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The assumption that mankind is able to have an in uence on global or regional climate, respectively, due to the emission of greenhouse gases, is often discussed. This assumption is both very important and very obscure. In consequence, it is necessary to clarify definitively which meteorological elements (climate parameters) are in uencend by the anthropogenic climate impact, and to which extent in which regions of the world. In addition, to be able to interprete such an information properly, it is also necessary to know the magnitude of the different climate signals due to natural variability (for example due to volcanic or solar activity) and the magnitide of stochastic climate noise. The usual tool of climatologists, general circulation models (GCM) suffer from the problem that they are at least quantitatively uncertain with regard to the regional patterns of the behaviour of climate elements and from the lack of accurate information about long-term (decadal and centennial) forcing. In contrast to that, statistical methods as used in this study have the advantage to test hypotheses directly based on observational data. So, we focus to the very reality of climate variability as it has occurred in the past. We apply two strategies of time series analyis with regard to the observed climate variables under consideration. First, each time series is splitted into its variation components. This procedure is called 'structure-oriented time series separation'. The second strategy called 'cause-oriented time series separation' matches various time series representing various forcing mechanisms with those representing the climate behaviour (climate elements). In this way it can be assessed which part of observed climate variability can be explained by this (combined) forcing and which part remains unexplained.
The assumption that mankind is able to have an in uence on global or regional climate, respectively, due to the emission of greenhouse gases, is often discussed. This assumption is both very important and very obscure. In consequence, it is necessary to clarify definitively which meteorological elements (climate parameters) are in uencend by the anthropogenic climate impact, and to which extent in which regions of the world. In addition, to be able to interprete such an information properly, it is also necessary to know the magnitude of the different climate signals due to natural variability (for example due to volcanic or solar activity) and the magnitide of stochastic climate noise. The usual tool of climatologists, general circulation models (GCM) suffer from the problem that they are at least quantitatively uncertain with regard to the regional patterns of the behaviour of climate elements and from the lack of accurate information about long-term (decadal and centennial) forcing. In contrast to that, statistical methods as used in this study have the advantage to test hypotheses directly based on observational data. So, we focus to the very reality of climate variability as it has occurred in the past. We apply two strategies of time series analyis with regard to the observed climate variables under consideration. First, each time series is splitted into its variation components. This procedure is called 'structure-oriented time series separation'. The second strategy called 'cause-oriented time series separation' matches various time series representing various forcing mechanisms with those representing the climate behaviour (climate elements). In this way it can be assessed which part of observed climate variability can be explained by this (combined) forcing and which part remains unexplained.
