Gefüge. Ihnen fehlt Mesoperthit, dafür führen sie reichlich Antiperthit (An20). Monazit ist ein charakteristischer akzessorischer Gemengteil. Die chemische Zusammensetzung der Leptinite entspricht der von Rhyolithen und ist über viele km nahezu konstant. Eine Probe ist stark an Uran verarmt. Die untersuchten Leptinite ähneln nach Auftreten, Chemismus und Metamorphose den Leptiniten von Todtmoos im Südschwarzwald. Die Paragneise werden in Quarz-Feldspat-reiche Meta-Grauwacken/Meta-Arkosen und Cordierit-reiche Meta-Pelite gegliedert. Das Gefüge ist feinkörnig, lagig-flaserig, teilweise mittelkörnig-migmatitisch und selten mylonitisch oder metablastisch. Der Mineralbestand lautet: Quarz, Plagioklas(An30), Antiperthit, Orthoklas, Biotit, Cordierit, Granat, Kyanit, Sillimanit (meist pseudomorph nach Kyanit), Andalusit (kontaktmetamorph), Spinell, Diaspor, Rutil, Graphit, Ilmenit und Sulfide. Die chemischen Analysen der Paragneise wurden mit denen von nicht metamorphen Sedimenten verglichen: die cordieritreichen Paragneise konnten als metamorphe Tongesteine bestimmt werden, die Quarz-Feldspat-reichen Paragneise sind metamorphe Grauwacken oder Arkosen, da sich Grauwacken und Arkosen nach ihrer chemischen Analyse nicht eindeutig unterscheiden lassen. Im Arbeitsgebiet gibt es nur ein kleines Amphibolit-Vorkommen. Es handelt sich um einen Cummingtonit-führenden Amphibolit, bei dem sich noch ein früheres Metamorphose-Stadium unter hohen Drücken nachweisen lässt. Der Strukturzustand der Alkalifeldspäte (Or85) ist lithologieabhängig und liegt zwischen Orthoklas und Maximum Mikroklin. Granat ist nur schwach diffusions-zoniert. Die Ca-reichen Zentren und Ca-armen Ränder der Granate zeigen eine Druckentlastung an. Aus den Biotit-Analysen (TiO2 bis 5,3 Gew.-%) wurde abgeleitet, da die Tschermak-Substitution die AlVI-Variation nicht erklären kann, sondern dass der AlVI-Gehalt in den untersuchten Biotiten wahrscheinlich vom Fe/(Fe+Mg)-Verhältnis des Gesteins abhängt. Cordierit (teilweise Fe-reich) ist meist pinitisiert. Bei einigen Piniten kann nicht ausgeschlossen werden, dass nach NEDELEC & PAQUET (1981) nicht Cordierit sondern eine Schmelze das Edukt war. Grüner und brauner Fe-Mg-Zn-Aluminat-Spinell kommt vorwiegend zusammen mit Cordierit (±Diaspor) als Corona um Kyanit vor. Das ganze Aggregat wird durch eine äußere Plagioklas-Corona vom Rest des Gesteins abgekapselt. Die metamorphe Entwicklung der untersuchten Gesteine beginnt mit einem druckbetonten Stadium (Hochdruck-Granulitfazies bis ?Eklogit-Fazies) und der Paragenese Granat + Kyanit + Hypersolvus-Feldspäte + Quarz ± Biotit. Die Temperatur lässt sich nur recht unsicher zu 700 °C abschätzen. Mit dem jetzt vorliegenden Plagioklas ergibt sich mit dem GPAQ-Thermobarometer, dem GRAIL- und dem GRIPS-Barometer ein Druck um 7-9 kbar, der als gut belegter Mindestdruck interpretiert wird. Falls aber während dieses Stadiums die Ca-reichen Granat-Zentren der biotitarmen Leptinite mit einem Hypersolvus-Alkalifeldspat (3 Mol-% Anorthit-Komponente nach der CIPW-Norm der Gesteinsanalyse) und Kyanit im Gleichgewicht standen, dann ergeben sich deutlich höhere Drücke von 14-19 kbar. Dieses Metamorphose-Stadium lässt sich mit dem geochronologischen 480 Ma-Ereignis (Ordovizium) korrelieren. Darauf folgt ein Druckentlastungs-Zwischenstadium mit der Umwandlung von Kyanit in Sillimanit und der Bildung der Spinell-Coronen um Al2SiO5-Minerale. Den Abschluss der Metamorphose-Entwicklung bildet ein statisches Cordieritisierungs-Stadium (LP-HT-Metamorphose, Cordierit-Kalifeldspat-Paragenese). Es bewirkte das statische Wachstum von reichlich Cordierit in Biotit-Sillimanit-reichen Teilgefügen und um Granat. Die Temperatur lag dabei nach dem Granat-Biotit-, dem Granat-Cordierit- und dem Granat-Ilmenit-Thermometer bei 650±50 °C. Der Druck betrug dabei nach dem GPAQ-Thermobarometer 3±2 kbar. Dieses Metamorphose-Stadium ist im NE des Raums Nordrach-Gengenbach stark ausgeprägt, im SW, wo das frühe, druckbetonte Stadium gut erhalten ist, nur schwach. Das statische Cordieritisierungs-Stadium lässt sich in das Karbon einstufen.
We report measurements of the deuterium content of molecular hydrogen (H2) obtained from a suite of air samples that were collected during a stratospheric balloon flight between 12 and 33 km at 40º N in October 2002. Strong deuterium enrichments of up to 400 permil versus Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) are observed, while the H2 mixing ratio remains virtually constant. Thus, as hydrogen is processed through the H2 reservoir in the stratosphere, deuterium is accumulated in H2 . Using box model calculations we investigated the effects of H2 sources and sinks on the stratospheric enrichments. Results show that considerable isotope enrichments in the production of H2 from CH4 must take place, i.e., deuterium is transferred preferentially to H2 during the CH4 oxidation sequence. This supports recent conclusions from tropospheric H2 isotope measurements which show that H2 produced photochemically from CH4 and non-methane hydrocarbons must be enriched in deuterium to balance the tropospheric hydrogen isotope budget. In the absence of further data on isotope fractionations in the individual reaction steps of the CH4 oxidation sequence, this effect cannot be investigated further at present. Our measurements imply that molecular hydrogen has to be taken into account when the hydrogen isotope budget in the stratosphere is investigated.
The isotopic composition of methane in the stratosphere : high-altitude balloon sample measurements
(2011)
The isotopic composition of stratospheric methane has been determined on a large suite of air samples from stratospheric balloon flights covering subtropical to polar latitudes and a time period of 16 yr. 154 samples were analyzed for δC and 119 samples for δD, increasing the previously published dataset for balloon borne samples by an order of magnitude, and more than doubling the total available stratospheric data (including aircraft samples) published to date. The samples also cover a large range in mixing ratio from tropospheric values near 1800 ppb down to only 250 ppb, and the strong isotope fractionation processes accordingly increase the isotopic composition up to δ13C=−14‰ and δD= +190‰, the largest enrichments observed for atmospheric CH4 so far. When analyzing and comparing kinetic isotope effects (KIEs) derived from single balloon profiles, it is necessary to take into account the residence time in the stratosphere in combination with the observed mixing ratio and isotope trends in the troposphere, and the range of isotope values covered by the individual profile. Temporal isotope trends can also be determined in the stratosphere and compare reasonably well with the tropospheric trends. The effects of chemical and dynamical processes on the isotopic composition of CH4 in the stratosphere are discussed in detail. Different ways to interpret the data in terms of the relative fractions of the three important sink mechanisms (reaction with OH, O(1D)) and Cl, respectively), and their limitations, are investigated. The classical approach of using global mean KIE values can be strongly biased when profiles with different minimum mixing ratios are compared. Approaches for more local KIE investigations are suggested. It is shown that any approach for a formal sink partitioning from the measured data severely underestimates the fraction removed by OH, which is likely due to the insensitivity of the measurements to the kinetic fractionation in the lower stratosphere. Attempts can be made to correct for the lower stratospheric sink bias, but full quantitative interpretation of the CH4 isotope data in terms of the three sink reactions requires a global model.
