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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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