Basierend auf der Feststellung, daß selbst die aufwendigsten zur Zeit verfügbaren Klimamodelle (das sind gekoppelte atmosphärisch-ozeanische Zirkulationsmodelle, AOGCM) nicht in der Lage sind, alle bekannten externen Antriebe und internen Wechselwirkungen des Klimas simultan zu erfassen, werden zunächst die Stärken und Schwächen von rein statistischen Ansätzen zur Analyse von Zusammenhängen zwischen beobachteten Zeitreihen diskutiert. Speziell geht es dabei um die Frage, welche natürlichen und anthropogenen Antriebe in welchem Ausmaß zu den beobachteten Variationen der globalen Mitteltemperatur beigetragen haben (Signaltrennung). Es wird gezeigt, daß ein einfacher physikalisch motivierter Ansatz, der einige Schwächen der rein statistischen Ansätze vermeidet, nicht zum Ziel der Signaltrennung führt. Damit ergibt sich die Notwendigkeit, sich eingehender mit den Eigenschaften des globalen Klimasystems zu beschäftigen. So stellt sich die Frage, unter welchen Bedingungen das Klima überhaupt vorhersagbar ist. Aufgrund dieser Überlegungen erscheint es möglich, das globale Klima, repräsentiert durch die globale Mitteltemperatur, mit Hilfe von Energie-Bilanz-Modellen (EBM) zu beschreiben. Es folgt, daß ein 3-Boxen-EBM (Atmosphäre, ozeanische Mischungsschicht und tieferer Ozean) ausreicht, um den Verlauf der globalen bodennahen Mitteltemperatur zu untersuchen. Um das Problem einer Überanpassung zu vermeiden, wird das Modell am hemisphärisch gemittelten Jahresgang von Temperatur und Ausstrahlung, am Verlauf der bodennahen Mitteltemperatur eines Zirkulationsmodells im Einschaltexperiment, sowie im Vergleich zu paläoklimatologischen Daten kalibriert. Es wird eine Lösung dieses Modells abgeleitet, die als rekursiver Filter zur Zeitreihenanalyse verwendet werden kann. Um auch den hemisphärischen Temperaturverlauf untersuchen zu können, wird das 3-Boxen-Modell auf fünf Boxen erweitert (hemisphärische Atmosphären- und ozeanische Mischungsschicht-Boxen sowie ein globaler tieferer Ozean). Auch dieses Modell wird im wesentlichen an den Jahresgängen der Temperatur kalibriert und eine Lösung in Form eines rekursiven Filters abgeleitet. Von besonderer Bedeutung ist dabei, daß die so abgeleiteten Filter weder in ihrer Struktur, noch in ihren Parameterwerten aus einer Anpassung an die zu untersuchenden Zeitreihen stammen. Bevor die beobachteten Temperaturzeitreihen für den Zeitraum von 1866 bis 1994 mit den zwei Modellversionen rekonstruiert werden können, müssen die berücksichtigten externen Antriebe in Form von Heizratenanomalien vorliegen. Es werden zwei natürliche (solare Schwankungen und explosive Vulkanaktivität) und zwei anthropogene externe Antriebe (Treibhausgas- und Schwefeldioxidemissionen, die zur Bildung von anthropogenem troposphärischen Sulfat führen) untersucht. Die Heizratenanomalien der solaren Schwankungen folgen aus Satellitenmessungen und einer Extrapolation mit Hilfe von Sonnenflecken-Relativzahlen. Für den Einfluß des Vulkanismus wurde eine Parametrisierung erstellt, die sowohl die Ausbreitung von stratosphärischem Vulkanaerosol als auch dessen Einfluß auf den Strahlungshaushalt berücksichtigt. Zur Beschreibung des anthropogenen Zusatztreibhauseffekts wurde auf Ergebnisse von Strahlungs-Konvektions-Modellen (RCM) zurückgegriffen. Der Einfluß des anthropogenen troposphärischen Sulfats wurde entsprechend dem ungenauen Kenntnisstand nur grob parametrisiert. Mit den Modellen lassen sich zu jedem Antrieb Zeitreihen der globalen und hemisphärischen Temperaturanomalien berechnen. Die beobachteten ENSO-korrigierten Temperaturanomalien lassen sich (außer im Fall der Nordhemisphäre) sehr gut als Summe dieser Antriebe und Zufallsrauschen ausdrücken. Dabei hat das Zufallsrauschen mit dem Modell verträgliche Eigenschaften und kann somit als internes Klimarauschen interpretiert werden. Es ist demnach möglich, zusätzlich zur Signaltrennung zu testen, ob sich die Temperaturzeitreihen ohne die anthropogenen Antriebe signifikant anders verhalten hätten. Der Unterschied ist auf der Südhemisphäre und global mit 99 % signifikant, auf der Nordhemisphäre mit 95 %. Das bedeutet, daß der Mensch das Klima mit hoher Wahrscheinlichkeit beeinflußt. Auf der Basis von Szenarien wird außerdem der anthropogene Einfluß auf das Klima der nächsten Dekaden prognostiziert. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie groß die Zeitverzögerung zwischen anthropogenen Antrieben und deren Wirkung auf das Klima ist. Auch dieser Frage wird nachgegangen und es ergibt sich, daß diese Verzögerung zur Zeit bei etwa zehn Jahren liegt. Da die Verzögerungszeit aber keine Eigenschaft des Klimasystems ist (wie etwa eine Trägheitsoder Mischungszeit), sondern von der zeitlichen Struktur des Antriebs abhängt, ist sie keine Konstante und kann somit nur eingeschränkt für Prognosen verwendet werden. Andererseits erlaubt die Kenntnis der Verzögerungszeit eine statistische Verifikation mit Hilfe eines multiplen Regressionsmodells. Diese unterstützt die Prognosen des EBM.