The isotopic composition of methane in the stratosphere : high-altitude balloon sample measurements
(2011)
The isotopic composition of stratospheric methane has been determined on a large suite of air samples from stratospheric balloon flights covering subtropical to polar latitudes and a time period of 16 yr. 154 samples were analyzed for δ13C and 119 samples for δD, increasing the previously published dataset for balloon borne samples by an order of magnitude, and more than doubling the total available stratospheric data (including aircraft samples) published to date. The samples also cover a large range in mixing ratio from tropospheric values near 1800 ppb down to only 250 ppb, and the strong isotope fractionation processes accordingly increase the isotopic composition up to δ13C = −14‰ and δD = +190‰, the largest enrichments observed for atmospheric CH4 so far. When analyzing and comparing kinetic isotope effects (KIEs) derived from single balloon profiles, it is necessary to take into account the residence time in the stratosphere in combination with the observed mixing ratio and isotope trends in the troposphere, and the range of isotope values covered by the individual profile. The isotopic composition of CH4 in the stratosphere is affected by both chemical and dynamical processes. This severely hampers interpretation of the data in terms of the relative fractions of the three important sink mechanisms (reaction with OH, O(1D) and Cl). It is shown that a formal sink partitioning using the measured data severely underestimates the fraction removed by OH, which is likely due to the insensitivity of the measurements to the kinetic fractionation in the lower stratosphere. Full quantitative interpretation of the CH4 isotope data in terms of the three sink reactions requires a global model.
The Tarim River Basin, located in Xinjiang, NW China, is the largest endorheic river basin of China and one of the largest in whole Central Asia. Due to the extremely arid climate with an annual precipitation of less than 100 mm, the water supply along the Aksu and Tarim River solely depends on river water. This applies for anthropogenic activities (e.g. agriculture) as well as for the natural ecosystems so that both compete for water. The on-going increase of water consumption by agriculture and other human activities in this region has been enhancing the competition for water between human needs and nature. Against this background, 11 German and 6 Chinese universities and research institutes formed the consortium SuMaRiO (www.sumario.de), which aims at gaining a holistic picture of the availability of water resources in the Tarim River Basin and the impacts on anthropogenic activities and natural ecosystems caused by the water distribution within the Tarim River Basin. The discharge of the Aksu River, which is the major tributary to the Tarim, has been increasing over the past 6 decades due to enhanced glacier melt. Alone from 1989 to 2011, the area under agriculture more than doubled. Thereby, cotton became the major crop and there was a shift from small-scale farming to large-scale intensive farming. The major natural ecosystems along the Aksu and Tarim River are riparian ecosystems: Riparian (Tugai) forests, shrub vegetation, reed beds, and other grassland. Within the SuMaRiO Cluster the focus was laid on the Tugai forests, with Populus euphratica as dominant tree, because the most productive and species-rich natural ecosystems can be found among those forests. On sites with groundwater distance of less than 7.5 m the annual increments correlated with river runoffs of the previous year. But, the further downstream along the Tarim River, the more the natural river dynamics ceased, which impacts on the recruitment of Populus euphratica. Household surveys revealed that there is a considerable willingness to pay for conservation of those riparian forests with the mitigation of dust and sandstorms considered as the most important ecosystem service. This interdisciplinary project will result in a decision support tool (DST), build on the participation of regional stakeholders and models based on results and field experiments. This DST finally shall assist stakeholders in balancing the water competition acknowledging the major external effects of any water allocation.
The Tarim River basin, located in Xinjiang, NW China, is the largest endorheic river basin in China and one of the largest in all of Central Asia. Due to the extremely arid climate, with an annual precipitation of less than 100 mm, the water supply along the Aksu and Tarim rivers solely depends on river water. This is linked to anthropogenic activities (e.g., agriculture) and natural and semi-natural ecosystems as both compete for water. The ongoing increase in water consumption by agriculture and other human activities in this region has been enhancing the competition for water between human needs and nature. Against this background, 11 German and 6 Chinese universities and research institutes have formed the consortium SuMaRiO (Sustainable Management of River Oases along the Tarim River; http://www.sumario.de), which aims to create a holistic picture of the availability of water resources in the Tarim River basin and the impacts on anthropogenic activities and natural ecosystems caused by the water distribution within the Tarim River basin. On the basis of the results from field studies and modeling approaches as well as from suggestions by the relevant regional stakeholders, a decision support tool (DST) will be implemented that will then assist stakeholders in balancing the competition for water, acknowledging the major external effects of water allocation to agriculture and to natural ecosystems. This consortium was formed in 2011 and is funded by the German Federal Ministry of Education and Research. As the data collection phase was finished this year, the paper presented here brings together the results from the fields from the disciplines of climate modeling, cryology, hydrology, agricultural sciences, ecology, geoinformatics, and social sciences in order to present a comprehensive picture of the effects of different water availability schemes on anthropogenic activities and natural ecosystems along the Tarim River. The second objective is to present the project structure of the whole consortium, the current status of work (i.e., major new results and findings), explain the foundation of the decision support tool as a key product of this project, and conclude with application recommendations for the region. The discharge of the Aksu River, which is the major tributary of the Tarim, has been increasing over the past 6 decades. From 1989 to 2011, agricultural area more than doubled: cotton became the major crop and there was a shift from small-scale to large-scale intensive farming. The ongoing increase in irrigated agricultural land leads to the increased threat of salinization and soil degradation caused by increased evapotranspiration. Aside from agricultural land, the major natural and semi-natural ecosystems are riparian (Tugai) forests, shrub vegetation, reed beds, and other grassland, as well as urban and peri-urban vegetation. Within the SuMaRiO cluster, focus has been set on the Tugai forests, with Populus euphratica as the dominant tree species, because these forests belong to the most productive and species-rich natural ecosystems of the Tarim River basin. At sites close to the groundwater, the annual stem diameter increments of Populus euphratica correlated with the river runoffs of the previous year. However, the natural river dynamics cease along the downstream course and thus hamper the recruitment of Populus euphratica. A study on the willingness to pay for the conservation of the natural ecosystems was conducted to estimate the concern of the people in the region and in China's capital. These household surveys revealed that there is a considerable willingness to pay for conservation of the natural ecosystems, with mitigation of dust and sandstorms considered the most important ecosystem service. Stakeholder dialogues contributed to creating a scientific basis for a sustainable management in the future.
Drevermanns Name ist in der Geologie nicht mit bahnbrechenden Ideen und Theorien verknüpft. Er hat nicht seine gesamte Energie auf seine Forschungen gerichtet. Stattdessen seine - manchmal auch schwache - Kraft (vgl. 3.6.) auf die Lehre (bei der Senckenbergischen Naturforschenden Gesellschaft und Universität), die Aufklärung des Volkes (in Vorträgen und „Natur und Museum“) und vor allem auf sein Museumsengagement aufgeteilt. Schon in seinem zweiten Senckenberg-Jahr zeichnete sich das Engagement für die Museumskunde ab. Er arbeitete sicher in der ersten Zeit eher angeleitet, später freier planend und ergänzend für die Vollständigkeit der Sammlung. Und schon 1911 leidet Drevermann daran, daß er zu wenig Zeit für seine eigene Arbeit hat. Er bat am 10. Oktober 1911 den Anfang seiner „Dienststunden auf 9 statt um 8“ festzusetzen, also die „Anzahl reduzieren von 42 auf 36“ Stunden. Als Grund nannte er: „Während der Arbeitszeit im Museum ist es wegen der fortwährenden und vielseitigen Inanspruchnahme meiner Tätigkeit nicht möglich, zu eigener wissenschaftlichen Tätigkeit zu gelangen.“ Er schreibt weiter, daß er dadurch hofft, „länger am Abend arbeiten“ zu können. Schon damals zeigt sich sein offensichtlicher Zeitmangel für seine eigenen Forschungsarbeiten. Dies sollte ihn sein ganzes Leben begleiten. Als fast tragisch ist deswegen zu werten, daß er seine schon 1915 begonnene Arbeit über Placodus trotz großer Anstrengungen in 1930 und 1931 nicht mehr beenden kann. Als ausschlaggebend für den Wandel und für die Abkehr von der eigenen devonischen Forschung und den Beginn des enormen Museumsengagements darf die Schenkung des Diplodocus gewertet werden. Dieses Museumsexponat verlegte Drevermanns Forschungsschwerpunkt zu den fossilen Wirbeltieren, im speziellen den Dinosauriern und Artverwandten, und damit hin zu einem für Drevermann und damit für das Senckenberg-Museum noch heute erfolgreichen Museumsthema. Drevermann ging damit den Weg vom klassischen Devon-Paläontologen hin zum Museumswissenschaftler. In seinen Schaffensjahren zeigt sich sein Werdegang zum Agitator, er setzte die Akzente und arbeitete für seine Museumsvorstellungen. Dazu ein Zitat Drevermanns aus seiner frühen Veröffentlichung über die Meersaurier im Senckenberg-Museum (1914): „Das Streben unseres Museums nach einer möglichst vollständigen Vertretung aller wichtigen Typen des Tierlebens der Vorzeit ist am ersten bei den Meersauriern mit Erfolg gekrönt worden. Durch das wiederholte verständnisvolle Eingreifen mehrerer Gönner des Museums ist es gelungen, in einem Jahrzehnt eine Sammlung zu schaffen, auf die das Museum stolz sein kann.“ Drevermann deutet hier nur versteckt an, daß das angesprochene Jahrzehnt sein erstes im Senckenberg-Museum war. Mit Hilfe von Gönnern, deren Wohlwollen er in der Lage war sich zu verschaffen, gelang es ihm durch Täusche und Käufe diese Sammlung aufzubauen. Er wurde zur prägenden Persönlichkeit. Deswegen machte ihn die Senckenbergischen Naturforschende Gesellschaft zum ersten Geologieprofessor der jungen Frankfurter Universität. Ein Ergebnis seiner intensiven engagierten Arbeit: 1924 wird er zum geschäftsführenden Direktor des Senckenberg-Museums ernannt. Drevermann betrieb als Museumswissenschaftler eine populäre Wissenschaft. Die Beispiele dafür sind mannigfaltig: seine Texte in der Frankfurter Zeitung, das Entwickeln der Zeitschrift „Natur und Museum“ und seine Veröffentlichungen und Fragenbeantwortung hierin, seine vielen Reden, seine Radio-Aktivitäten. Das außerordentliche Engagement Drevermanns für „sein“ Museums-Periodikum zeigt dabei deutlich, wie er als Museumswissenschaftler agierte und nicht als forschender Naturwissenschaftler. Und er ist als Museumswissenschaftler erfolgreich, weil er besondere Qualitäten als Autor und Redner hat. Er beschreibt anschaulich - auch für den Laien - , aber wissenschaftlich genau. Beschäftigt hat sich Drevermann tatsächlich mit geologisch und paläontologischer Forschung nur sekundär. Er war nicht der Spezialist, sondern der Generalist - er verstand viele geologische und paläontologische Fragestellungen. Denn er war immer auf der Höhe des disziplinären Diskussionen – auch wenn er selbst nur einen geringen Beitrag an Lösungen dazu lieferte. Er selbst liest die Veröffentlichungen über die Forschungsarbeiten anderer, spricht in seinen Vorlesungen und Reden darüber, stellt Bücher vor, greift auch in die fachliche Diskussion ein mit Stellungnahmen und Essays, aber entfacht keine solche. Letzteres war nur einmal der Fall: bei seinen Vorstellungen über das Museum der Zukunft. Dieses Thema ist das eigentliche Vermächtnis Drevermanns.
Tectonics and geothermal gradients from subduction to collision in the NW Variscan Iberian Massif
(2022)
The earliest tectonometamorphic record of tectonic slices incorporated to the base of an orogen holds the key to understand how an orogen is built. The tectonic pile of the NW Iberian section of the Variscan Orogen includes tectonic slices separated by crustal-scale thrusts. The earliest tectonometamorphic record in the uppermost parautochthon is calculated at 11–14 kbar and 450–500°C (P-T gradient about 13°C/km), suggesting a subduction-related metamorphic recrystallization at lower pressure than the overlying Lower Allochthon. Early conditions calculated in the autochthon (9–10 kbar and 425–450°C; 16°C/km) point to a relatively ‘cold’ collisional setting. Higher thermal gradients obtained from some sections of the autochthon (11–12 kbar and 700–725°C; 21°C/km) and the Lower Parautochthon (7.5 kbar and 550–700°C; 24–31°C/km), correspond to more advanced and ‘hot’ stages of collision. New U–Pb monazite geochronology indicates a 318–311 Ma age for the final formation of HT domes in the region. We propose the rapid decrease in P-T gradient (from <10 to 16°C/km) documents a fail to sustain further burial along a regular subduction zone. We consider the subsequent increase in the geothermal gradient (from 16 to 31°C/km) as the culmination of previous crustal accretion and the onset of crustal underthrusting and later processes in a collisional stage. We propose these switches in the early tectonometamorphic record of individual tectonic slices as potential markers to track the transition from subduction to collision in collisional orogens.
As part of the CLACE-6 campaign we performed size-resolved CCN measurements for a~supersaturation range of S = 0.079 % to 0.66% at the high-alpine research station Jungfraujoch, Switzerland, in March~2007. The derived effective hygroscopicity parameter κ describing the influence of particle composition on CCN activity was on average 0.23–0.30 for Aitken (50–100 nm) and 0.32–0.43 for accumulation mode particles (100–200 nm). The campaign average value of κ = 0.3 is similar to the average value of κ for other continental locations. When air masses came from southeasterly directions crossing the Po Valley in Italy, particles were much more hygroscopic (κ ≈ 0.42) due to large sulfate mass fractions. The κ values obtained at S = 0.079 % exhibited a good negative correlation with the organic mass fractions derived from PM1 aerosol mass spectrometer (AMS) measurements. Applying a simple mixing rule the organic and inorganic mass fractions observed by the AMS could be used to reproduce the temporal fluctuations of the hygroscopicity of accumulation mode particles quite well.
We show how during a cloud event the aerosol particles were activated as cloud droplets and then removed from the air by precipitation leaving behind only a small amount of accumulation mode particles consisting mainly of weakly CCN-active particles, most likely externally mixed unprocessed soot particles.
During the campaign we had the opportunity to directly compare two DMT CCN counters for a certain time. The total CCN concentration (NCCN,tot) obtained by the two instruments at equal supersaturations agreed well for both possible operating modes: detecting NCCN,tot directly by sampling the polydisperse aerosol with the CCNC, or indirectly by combining size-resolved measurements of the activated fraction with parallel measurements of the particle size distribution (e.g., by SMPS). However, some supersaturation setpoints differed between the two CCNCs by as much as 20% after applying the instrument calibrations, which resulted in differences of the corresponding NCCN,tot of up to 50%. This emphasizes that it is extremely important to carefully calibrate the supersaturation of the instrument, especially at low S.
Ternary aerosol nucleation experiments were conducted in the CLOUD chamber at CERN in order to investigate the influence of ions on new particle formation. Neutral and ion-induced nucleation experiments, i.e., with and without the presence of ions, were carried out under precisely controlled conditions. The sulphuric acid concentration was measured with a Chemical Ionization Mass Spectrometer (CIMS) during the new particle formation experiments. The added ternary trace gases were ammonia (NH3), dimethylamine (DMA, C2H7N) or oxidised products of pinanediol (PD, C10H18O2). When pinanediol was introduced into the chamber, an increase in the mass spectrometric signal used to determine the sulphuric acid concentration (m/z 97, i.e., HSO4−) was observed due to ions from the CLOUD chamber. The enhancement was only observed during ion-induced nucleation measurements by using either galactic cosmic rays (GCR) or the proton synchrotron (PS) pion beam for the ion generation, respectively. The ion effect typically involved an increase in the apparent sulphuric acid concentration by a factor of ~2 to 3 and was qualitatively verified by the ion measurements by an Atmospheric Pressure interface-Time Of Flight (APi-TOF) mass spectrometer. By applying a high voltage (HV) clearing field inside the CLOUD chamber the ion effect on the CIMS measurement was completely eliminated since, under these conditions, small ions are swept from the chamber in about one second. In order to exclude the ion effect and to provide corrected sulphuric acid concentrations during the GCR and PS beam nucleation experiments, a parameterisation was derived that utilizes the trace gas concentrations and the UV light intensity as input parameters. Atmospheric sulphuric acid measurements with a CIMS showed an insignificant ion effect.
Ternary aerosol nucleation experiments were conducted in the CLOUD chamber at CERN in order to investigate the influence of ions on new particle formation. Neutral and ion-induced nucleation experiments, i.e. without and with the presence of ions, respectively, were carried out under precisely controlled conditions. The sulfuric acid concentration was measured with a chemical ionisation mass spectrometer (CIMS) during the new particle formation experiments. The added ternary trace gases were ammonia (NH3), dimethylamine (DMA, C2H7N) or oxidised products of pinanediol (PD, C10H18O2). When pinanediol was introduced into the chamber, an increase in the mass spectrometric signal used to determine the sulfuric acid concentration (m/z 97, i.e. HSO4−) was observed due to ions from the CLOUD chamber. The enhancement was only observed during ion-induced nucleation measurements by using either galactic cosmic rays (GCRs) or the proton synchrotron (PS) pion beam for the ion generation, respectively. The ion effect typically involved an increase in the apparent sulfuric acid concentration by a factor of ~ 2 to 3 and was qualitatively verified by the ion measurements with an atmospheric-pressure interface-time of flight (APi-TOF) mass spectrometer. By applying a high-voltage (HV) clearing field inside the CLOUD chamber, the ion effect on the CIMS measurement was completely eliminated since, under these conditions, small ions are swept from the chamber in about 1 s. In order to exclude the ion effect and to provide corrected sulfuric acid concentrations during the GCR and PS beam nucleation experiments, a parameterisation was derived that utilises the trace gas concentrations and the UV light intensity as input parameters. Atmospheric sulfuric acid measurements with a CIMS showed an insignificant ion effect.