Im Zusammenhang mit der Diskussion des globalen Klimawandels stellt sich die Frage, ob extreme Wettersituationen wahrscheinlicher werden. Diese Frage ist wegen der Gefahren, die von extremen Wettersituationen ausgehen, weit über die Grenzen der Meteorologie hinaus von Bedeutung. Dennoch findet man in der Fachliteratur sehr wenige Beiträge zu diesem Thema. Dies liegt im wesentlichen daran, dass bei der Analyse von Extremwerten im allgemeinen von konstanten Überschreitungswahrscheinlichkeiten für Schwellwerte ausgegangen wird. Wenn diese Arbeitshypothese wahr ist, können Wiederkehrzeiten einfach als Kehrwert der Eintrittswahrscheinlichkeit angesehen werden. Dann – nur dann - macht der Ausdruck Jahrhundertereignis einen Sinn, der über den Moment hinaus reicht. In diesem Beitrag soll zunächst das Vokabular zur Beschreibung von Extremwerten (hier als Werte oberhalb von Schwellen) vorgestellt bzw. in Erinnerung gerufen werden. Diese werden auf den einfachen Fall stationärer Zeitreihen angewendet, woraus die üblichen vereinfachten Zusammenhänge folgen. Im Anschluss wird ein künstliches Beispiel einer Variable mit veränderlichem Mittelwert untersucht. Dieses zeigt deutlich, wie stark die Kenngrößen des Extremverhaltens von Schwankungen im Mittelwert abhängen können. Bei der Analyse klimatologischer Beobachtungsdaten, steht man vor dem Problem, dass kein einfaches Modell für die Generierung der Zeitreihe zur Verfügung steht, woraus man die Eigenschaften des Extremverhaltens ableiten könnte. Gelingt es jedoch, die Beobachtungen mit Hilfe einfacher empirischer Modellgleichungen hinreichend gut zu beschreiben, so ist der Weg zur Analyse der Extremwerte in instationären Zeitreihen geebnet. Dabei braucht man nicht, wie oft üblich, nur die (relativ wenigen) (Extremwerte für die Analyse des Extremverhaltens heranzuziehen, sondern kann die gesamte von der Zeitreihe zur Verfügung gestellte Information nutzen. Diese Strategie wird exemplarisch an zwei Zeitreihen vorgestellt. Aus Gründen der Einfachheit sind dies Monatsmittel bzw. Jahresmittel der Temperatur. In diesen sind eindeutige Änderungen sowohl im mittleren als auch im extremen Verhalten sichtbar. Daraus kann zwar geschlossen werden, dass sich die Wettersituationen im Laufe der Zeit verändert haben, nicht aber wie. Ein häufigeres Auftreten extremer Mittelwerte kann bedeuten, dass warme Wettersituationen häufiger oder wärmer geworden sind, oder das kalte Wettersituationen wärmer oder weniger geworden sind, oder aber, dass eine Überlagerung verschiedener Veränderungen zu diesem Ergebnis führt. So kann die Frage, ob extreme Wettersituationen wahrscheinlicher werden, in diesem Beitrag nicht abschließend geklärt werden, jedoch wird ein Werkzeug vorgestellt, das geeignet erscheint, diese Frage zu beantworten.