In Ostkreta tritt innerhalb der Phyllit-Quarzit-Serie ein in vier Einheiten untergliederbares präalpidisches Altkristallin auf. Das basale Kalavros-Kristallin (KCC) wurde während der permischen (Monazitalter) Barrow-Metamorphose (Staurolith-Zone) überprägt. Unter amphibolitfaziellen Metamorphosebedingungen bildeten sich liegende Isoklinalfalten sowie eine mylonitische Foliation. Die Verteilung der -c-Achsen von Quarzen belegt non-koaxiale Deformation durch Rhomben<a>- und Prismen<a>Gleitung, die sich in einer hochtemperierten Grenzflächenwanderung (GBM) äußerte. Zudem wuchsen vierphasige Granate, in denen die äußerste Zone auf einen nochmaligen Druckanstieg hindeutet. Die Granate wurden wiederum von Muskoviten, die aus einer Deformation mit Top-E- bis Top-NE-Scherung resultierten, überwachsen. Das überlagernde Myrsini-Kristallin (MCC) besteht aus Glimmerschiefern, Gneisen, Quarziten und Marmoren. Die Liefergebiete der Paragesteine (Zirkonaltersspektrum eines Paragneises) weisen Einflüsse der amazonischen- (2,8 Ga), eburnischen- (1,9 Ga), kibaran/sunsasischen- (0,9 - 1,1 Ga) und panafrikanischen- (0,9 - 0,5 Ga) Orogenese auf. Im Mittelkambrium intrudierten Granite in die sedimentären/kristallinen Gesteine (514 ±14 Ma zrn & 507 ±189 Ma mnz). Während des Unterkarbons (Monazitalter) fand eine Barrow-Metamorphose (Staurolith-Zone) mit non-koaxialer Top-N-Scherung statt. Hierbei bildeten sich geschlossene, liegende Falten sowie eine mylonitische Foliation. Die Quarz-c-Achsen belegen non-koaxiale Rhomben<a>- bis Prismen<a>Gleitung, die sich in Subkornrotations-Rekristallisation (SGR) und hochtemperierter Korngrenzwanderungs-Rekristallisation (GBM) äußerte. Im Gegensatz zu den Granaten des KCC bildeten sich nur dreiphasige Granate. Während des retrograden variszischen Deformationspfades entstanden Top-NE-Scherzonen. Der bis in die Unterkreide anhaltende Aufstieg der Gesteine wird von Zirkon-Spaltspurenaltern (150 ±14 Ma) dokumentiert. Das hangende Chamezí-Kristallin (CCC) besteht aus Gneisen und Glimmerschiefern. Auch hier intrudierten im Mittelkambrium (S-Typ-)Granite (511 ±16 Ma zrn & 521 ±28 Ma mnz). Relikte einer prävariszischen Orogenese stellen die Granatkerne und Margarite in den Glimmerschiefern dar. Das Alter der Barrow-Metamorphose (Granat-Zone) mit Top-N-Scherung konnte mangels geeigneter Minerale nicht bestimmt werden. Die Verteilung der Quarz-c-Achsen resultiert aus einer non-koaxialen Deformation bei der überwiegend Basis<a>- und Rhomben<a>Gleitung mit Subkornrotations-Rekristallisation (SGR) auftrat. Es bildete sich eine protomylonitische Foliation sowie liegende offene N-S Falten, die anschließend mehrphasig überprägt wurden. Für einen langsamen Aufstieg der Gesteine sprechen die semiduktilen Top-NE-Scherzonen und jurassischen Zirkon-Spaltspurenalter (158 ±16 Ma). Eine unbekannte Position innerhalb des Altkristallins nimmt das Vaí-Kristallin (VCC) ein. Während der Trias intrudierten hier granitoide Gesteine (223 ±11Ma zrn). Eine spätere amphibolitfazielle Überprägung zeigt Top-NW-Scherung. Der schnelle Aufstieg der Gesteine wird durch jurassische Zirkon-Spaltspurenalter dokumentiert (184 ±11 Ma). Die Kristallingerölle der hangenden skythischen Metakalkkonglomerate können auf Grund der permischen bis triassischen Metamorphose der kretischen Altkristalline, der triassischen Intrusion der Granite des Vaí-Kristallins sowie den jurassischen Zirkon-Spaltspurenaltern nicht aus der unterlagernden Altkristallin-Einheit stammen. Der Kontakt zwischen dem Altkristallin und dem Metakalkkonglomerat ist somit das Ergebnis der alpidischen Orogenese. Auch die Zirkone, Monazite und Rutile wurden von der Niedertemperatur/Hochdruck-Metamorphose der alpidischen Orogenese beeinflusst. Vor allem die Zirkone des Chamezí-Orthogneises zeigen einen Pb- und vermutlich auch einen U-Verlust sowie einen Austausch von radiogenem Pb durch rezentes Pb. Dieser niedergradige Fluidtransport äußerte sich zudem in einem Lösen der Zirkone sowie einer zerstörten Zirkonstruktur. Gleichzeitig fand ein Einbau von Ca2+, Mn2+ und Mg2+ statt, der von den Ca-reichen Fluiden, die auf Grund der Karbonat-reichen Deckenstapel auftraten, forciert wurde. Keinen Einfluss auf den Blei-Verlust der Zirkone zeigt dagegen die amphibolit- bis grünschieferfazielle präalpidische Überprägung. Auf Grund der Altersspektren der Zirkone sowie der tektonischen Transportrichtungen werden die Kristallinkomplexe als Fragmente von Gondwana interpretiert. Im Rahmen der spät-panafrikanischen Metamorphose und Deformation erfolgte der Aufstieg der Plutonite, an die sich eine Riftingphase anschließt, während der sich die Fragmente abspalteten. Im Karbon bis Perm kollidierten unter Top-N-Kinematik das MCC, CCC und KCC mit Gondwana. In der Trias erfolgte letztlich der Aufstieg der Plutonite des VCC und dessen anschließende Überprägung. Die Heraushebung der Gesteine erfolgte im Jura.
Balloon-borne measurements of CFC-11 (on flights of the DIRAC in situ gas chromatograph and the DESCARTES grab sampler), ClO and O3 were made during the 1999/2000 winter as part of the SOLVE-THESEO 2000 campaign. Here we present the CFC-11 data from nine flights and compare them first with data from other instruments which flew during the campaign and then with the vertical distributions calculated by the SLIMCAT 3-D CTM. We calculate ozone loss inside the Arctic vortex between late January and early March using the relation between CFC-11 and O3 measured on the flights, the peak ozone loss (1200 ppbv) occurs in the 440–470 K region in early March in reasonable agreement with other published empirical estimates. There is also a good agreement between ozone losses derived from three independent balloon tracer data sets used here. The magnitude and vertical distribution of the loss derived from the measurements is in good agreement with the loss calculated from SLIMCAT over Kiruna for the same days.
Balloon-borne measurements of CFC11 (from the DIRAC in situ gas chromatograph and the DESCARTES grab sampler), ClO and O3 were made during the 1999/2000 Arctic winter as part of the SOLVE-THESEO 2000 campaign, based in Kiruna (Sweden). Here we present the CFC11 data from nine flights and compare them first with data from other instruments which flew during the campaign and then with the vertical distributions calculated by the SLIMCAT 3D CTM. We calculate ozone loss inside the Arctic vortex between late January and early March using the relation between CFC11 and O3 measured on the flights. The peak ozone loss (~1200ppbv) occurs in the 440-470K region in early March in reasonable agreement with other published empirical estimates. There is also a good agreement between ozone losses derived from three balloon tracer data sets used here. The magnitude and vertical distribution of the loss derived from the measurements is in good agreement with the loss calculated from SLIMCAT over Kiruna for the same days.
Dating of extensive alluvial fan surfaces and fluvial features in the hyperarid core of the Atacama Desert, Chile, using cosmogenic nuclides provides unrivalled insights about the onset and variability of aridity. The predominantly hyperarid conditions help to preserve the traces of episodic climatic and/or slow tectonic change. Utilizing single clast exposure dating with cosmogenic 10Be and 21Ne, we determine the termination of episodes of enhanced fluvial erosion and deposition occurring at ~19, ~14, ~9.5 Ma; large scale fluvial modification of the landscape had ceased by ~2–3 Ma. The presence of clasts that record pre-Miocene exposure ages (~28 Ma and ~34 Ma) require stagnant landscape development during the Oligocene. Our data implies an early onset of (hyper-) aridity in the core region of the Atacama Desert, interrupted by wetter but probably still arid periods. The apparent conflict with interpretation that favour a later onset of (hyper-) aridity can be reconciled when the climatic gradients within the Atacama Desert are considered.
Seasonal forecasting systems still have difficulties predicting temperature over continental regions, while their performance is better over some maritime regions. On the other hand, the land surface is a substantial source of (sub-)seasonal predictability. A crucial land surface component in focus here is the snow cover, which stores water and modulates the surface radiation balance. This paper’s goal is to attribute snow cover seasonal forecasting biases and lack of skill to either initialization or parameterization errors. For this purpose, we compare the snow representation in five seasonal forecasting systems (from DWD, ECMWF, Météo-France, CMCC, and ECCC) and their performances in predicting snow and 2-m temperature over a Siberian region against ERA5 reanalysis and station data. Although all systems use similar atmospheric and land initialization approaches and data, their snow and temperature biases differ in sign and amplitude. Too-large initial snow biases persist over the forecast period, delaying and prolonging the melting phase. The simplest snow scheme (used in DWD’s system) shows too-early and fast melting in spring. However, systems including multi-layer snow schemes (Météo-France and CMCC) do not necessarily perform better. Both initialization and parameterization are causes of snow biases, but, depending on the system, one can be more dominant.
Background: Replicate population pairs that diverge in response to similar selective regimes allow for an investigation of (a) whether phenotypic traits diverge in a similar and predictable fashion, (b) whether there is gradual variation in phenotypic divergence reflecting variation in the strength of natural selection among populations, (c) whether the extent of this divergence is correlated between multiple character suites (i.e., concerted evolution), and (d) whether gradual variation in phenotypic divergence predicts the degree of reproductive isolation, pointing towards a role for adaptation as a driver of (ecological) speciation. Here, we use poeciliid fishes of the genera Gambusia and Poecilia that have repeatedly evolved extremophile lineages able to tolerate high and sustained levels of toxic hydrogen sulfide (H2S) to answer these questions.
Results: We investigated evolutionary divergence in response to H2S in Gambusia spp. (and to a lesser extent Poecilia spp.) using a multivariate approach considering the interplay of life history, body shape, and population genetics (nuclear miscrosatellites to infer population genetic differentiation as a proxy for reproductive isolation). We uncovered both shared and unique patterns of evolution: most extremophile Gambusia predictably evolved larger heads and offspring size, matching a priori predictions for adaptation to sulfidic waters, while variation in adult life histories was idiosyncratic. When investigating patterns for both genera (Gambusia and Poecilia), we found that divergence in offspring-related life histories and body shape were positively correlated across populations, but evidence for individual-level associations between the two character suites was limited, suggesting that genetic linkage, developmental interdependencies, or pleiotropic effects do not explain patterns of concerted evolution. We further found that phenotypic divergence was positively correlated with both environmental H2S-concentration and neutral genetic differentiation (a proxy for gene flow).
Conclusions: Our results suggest that higher toxicity exerts stronger selection, and that divergent selection appears to constrain gene flow, supporting a scenario of ecological speciation. Nonetheless, progress toward ecological speciation was variable, partially reflecting variation in the strength of divergent selection, highlighting the complexity of selective regimes even in natural systems that are seemingly governed by a single, strong selective agent.
Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum besseren Verständnis des stratosphärischen Transports. Dieser ist ein wichtiger Parameter im komplexen gekoppelten System der Stratosphäre, das neben dem Transport vor allem von Chemie und Strahlungshaushalt geprägt wird. Neben verschiedenen Modelliertechniken bietet die Messung langlebiger Spurengase das effektivste Werkzeug für Untersuchungen von stratosphärischen Transportprozessen. Daher wurde am Institut für Meteorologie und Geophysik an der Universität Frankfurt ein Instrument zur in-situ-Messung von Spurengasen entwickelt, das sowohl an Stratosphärenballonen als auch auf dem russischen Höhenforschungsflugzeug M-55 "Geophysica" Echtzeitmessungen von Spurengasmischungsverhältnissen durchführen kann. Der "High Altitude Gas Analy- ser" (HAGAR) ist in der Lage, mit einem Zwei-Kanal-Gaschromatographen die Mischungsverhältnisse von N 2 O, F12, F11 und Halon-1211 mit einer Zeitauflösung von 90 s und das von SF 6 alle 45 s zu bestimmen. Ein an die speziellen Gegebenheiten von Stratosphärenmessungen angepasster CO 2 -Sensor der Firma LI-COR erreicht eine Zeitauflösung von ca. 10 s. Im Rahmen dieser Arbeit wurden entscheidende Beiträge zur Entwicklung von HAGAR geleistet. Für die Steuerung des Instruments auf Basis eines Industrie-PCs wurde ein umfangreiches Softwarepaket entwickelt, das die zuverlässige vollautomatische Steuerung des Instruments, sowie eine komfortable Konfigurationsmöglichkeit bietet. Nach einem ersten Ballontestflug am 13.5.1998 wurde das Instrument vollständig neu aufgebaut, um einen Sensor zur Messung von CO 2 zu integrieren. Des Weiteren wurden eine Reihe von Verbesserungen und Anpassungen durchgeführt, die für den Betrieb an Bord der Geophysica notwendig waren. Im Zeitraum von Dezember 1998 bis Oktober 1999 nahm HAGAR an drei Messkampagnen teil. Im Rahmen von APE-ETC ("Airborne Platform for Earth Observation - Extensive Test Campaign") wurde das Instrument erstmals an Bord der Geophysica montiert und eingesetzt. Trotz einer Reihe von kleineren Schwierigkeiten erwies sich das HAGAR-Konzept als gut ge- eignet für den Einsatz an Bord eines Höhenforschungsflugzeugs. So konnten zumindest während drei von sechs Testflügen Daten aufgezeichnet werden. Im Februar/März 1999 war HAGAR Teil der Geophysica-Nutzlast während der Messkampagne APE-THESEO ("Airborne Platform for Earth Observation - The Contribution to the Third European Stratospheric Experiment on Ozone"), die Mahè/Seychellen als Basis nutzte. HAGAR konnte hier während ca. 30 Flugstunden Daten aufnehmen. Dabei konnte ein umfangreicher Datensatz vor allem im Bereich der tropischen Tropopausenregion gewonnen werden. Die Tropen sind von besonderer Bedeutung für den stratosphärischen Transport, unter anderem da hier der Haupteintrag von troposphärischer Luft in die Stratosphäre stattfindet. Der Untersuchung des antarktischen Polarwirbels in der Phase des maximalen Ozonabbaus war die Messkampagne APE-GAIA ("Airborne Polar Experiment - Geophysica Aircraft in Antarctica") gewidmet, die im September und Oktober in Ushuaia/Argentinien stattfand. Als südlichste Stadt der Erde bietet Ushuaia die beste geographische Lage, um den stratosphärischen Polarwirbel mittels Flugzeugmessungen zu untersuchen. HAGAR arbeitete zuverlässig während aller wissenschaftlichen Flüge und einem Testflug in Ushuaia. Zusätzlich konnte während sechs Transferflugetappen zwischen Sevilla und Ushuaia zumindest für einen Teil der Substanzen Daten aufgezeichnet werden. Insgesamt liegen für etwa 60 Flugstunden Daten vor, darunter auch erstmals ein hochaufgelöstes Vertikalprofil im Polarwirbel, dass von über 20 km Höhe bis hinunter zur Tropopausenregion reicht. Für ein neu entwickeltes Messinstrument wie HAGAR ist eine Validierung der Daten sehr wichtig. Da eine direkte Validierung durch parallele Messungen nicht möglich war, musste auf ältere, vergleichbare Datensätze zurückgegriffen werden, die anhand des troposphärischen Trends korrigiert wurden. Als Vergleich dienten Datensätze der in-situ-Gaschromatographen GhOST und ACATS, der kryogenen Luftprobensammler und des CO 2 -Instrumentes der Harvard University. Dabei zeigte sich stets eine gute bis sehr gute quantitative Übereinstimmung der Daten. Auch die Präzision der Messungen, die bereits endgültig ausgewertet wurden, sind sehr zufriedenstellend und zumindest vergleichbar mit denen von "etablierten" Instrumenten. So war die Präzision für N 2 O, F12 und F11 zumeist deutlich