Constructive waterfalls
(1911)
The excavation of valleys by waterfalls is one of the best known and most effective processes by which rivers cut down the surface of the earth. The influence of waterfalls is usually regarded as solely destructive, and as always helping to lower the land. They undermine and cut backward the rock faces over which they fall : by this recession they excavate deep gorges ; and the existence of these gorges enables the adjacent country to be lowered to the level of the valIey floors. The waterfalls, moreover, empty any lakes they rnay reach in their retreat, while the ravines below the falls may drain the springs and thus desiccate the neighbouring hihlands. Observations in various countries had suggested to me that waterfalls may sometimes be constructive in stead of destructive, and that they may reserse their usual procedure, advancing instead of retreating, filling valleys instead of excavating them, and forrning alluvial plains and lakes instead of destroying them. The best illustrations I have seen of such advancing, constructive waterfalls are on some rivers of Dalmatia and Bosnia, where they occur in various stages of development. ...
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Messung der Absorption der TM0-Mode im atmosphärischen Wellenleiter entwickelt, das auf der Bestimmung des Amplitudenabfalls von durch Blitze generierten ELF-Impulsen beruht. Eine Anwendung des Verfahrens setzt die simultane Messungen der ELF-Impulse an verschiedenen Stationen voraus. Im Sommer 1998 wurde im Rahmen der Spritekampagne'98 ein geeigneter Datensatz an drei Stationen im Westen Nordamerikas gewonnen. Bislang wurde ein Teil dieses Datensatzes herangezogen, um das Messverfahren zu testen und mit Ergebnissen aus einer anderen Quelle zu vergleichen. Diese Tests waren erfolgreich und die Ergebnisse von Hughes und Gallenberger [10] konnten reproduziert werden. Die Stationen wurden mit Induktionsspulen-Magnetometern vom Typ Metronix MFS05 im HF-Modus betrieben. Die für die Instrumentenkorrektur erforderlichen Übertragungsfunktionen der Magnetometer waren vorab nur für den LF-Modus mit Vertrauen erweckender Sicherheit bekannt. Dies machte eine Nachkalibrierung der Magnetometer erforderlich, bei der zunächst versucht wurde, die bekannte LF-Übertragungsfunktion zu reproduzieren. Dazu wurde die Einspeisung einer Rechteckschwingung in den Kalibriereingang des MFS05-Magnetometers verwendet. Bei 5 von 6 verwendeten Magnetometern ließ sich die Übertragungsfunktion für den LF-Modus reproduzieren. Bei einem traten jedoch deutliche Abweichungen auf, die sich auch bei anderen Messungen reproduzieren ließen. Die Übertragungsfunktion des Magnetometers hat sich also seit der letzten Kalibrierung durch den Hersteller verändert. Erst durch diese Nachkalibrierung ist es möglich geworden, diese Veränderung in Instrumentenkorrekturen einzubringen. Nachdem im LF-Modus gezeigt war, dass die verwendete Kalibrierungsmethode funktioniert wurde sie auch für den HF-Modus angewandt. Neben der Kalibrierung durch Einspeisung eines synthetischen Signals wurden auch Kalibrierungen unter Ausnutzung der natürlichen Anregung durchgeführt. Diese dienten in erster Linie einem Vergleich verschiedener Messgeräte: Den beiden Datenloggern SPAM MkIII und Quanterra QT4120 sowie den bei- den Magnetometern Metronix MFS05 und EMI BF-4. Der QT4120-Datenlogger wurde ursprünglich nicht zum Anschluss von Magnetometern konzipiert und benötigte dazu eine separate Adaptereinheit. Eine solche Adaptereinheit (kurz "Adapterbox") wurde im Rahmen dieser Arbeit konzipiert und gemeinsam mit der am Institut angestellten Elektronikerin Vera Fischer implementiert. Die Messergebnisse der Kalibrierungen mit natürlicher Anregung wurden so gedeutet, dass der SPAM MkIII-Datenlogger und das MFS05-Magnetometer gegenüber dem Quanterra QT4120-Datenlogger und dem EMI BF-4-Magnetometer einen geringeren Rauschpegel im ELF-Bereich aufweisen. Dies muss nicht für Frequenzen unterhalb des ELF-Bereichs gelten - dort wurden keine Untersuchungen angestellt.