besser als 1 %. Für CO 2 konnte die Präzision für APE-GAIA auf 0,15 ppm bzw. 0,05 % verbessert werden. Die Präzision der vorläufigen Daten von Halon-1211 und SF 6 beträgt bisher etwa 5 %. Der im Jahre 1999 von HAGAR aufgenommene Datensatz bietet umfangreiche Möglichkeiten zur wissenschaftlichen Analyse. Nur exemplarisch sind daher die Punkte zu sehen, die in dieser Arbeit diskutiert werden. Das mittlere Alter der Luft kann als die Zeit beschrieben werden, die die Bestandteile eines Luftpakets im Mittel benötigten, um von der tropischen Tropopausenregion an seine aktuelle Position in der Stratosphäre zu gelangen. Zur Bestimmung des mittleren Alters der Luft werden Messungen von Spurengasen verwendet, die in der Stratosphäre konservativ sind und deren troposphärisches Hintergrundmischungsverhältnis einen zeitlich linear ansteigenden Trend aufweist ("Alterstracer"). HAGAR ist in der Lage, die Mischungsverhältnisse der beiden gebräuchlichsten Alterstracer CO 2 und SF 6 zu messen. Das Alterskonzept bietet eine einfach zu bestimmende Kenngröße für den stratosphärischen Transport, die im Gegensatz zu Mischungsverhältnissen direkt mit Messungen, die zu anderen Zeitpunkten gewonnen wurden, vergleichbar ist. Es konnte gezeigt werden, dass die erreichbare Genauigkeit der Altersbestimmung nicht von der Messgenauigkeit von CO 2 und SF 6 limitiert ist, sondern von der Abweichung der troposphärischen Trends vom (zeitlich linear ansteigenden) Ideal. Insbesondere im Fall von CO 2 wird dies deutlich, wobei die von HAGAR erreichte Messgenauigkeit für eine maximale Unsicherheit in der Altersbestimmung von ca. zwei Monaten ausreichen würde. Neben den saisonalen Schwankungen, die in mittleren Breiten ab ca. 16 km Höhe keine Rolle mehr spielen, sorgen vor allem die jährlichen Schwankungen dafür, dass die Altersbestimmung mit CO 2 momentan kaum besser als mit einem Fehler von etwa 0,7 Jahren durchgeführt werden kann. In den Tropen kann die Messung des CO 2 -Mischungsverhältnisses nicht direkt zur Altersbestimmung herangezogen werden. Durch die starke Vertikalbewegung in den Tropen kann das saisonale CO 2 -Signal im Vertikalprofil beobachtet werden. HAGAR konnte solche Profile während zweier Jahreszeiten (Februar/März bzw. Mitte September) aufzeichnen. Die Tropen sind in der Stratosphäre durch sogenannte Mischbarrieren für den horizontalen Transport gegenüber den mittleren Breiten abgegrenzt. Dies zeigt sich unter anderem in veränderten Tracer-Tracer-Korrelationen. Gealterte Luft aus den mittleren Breiten, die groÿteils bereits einmal die groÿräumige Brewer-Dobson-Zirkulation durchlaufen hat, wird jedoch zu einem geringen Maße erneut in den Bereich der tropischen Aufwärtsströmung eingemischt. Für die Gesamtverweilzeit von langlebigen Spurengasen in der Stratosphäre ist diese Einmischung von besonderer Bedeutung. Während nahezu aller Flüge von APE-THESEO (1° N - 19° S) ergaben die HAGAR- Daten eine kompakte F11-N 2 O-Korrelation; beim letzten Flug, der nur bis 15° S führte, ergaben sich jedoch Datenpunkte, die eher zu einer Korrelation passen, die aus mittleren Breiten bekannt ist. Es ist noch im Detail zu klären, ob hier möglicherweise direkt ein Einmischungsereignis beobachtet wurde. Auch der Polarwirbel ist im Winter von einer effektiven Transportbarriere umgeben. Hier ist eine wichtige Frage, inwieweit Luft aus dem Wirbel in die mittleren Breiten vordringen und dort die chemische Zusammensetzung der Stratosphäre verändern kann. Dieser Luftmassenaustausch findet häufig in Form von sogenannten Filamenten statt, Luftmassen also, die vom Wirbel abgetrennt wurden und sich nun immer länger gezogen vom Wirbelrand wegbewegen. Hochaufgelöste Tracermessungen, wie sie mit HAGAR durch- geführt werden, stellen eine ideales Werkzeug zur Untersuchung und Charakterisierung solcher Abläufe dar. So konnten zahlreiche Strukturen innerhalb und außerhalb des Wirbels untersucht werden, deren Tracermischungsverhältnis darauf hinwies, dass sie jeweils von der anderen Seite des Wirbelrandes stammten. Dabei konnten keine signifikanten Strukturen beobachtet werden, die eine geringere horizontale Ausdehnung als 50 km hatten. Mit dem Ende der vorliegenden Arbeit ist weder die Entwicklung des Instrumentes noch die Interpretation des 1999 gewonnenen Datensatzes abgeschlossen. So ist neben einer neuen Datenerfassung für Temperaturen auch eine Erweiterung von Kanal 1 des Gaschromatographen in Planung. Neben SF 6 soll in Zukunft auch noch CH 4 mit einer Zeitauflösung von etwa 90 s gemessen werden. Zudem soll mit einer verbesserten Druckregelung für den Kessel die Präzision insbesondere der CO 2 -Messungen optimiert werden. Die Präzision der Daten von Halon-1211 sowie SF 6 sind mit 5 % bisher nicht zufriedenstellend. Grund hierfür ist letzlich die Tatsache, dass das Signal-Rausch-Verhältnis für diese beiden Substanzen aufgrund ihrer geringen Mischungsverhältnisse von nur einigen ppt in der Stratosphäre sehr schlecht ist. Aus diesem Grunde wurde eine neue Auswertemethode entwickelt und innerhalb des Softwarepakets zur Datenauswertung (NOAH-Chrom) realisiert. Bei dieser Methode werden die Peaks durch Gauß-Funktionen angenähert. Erste Tests verliefen vielversprechend, zeigen jedoch, dass der Einsatz der Methode noch eine Menge Detailarbeit erfordert. Aus diesem Grunde steht eine vollständige Auswertung des HAGAR-Datensatzes für diese beide Substanzen noch aus; die Methodik ist jedoch im Anhang erläutert. Die in dieser Arbeit dargestellten Analysen sollten als Wegweiser für weitere Untersuchungen und Diskussionen dienen können. So wird insbesondere die Diskussion um die Altersbestimmung wieder aufgenommen werden müssen, wenn sowohl endgültige SF 6 -Daten von HAGAR als auch neue Daten über den aktuellen troposphärischen Trend von SF 6 aus dem NOAA/CMDL- Netzwerk vorliegen. Einen weiteren Schwerpunkt wird die Untersuchung der Mischung über den Rand des Polarwirbels hinweg bilden, wobei sich insbesondere die Frage nach der Höhenabhängigkeit der Mischung stellt. Hier sind insbesondere auch Modellstudien möglich, denen mit den HAGAR-Daten eine weit präzisere und vor allem höher aufgelöste Eingangsdatenbasis zur Verfügung steht, als sie etwa aus Satellitendaten gewonnen werden kann. Von besonderem Interesse ist dabei ein Phänomen, das in den HAGAR-Daten, aber auch bereits in einem Datensatz der ER-2 von 1994 zu beobachten ist: So weicht die F11-N 2 O-Korrelation im Bereich des Polarwirbels für F11-Mischungsverhältnisse zwischen 40 ppb und 170 ppb nach unten von der normalen, aus mittleren Breiten bekannten Korrelation ab (vgl. Abbildung 7.5 auf Seite 142). Dies ist möglicherweise auf noch nicht vollständig verstandene Mischungsprozesse zurückzuführen. In jedem Falle ist damit zu rechnen, dass der im Jahre 1999 von HA-GAR an Bord der Geophysica aufgezeichnete umfangreiche Datensatz weitere Schritte hin zu einem differenzierteren Verständnis des stratosphärischen Transportes einleiten wird.
Within the framework of the Transboundary Waters Assessment Programme (TWAP), initiated by the Global Environment Facility (GEF), we contributed to a comprehensive baseline assessment of transboundary aquifers (TBAs) by quantifying different groundwater indicators using the global water resources and water use model WaterGAP 2.2. All indicators were computed under current (2010) and projected conditions in 2030 and 2050 for 91 selected TBAs larger than 20,000 km2 and for each nation’s share of the TBAs (TBA-CU: country unit). TBA outlines were provided by the International Groundwater Resources Assessment Centre (IGRAC). The set of indicators comprises groundwater recharge, groundwater depletion, per-capita groundwater recharge, dependency on groundwater, population density, and groundwater development stress (groundwater withdrawals to groundwater recharge). Only the latter four indicators were projected to 2030 and 2050. Current-state indicators were quantified using the Watch Forcing Data climate dataset, while projections were based on five climate scenarios that were computed by five global climate models for the high-emissions scenario RCP 8.5. Water use projections were based on the Shared Socio-economic Pathway SSP2 developed within ISI-MIP. Furthermore, two scenarios of future irrigated areas were explored. For individual water use sectors, the fraction of groundwater abstraction was assumed to remain at the current level.