Die vorliegende Arbeit behandelt das Forschungsthema der Entstehung des flüssigen Eisenkerns im Zentrum unseres Planeten. Dieses bislang wenig verstandene Gebiet ist reich an Fragestellungen, sowohl für Experimentatoren als auch für die Geodynamik. Es gibt sehr viele Arbeiten, die den Bildungsprozess experimentell untersuchen, jedoch wurde in den letzten Jahren die numerische Untersuchung in diesem Gebiet kaum vorangetrieben. Der experimentelle Teil der Arbeit stellt sich hierbei der aktuellen Frage nach der Perkolationsschwelle
1 von Eisenschmelze in der Silikatmatrix der Protoerde, während numerisch die Effekte von Potenzgesetzkriechen, Dissipation und Schmelzsegregation beim Absinken eines Eisendiapirs nach Ausbildung eines ersten flachen Magmaozeans in der Protoerde behandelt werden. Die genauen Fragestellungen könnnen dabei im letzten Abschnitt der Einleitung gefunden werden.
The region of Talmont-Saint-Hilaire (Vendée, France), located at the contact between the Armorican Massif, the Aquitanian Basin and the Atlantic Ocean, has been studied by many geologists and geographers, over the last three centuries. In the years 1780, silver was mined from the sulphide-bearing ore that occurs at the base of the Jurassic limestones. The stratigraphy of the latter sediments, as well as their relationship with the hercynian basement, was investigated during the 19th and 20th centuries, mainly by Rivière, the author of the first geological map of the area (1838), Cossmann, Vasseur, Péneau, Ters and Butel. As for Gabilly, he considered the anse Saint-Nicolas as a para-stratotype of the Toarcian. A few Authors, mainly Bocquier and Ters, also studied the evolution of the Atlantic coast during Quaternary. They evidenced remnants of several surfaces fashioned by marine abrasion, the age of which was constrained by archaeological studies. In 1963, Gilbert Bessonnat discovered dinosaur footprints, which, however, had already been observed by Bocquier in the years 1930. Montenat and Lapparent studied the occurrence, which proved to be one of the richest in Europe.
Goethes Beschäftigung mit der Erdgeschichte ist von großen Gesten bestimmt, leidenschaftlicher Parteinahme, ästhetischem Anspruch. Sie wird ihm zu einem grundlegenden Baustein der eigenen "Welterschaffung", deren Widerschein sich im zweiten Teil des "Faust" und in der Figur des Montan in "Wilhelm Meisters Wanderjahren" spiegelt. Aber auch unmittelbare Experimentierlust zeichnet die Geschichte seiner Bemühungen um "das Studium des Inneren der Erde" aus - der Erdforscher begibt sich in die Hexenküche des Laboratoriums, etwa um Versuche zu den "metallischen Vegetationen" des "Arbor dianae" durchzuführen, wo es um die Erzeugung von Kristallbildungen von Metallen auf chemischem Weg geht: sie weisen eine gewisse Ähnlichkeit mit baum- und pflanzen ähnlichen Formen auf. Seine Arbeit ist erfüllt von der Freude an der Empirie, aber bei allzu langem Verweilen beim Steineschlagen im Feld stellt sich auch bald Langeweile ein.
Accretion rates of Holocene tropical coral reefs in three areas in the Atlantic, Pacific and Indian Oceans have been quantified in 79 dated core sections in 34 reef cores from Belize, the Maldives and French Polynesia. Holocene vertical reef accretion rate averages 5.05 m/kyr and has decreased during the past 10 kyr. Accretion rates in branched and massive coral facies are statistically similar. Reef accretion rate is positively correlated with the rate of sea‐level rise, that is the degree of creation of accommodation space, and with climate as expressed in a Holocene sea surface temperature anomaly. Accommodation space is also created by subsidence, but at a rate one to two orders of magnitude lower than that created by glacio‐eustasy (0.04 to 0.16 m/kyr). Lagoonal background sedimentation in adjacent reef lagoons averages 0.89 m/kyr as measured in 72 dated core sections in 28 cores. Lagoonal carbonate sedimentation on top of underlying mangrove peat usually starts after a considerable hiatus of ca 3 kyr on average. The lagoonal background sedimentation rate increased during the Holocene, probably due to deepening. The differences between vertical reef accretion and lagoonal background sedimentation rates are a major factor in the production of the widely known saucer shapes typical of tropical reefs and carbonate platforms, that is the creation of unfilled accommodation space. Reef core recovery, used as a proxy for reef consolidation, and core depth exhibit a statistically negative correlation based on data from 326 core barrels. Recovery and marine cement abundance (average volume 8.6%) also decrease from windward to leeward core positions. These observations are presumably a result of both a decrease in the rate of sea‐level rise that is the increase in time available for submarine cementation during the Holocene and the amount of flushing of reef interstices by marine waters.
A massive occurrence of microbial carbonates, including abundant sponge remains, within the Devonian Elbingerode Reef Complex was likely deposited in a former cavity of the fore-reef slope during the early Frasnian. It is suggested that the formation of microbial carbonate was to a large part favored by the activity of heterotrophic, i.e., sulfate-reducing bacteria, in analogy to Quaternary coral reef microbialites. The Elbingerode Reef Complex is an example of an oceanic or Darwinian barrier reef system. In modern barrier reef settings, microbialite formation is commonly further facilitated by weathering products from the central volcanic islands. The Devonian microbialites of the Elbingerode Reef Complex occur in the form of reticulate and laminated frameworks. Reticulate framework is rich in hexactinellid glass sponges, the tissue decay of which led to the formation of abundant micrite as well as peloidal and stromatactis textures. Supposed calcimicrobes such as Angusticellularia (formerly Angulocellularia) and Frutexites, also known from cryptic habitats, were part of the microbial association. The microbial degradation of sponge tissue likely also contributed to the laminated framework accretion as evidenced by the occurrence of remains of so-called “keratose” demosponges. Further typical textures in the microbialite of the Elbingerode Reef Complex include zebra limestone, i.e., the more or less regular intercalation of microbial carbonate and cement. Elevated concentrations of magnesium in the microbialite as compared to the surrounding metazoan (stromatoporoid-coral) reef limestone suggests that the microbialite of the Elbingerode Reef Complex was initially rich in high-magnesium calcite, which would be yet another parallel to modern, cryptic coral reef microbial carbonates. Deposition and accretion of the microbialite largely occurred in oxygenated seawater with suboxic episodes as indicated by the trace element (REE + Y) data.
Tropische Korallenriffe sind die artenreichsten Ökosysteme im Ozean. Die »tropischen Regenwälder der Meere« beherbergen zirka 800 Korallenarten und mehrere zehntausend Arten aus fast allen bekannten Tierstämmen. Korallenriffe bedecken weltweit eine Fläche von 600.000 Quadratkilometern, das sind 0,17 Prozent der Erdoberfläche. Sie treten als nahe der Küste gelegene Saumriffe, küstenfernere Barriereriffe, ringförmige Atolle und flache Karbonat-Plattformen auf . Der Begriff »Karbonat« weist darauf hin, dass Korallen als Riffbildner ein Skelett aus Kalk haben. Auch Kalkalgen und Weichtiere wie Muscheln und Schnecken sind durch die Bildung von Kalkskeletten und Kalkschalen am Riffaufbau beteiligt. Da tropische Korallenriffe nur in der Nähe der Meeresoberfläche wachsen, können Geowissenschaftler mit Hilfe fossiler Korallenfunde ermitteln, wie sich der Pegel des Meeresspiegels in vergangenen Jahrtausenden entwickelt hat. Auch andere wichtige Klimadaten wie Wassertemperatur, Sonneneinstrahlung und Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre sind in Korallenriffen »gespeichert«. Frankfurter Geowissenschaftler erschließen diese wichtigen Daten, die weit vor menschliche Messungen zurückreichen, durch systematische Bohrungen in Korallenriffen der Karibik, des Persischen Golfs und der Malediven.