According to our assessment, aquifers with the highest current groundwater depletion rates worldwide are not transboundary. Exceptions are the Neogene Aquifer System (Syria) with 53 mm/yr between 2000 and 2009 and the Indus River Plain aquifer (India) with 28 mm/yr. For current conditions, we identified 20 out of 258 TBA-CUs suffering from medium to very high groundwater development stress, which are located in the Middle East and North Africa region, in South Asia, China, and the USA. Considering projections, ensemble means of per-cent changes or percent point changes to current conditions were determined. Per-capita groundwater recharge is projected to decrease in 80-90% of all TBA-CUs until 2030/2050. Due to the strongly varying projections of the global climate models, we applied a worst-case scenario approach to define future hotspots of groundwater development stress, taking into account the strongest computed increase until either 2030 or 2050 among all scenarios and individual GCMs. Based on this approach, the number of TBA-CUs under at least medium groundwater development stress increases from 20 to 58, comprising all hotspots under current conditions. New hotspots are projected to develop mainly in Sub-Saharan Africa, China, and Mexico.
The complexity of atmospherical processes has always yielded a multitude of ways of knowing about the weather. What has been lacking in the historiography of meteorology so far is a way to formulate differences between forms of knowledge in a way that does not privilege modern scientific structures, but focuses instead on the epistemological category of causality. Using causality as ground of comparison for different knowledge claims, I shall argue, may enable researchers to investigate meteorological knowledge across time periods, perhaps even geographical regions, in a more symmetrical manner. This review demonstrates this approach as a means to organize a large set of historical meteorological writings from German countries between 1750 and 1850. Three distinct forms of knowledge (Semiotics, Physics, and Organics of the weather) during that time and in that region are suggested and will be described. While a bibliography with a national perspective from the 1880s was the basis for the selection of historical sources, such a setup proved awkward even to contemporaries. In addition, the bibliography came with a number of biases and shortcomings that will be critically reviewed.
The report that follows gives the results of tests to deterrnine the compressive strength of artificial roof supports of various kinds used in the mining of anthracite in Pennsylvania. Some of the types tested also are used in bituminous coal mining in Pennsylvania and other parts of the United States. The report was rendered Bebruary 26, 1913, by the United States Bureau of Mines, then in the Interior Department, to the Pennsylvania State Anthracite Mine Cave Commission and was appended, without discussion, to the general report on mine caving made by that commission under date of March 1, 19 13, to the Governor and Legislature of Pennsylvanin. The commission's reporh remains unpublished. As numerous requests have been made for the test data obtained by the Bureau of Mines at its Pittsburgh Experiment Station in 1912-13 and as the data relate to the strength of artificial supports without reference to particular local places of application, they have permanent value in the designing of mine roof supports. It has therefore been deemed advisable to publish the results of the bureau's tests. In order that the reader may understand the reasons for makig these tests of roof supports and the procedure foIIowed by the Pennsylvania commission, its duties will be briefly described. The commission was created by an act of the Legislature of Pennsylvania, approved March 24, 1911, its members being appointed by the Governor of Pennsylvania under the terms of the act. There had been serious cave-ins of the surface in some of the cities and towns in the anthracite districts of Pennsylvania and particularly in the city of Scranton froin 1909 to 1911, destroying surface buildings, public and private, and seriously endangering life. ....
Contribution of sulfuric acid and oxidized organic compounds to particle formation and growth
(2012)
Lack of knowledge about the mechanisms underlying new particle formation and their subsequent growth is one of the main causes for the large uncertainty in estimating the radiative forcing of atmospheric aerosols in global models. We performed chamber experiments designed to study the contributions of sulfuric acid and organic vapors to formation and to the early growth of nucleated particles, respectively. Distinct experiments in the presence of two different organic precursors (1,3,5-trimethylbenzene and α-pinene) showed the ability of these compounds to reproduce the formation rates observed in the low troposphere. These results were obtained measuring the sulfuric acid concentrations with two Chemical Ionization Mass Spectrometers confirming the results of a previous study which modeled the sulfuric acid concentrations in presence of 1,3,5-trimethylbenzene.
New analysis methods were applied to the data collected with a Condensation Particle Counter battery and a Scanning Mobility Particle Sizer, allowing the assessment of the size resolved growth rates of freshly nucleated particles. The effect of organic vapors on particle growth was investigated by means of the growth rate enhancement factor (Γ), defined as the ratio between the measured growth rate in the presence of α-pinene and the kinetically limited growth rate of the sulfuric acid and water system. The observed Γ values indicate that the growth is dominated by organic compounds already at particle diameters of 2 nm. Both the absolute growth rates and Γ showed a strong dependence on particle size supporting the nano-Köhler theory. Moreover, the separation of the contributions from sulfuric acid and organic compounds to particles growth reveals that the organic contribution seems to be enhanced by the sulfuric acid concentration. The size resolved growth analysis finally indicates that both condensation of oxidized organic compounds and reactive uptake contribute to particle growth.
Contribution of sulfuric acid and oxidized organic compounds to particle formation and growth
(2012)
Lack of knowledge about the mechanisms underlying new particle formation and their subsequent growth is one of the main causes for the large uncertainty in estimating the radiative forcing of atmospheric aerosols in global models. We performed chamber experiments designed to study the contributions of sulfuric acid and organic vapors to the formation and early growth of nucleated particles. Distinct experiments in the presence of two different organic precursors (1,3,5-trimethylbenzene and α-pinene) showed the ability of these compounds to reproduce the formation rates observed in the low troposphere. These results were obtained measuring the sulfuric acid concentrations with two chemical ionization mass spectrometers confirming the results of a previous study which modeled the sulfuric acid concentrations in presence of 1,3,5-trimethylbenzene.
New analysis methods were applied to the data collected with a condensation particle counter battery and a scanning mobility particle sizer, allowing the assessment of the size resolved growth rates of freshly nucleated particles. The effect of organic vapors on particle growth was investigated by means of the growth rate enhancement factor (Γ), defined as the ratio between the measured growth rate in the presence of α-pinene and the kinetically limited growth rate of the sulfuric acid and water system. The observed Γ values indicate that the growth is already dominated by organic compounds at particle diameters of 2 nm. Both the absolute growth rates and Γ showed a strong dependence on particle size, supporting the nano-Köhler theory. Moreover, the separation of the contributions from sulfuric acid and organic compounds to particle growth reveals that the organic contribution seems to be enhanced by the sulfuric acid concentration. Finally, the size resolved growth analysis indicates that both condensation of oxidized organic compounds and reactive uptake contribute to particle growth.
Unter dem Begriff „Stillgewässer“ wird eine fast nicht überschaubare Vielzahl von
stehenden Gewässern zusammengefaßt, die das gesamte Spektrum von der kurzlebigen
Regenwasserpfütze bis hin zu großen Binnenseen wie Bodensee oder Müritz umfassen. Bei
dieser Spannbreite wundert es nicht, daß Stillgewässer Lebensräume mit sehr
unterschiedlichen Eigenschaften sind und dementsprechend auch sehr unterschiedliche
Lebensgemeinschaften beherbergen.
Constraining the architecture of complex 3D volcanic plumbing systems within active rifts, and their impact on rift processes, is critical for examining the interplay between faulting, magmatism and magmatic fluids in developing rift segments. The Natron basin of the East African Rift System provides an ideal location to study these processes, owing to its recent magmatic-tectonic activity and ongoing active carbonatite volcanism at Oldoinyo Lengai. Here, we report seismicity and fault plane solutions from a 10-month temporary seismic network spanning Oldoinyo Lengai, Naibor Soito volcanic field and Gelai volcano. We locate 6827 earthquakes with ML -0.85 to 3.6, which are related to previous and ongoing magmatic and volcanic activity in the region, as well as regional tectonic extension. We observe seismicity down to ~17 km depth north and south of Oldoinyo Lengai and shallow seismicity (3 - 10 km) beneath Gelai, including two swarms. The deepest seismicity (~down to 20 km) occurs above a previously imaged magma body below Naibor Soito. These seismicity patterns reveal a detailed image of a complex volcanic plumbing system, supporting potential lateral and vertical connections between shallow- and deep-seated magmas, where fluid and melt transport to the surface is facilitated by intrusion of dikes and sills. Focal mechanisms vary spatially. T-axis trends reveal dominantly WNW-ESE extension near Gelai, while strike-slip mechanisms and a radial trend in P-axes are observed in the vicinity of Oldoinyo Lengai. These data support local variations in the state of stress, resulting from a combination of volcanic edifice loading and magma-driven stress changes imposed on a regional extensional stress field. Our results indicate that the southern Natron basin is a segmented rift system, in which fluids preferentially percolate vertically and laterally in a region where strain transfers from a border fault to a developing magmatic rift segment.