The accessories perovskite, pyrochlore, zirconolite, calzirtite and melanite from carbonatites and carbonate-rich foidites from the Kaiserstuhl are variously suited for the in situ determination of their U–Pb ages and Sr, Nd- and Hf-isotope ratios by LA-ICP-MS. The 143Nd/144Nd ratios may be determined precisely in all five phases, the 176Hf/177Hf ratios only in calzirtite and the 87Sr/86Sr ratios in perovskites and pyrochlores. The carbonatites and carbonate-rich foidites belong to one of the three magmatic groups that Schleicher et al. (1990) distinguished in the Kaiserstuhl on the basis of their Sr, Nd and Pb isotope ratios. Tephrites, phonolites and essexites (nepheline monzogabbros) form the second and limburgites (nepheline basanites) and olivine nephelinites the third. Our 87Sr/86Sr isotope data from the accessories overlap with the carbonatite and olivine nephelinite fields defined by Schleicher et al. (1990) but exhibit a much narrower range. These and the εNd and εHf values plot along the mantle array in the field of oceanic island basalts relatively close to mid-ocean ridge basalts. Previously reported K–Ar, Ar–Ar and fission track ages for the Kaiserstuhl lie between 16.2 and 17.8 Ma. They stem entirely from the geologically older tephrites, phonolites and essexites. No ages existed so far for the geologically younger carbonatites and carbonate-rich foidites except for one apatite fission track age (15.8 Ma). We obtained precise U–Pb ages for zirconolites and calzirtites of 15.66, respectively 15.5 Ma (± 0.1 2σ) and for pyrochlores of 15.35 ± 0.24 Ma. Only the perovskites from the Badberg soevite yielded a U–P concordia age of 14.56 ± 0.86 Ma while the perovskites from bergalites (haüyne melilitites) only gave 206Pb/238U and 208Pb/232Th ages of 15.26 ± 0.21, respectively, 15.28 ± 0.48 Ma. The main Kaiserstuhl rock types were emplaced over a time span of 1.6 Ma almost 1 million years before the carbonatites and carbonate-rich foidites. These were emplaced within only 0.32 Ma.
Tropical forest soils are a significant source for the greenhouse gas N2O as well as for NO, a precursor of tropospheric ozone. However, current estimates are uncertain due to the limited number of field measurements. Furthermore, there is considerable spatial and temporal variability of N2O and NO emissions due to the variation of environmental conditions such as soil properties, vegetation characteristics and meteorology. In this study we used a process-based model (ForestDNDC-tropica) to estimate N2O and NO emissions from tropical highland forest (Nyungwe) soils in southwestern Rwanda. To extend the model inputs to regional scale, ForestDNDC-tropica was linked to an exceptionally large legacy soil dataset. There was agreement between N2O and NO measurements and the model predictions though the ForestDNDC-tropica resulted in considerable lower emissions for few sites. Low similarity was specifically found for acidic soil with high clay content and reduced metals, indicating that chemo-denitrification processes on acidic soils might be under-represented in the current ForestDNDC-tropica model. The results showed that soil bulk density and pH are the most influential factors driving spatial variations in soil N2O and NO emissions for tropical forest soils. The area investigated (1113 km2) was estimated to emit ca. 439 ± 50 t N2O-N yr−1 (2.8–5.5 kg N2O-N ha−1 yr−1) and 244 ± 16 t NO-N yr−1 (0.8–5.1 kg N ha−1 yr−1). Consistent with less detailed studies, we confirm that tropical highland rainforest soils are a major source of atmospheric N2O and NO.