Highlights
• We show the first observations of seismo-acoustic tremor at Oldoinyo Lengai, the world's only active carbonatite volcano.
• We observe significant changes in seismic and acoustic tremor properties and their correlation in one year of data collection.
• Using satellite-based thermal data, we identify different volcanic processes (degassing, lava pond dynamics and spattering).
Abstract
We analyze volcanic tremor from Oldoinyo Lengai, Tanzania, which is currently the only active volcano on Earth producing carbonatitic lavas. Here, we use data from the recent SEISVOL deployment and focus on a co-located seismic and infrasound station about 200 m below the summit. We show the very first observations of seismo-acoustic tremor caused by carbonatitic eruptions. This seismo-acoustic tremor is highly variable throughout the ∼one year of data which we characterize by analyzing its seismic amplitude, duration, recurrence, dominant seismic frequency and harmonics. Frequency gliding occurs frequently and over short (minutes to hours) to long time scales (hours to days) and likely reflects different time-dependent mechanisms, such as evenly-spaced repeating events with a change in inter-event times, crater dynamics that alter resonators, and dike intrusions. Seismic and acoustic wavefields correlate well for stronger eruptive sequences but are only partially coherent which suggests that high-frequency seismic tremor (up to 25 Hz) may be caused by the low viscosity of the carbonatitic melt and not by ground-coupled airwaves. In addition, the comparison between seismic-acoustic and satellite InfraRed thermal data allows us to infer different volcanic activity styles which partially alternate throughout the year: intrusive activity and the construction of hornitos, degassing, activity from a lava pond, and varying styles of extrusive activity, in particular spattering. Our study provides important insights into the eruption dynamics of this peculiar volcano which suggests shallow melt storage within the crater floor.
Global‐scale gradient‐based groundwater models are a new endeavor for hydrologists who wish to improve global hydrological models (GHMs). In particular, the integration of such groundwater models into GHMs improves the simulation of water flows between surface water and groundwater and of capillary rise and thus evapotranspiration. Currently, these models are not able to simulate water table depth adequately over the entire globe. Unsatisfactory model performance compared to well observations suggests that a higher spatial resolution is required to better represent the high spatial variability of land surface and groundwater elevations. In this study, we use New Zealand as a testbed and analyze the impacts of spatial resolution on the results of global groundwater models. Steady‐state hydraulic heads simulated by two versions of the global groundwater model G3M, at spatial resolutions of 5 arc‐minutes (9 km) and 30 arc‐seconds (900 m), are compared with observations from the Canterbury region. The output of three other groundwater models with different spatial resolutions is analyzed as well. Considering the spatial distribution of residuals, general patterns of unsatisfactory model performance remain at the higher resolutions, suggesting that an increase in model resolution alone does not fix problems such as the systematic overestimation of hydraulic head. We conclude that (1) a new understanding of how low‐resolution global groundwater models can be evaluated is required, and (2) merely increasing the spatial resolution of global‐scale groundwater models will not improve the simulation of the global freshwater system.
In global hydrological models, groundwater (GW) is typically represented by a bucket-like linear groundwater reservoir. Reservoir models, however, (1) can only simulate GW discharge to surface water (SW) bodies but not recharge from SW to GW, (2) provide no information on the location of the GW table, and (3) assume that there is no GW flow among grid cells. This may lead, for example, to an underestimation of groundwater resources in semiarid areas where GW is often replenished by SW or to an underestimation of evapotranspiration where the GW table is close to the land surface. To overcome these limitations, it is necessary to replace the reservoir model in global hydrological models with a hydraulic head gradient-based GW flow model.
We present G3M, a new global gradient-based GW model with a spatial resolution of 5′ (arcminutes), which is to be integrated into the 0.5∘ WaterGAP Global Hydrology Model (WGHM). The newly developed model framework enables in-memory coupling to WGHM while keeping overall runtime relatively low, which allows sensitivity analyses, calibration, and data assimilation. This paper presents the G3M concept and model design decisions that are specific to the large grid size required for a global-scale model. Model results under steady-state naturalized conditions, i.e., neglecting GW abstractions, are shown. Simulated hydraulic heads show better agreement to observations around the world compared to the model output of de Graaf et al. (2015). Locations of simulated SW recharge to GW are found, as is expected, in dry and mountainous regions but areal extent of SW recharge may be underestimated. Globally, GW discharge to rivers is by far the dominant flow component such that lateral GW flows only become a large fraction of total diffuse and focused recharge in the case of losing rivers, some mountainous areas, and some areas with very low GW recharge. A strong sensitivity of simulated hydraulic heads to the spatial resolution of the model and the related choice of the water table elevation of surface water bodies was found. We suggest to investigate how global-scale groundwater modeling at 5′ spatial resolution can benefit from more highly resolved land surface elevation data.
To quantify water flows between groundwater (GW) and surface water (SW) as well as the impact of Abstract. To quantify water flows between groundwater (GW) and surface water (SW) as well as the impact of capillary rise on evapotranspiration by global hydrological models (GHMs), it is necessary to replace the bucket-like linear GW reservoir model typical for hydrological models with a fully integrated gradient-based GW flow model. Linear reservoir models can only simulate GW discharge to SW bodies, provide no information on the location of the GW table and assume that there is no GW flow among grid cells. A gradient-based GW model simulates not only GW storage but also hydraulic head, which together with information on SW table elevation enables the quantification of water flows from GW to SW and vice versa. In addition, hydraulic heads are the basis for calculating lateral GW flow among grid cells and capillary rise.
G³M is a new global gradient-based GW model with a spatial resolution of 5' that will replace the current linear GW reservoir in the 0.5° WaterGAP Global Hydrology Model (WGHM). The newly developed model framework enables inmemory coupling to WGHM while keeping overall runtime relatively low, allowing sensitivity analyses and data assimilation. This paper presents the G³M concept and specific model design decisions together with results under steady-state naturalized conditions, i.e. neglecting GW abstractions. Cell-specific conductances of river beds, which govern GW-SW interaction, were determined based on the 30'' steady-state water table computed by Fan et al. (2013). Together with an appropriate choice for the effective elevation of the SW table within each grid cell, this enables a reasonable simulation of drainage from GW to SW such that, in contrast to the GW model of de Graaf et al. (2015, 2017), no additional drainage based on externally provided values for GW storage above the floodplain is required in G³M. Comparison of simulated hydraulic heads to observations around the world shows better agreement than de Graaf et al. (2015). In addition, G³M output is compared to the output of two established macro-scale models for the Central Valley, California, and the continental United States, respectively. As expected, depth to GW table is highest in mountainous and lowest in flat regions. A first analysis of losing and gaining rivers and lakes/wetlands indicates that GW discharge to rivers is by far the dominant flow, draining diffuse GW recharge, such that lateral flows only become a large fraction of total diffuse and focused recharge in case of losing rivers and some areas with very low GW recharge. G³M does not represent losing rivers in some dry regions. This study presents the first steps towards replacing the linear GW reservoir model in a GHM while improving on recent efforts, demonstrating the feasibility of the approach and the robustness of the newly developed framework.
In global hydrological models, groundwater storages and flows are generally simulated by linear reservoir models. Recently, the first global gradient-based groundwater models were developed in order to improve the representation of groundwater-surface water interactions, capillary rise, lateral flows and human water use impacts. However, the reliability of model outputs is limited by a lack of data as well as model assumptions required due to the necessarily coarse spatial resolution. The impact of data quality is presented by showing the sensitivity of a groundwater model to changes in the only available global hydraulic conductivity data-set. To better understand the sensitivity of model output to uncertain spatially distributed parameter inputs, we present the first application of a global sensitivity method for a global-scale groundwater model using nearly 2000 steady-state model runs of the global gradient-based groundwater model G3M. By applying the Morris method in a novel domain decomposition approach that identifies global hydrological response units, spatially distributed parameter sensitivities are determined for a computationally expensive model. Results indicate that globally simulated hydraulic heads are equally sensitive to hydraulic conductivity, groundwater recharge and surface water body elevation, though parameter sensitivities vary regionally. For large areas of the globe, rivers are simulated to be either losing or gaining, depending on the parameter combination, indicating a high uncertainty of simulating the direction of flow between the two compartments. Mountainous and dry regions show a high variance in simulated head due to numerical difficulties of the model, limiting the reliability of computed sensitivities in these regions. This instability is likely caused by the uncertainty in surface water body elevation. We conclude that maps of spatially distributed sensitivities can help to understand complex behaviour of models that incorporate data with varying spatial uncertainties. The findings support the selection of possible calibration parameters and help to anticipate challenges for a transient coupling of the model.