Spatial variations of nitrogen trace gas emissions from tropical mountain forests in Nyungwe, Rwanda
(2012)
Globally, tropical forest soils represent the second largest source of N2O and NO. However, there is still considerable uncertainty on the spatial variability and soil properties controlling N trace gas emission. Therefore, we carried out an incubation experiment with soils from 31 locations in the Nyungwe tropical mountain forest in southwestern Rwanda. All soils were incubated at three different moisture levels (50, 70 and 90 % water filled pore space (WFPS)) at 17 °C. Nitrous oxide emission varied between 4.5 and 400 μg N m−2 h−1, while NO emission varied from 6.6 to 265 μg N m−2 h−1. Mean N2O emission at different moisture levels was 46.5 ± 11.1 (50 %WFPS), 71.7 ± 11.5 (70 %WFPS) and 98.8 ± 16.4 (90 %WFPS) μg N m−2 h−1, while mean NO emission was 69.3 ± 9.3 (50 %WFPS), 47.1 ± 5.8 (70 %WFPS) and 36.1 ± 4.2 (90 %WFPS) μg N m−2 h−1. The latter suggests that climate (i.e. dry vs. wet season) controls N2O and NO emissions. Positive correlations with soil carbon and nitrogen indicate a biological control over N2O and NO production. But interestingly N2O and NO emissions also showed a positive correlation with free iron and a negative correlation with soil pH (only N2O). The latter suggest that chemo-denitrification might, at least for N2O, be an important production pathway. In conclusion improved understanding and process based modeling of N trace gas emission from tropical forests will benefit from spatially explicit trace gas emission estimates linked to basic soil property data and differentiating between biological and chemical pathways for N trace gas formation.
Globally, tropical forest soils represent the second largest source of N2O and NO. However, there is still considerable uncertainty on the spatial variability and soil properties controlling N trace gas emission. To investigate how soil properties affect N2O and NO emission, we carried out an incubation experiment with soils from 31 locations in the Nyungwe tropical mountain forest in southwestern Rwanda. All soils were incubated at three different moisture levels (50, 70 and 90% water filled pore space (WFPS)) at 17 °C. Nitrous oxide emission varied between 4.5 and 400 μg N m−2 h−1, while NO emission varied from 6.6 to 265 μg N m−2 h−1. Mean N2O emission at different moisture levels was 46.5 ± 11.1 (50% WFPS), 71.7 ± 11.5 (70% WFPS) and 98.8 ± 16.4 (90% WFPS) μg N m−2 h−1, while mean NO emission was 69.3 ± 9.3 (50% WFPS), 47.1 ± 5.8 (70% WFPS) and 36.1 ± 4.2 (90% WFPS) μg N m−2 h−1. The latter suggests that climate (i.e. dry vs. wet season) controls N2O and NO emissions. Positive correlations with soil carbon and nitrogen indicate a biological control over N2O and NO production. But interestingly N2O and NO emissions also showed a negative correlation (only N2O) with soil pH and a positive correlation with free iron. The latter suggest that chemo-denitrification might, at least for N2O, be an important production pathway. In conclusion improved understanding and process based modeling of N trace gas emission from tropical forests will not only benefit from better spatial explicit trace gas emission and basic soil property monitoring, but also by differentiating between biological and chemical pathways for N trace gas formation.
The future physiology of marine phytoplankton will be impacted by a range of changes in global ocean conditions, including salinity regimes that vary spatially and on a range of short- to geological timescales. Coccolithophores have global ecological and biogeochemical significance as the most important calcifying marine phytoplankton group. Previous research has shown that the morphology of their exoskeletal calcified plates (coccoliths) responds to changing salinity in the most abundant coccolithophore species, Emiliania huxleyi. However, the extent to which these responses may be strain-specific is not well established. Here we investigated the growth response of six strains of E. huxleyi under low (ca. 25) and high (ca. 45) salinity batch culture conditions and found substantial variability in the magnitude and direction of response to salinity change across strains. Growth rates declined under low and high salinity conditions in four of the six strains but increased under both low and high salinity in strain RCC1232 and were higher under low salinity and lower under high salinity in strain PLYB11. When detailed changes in coccolith and coccosphere size were quantified in two of these strains that were isolated from contrasting salinity regimes (coastal Norwegian low salinity of ca. 30 and Mediterranean high salinity of ca. 37), the Norwegian strain showed an average 26% larger mean coccolith size at high salinities compared to low salinities. In contrast, coccolith size in the Mediterranean strain showed a smaller size trend (11% increase) but severely impeded coccolith formation in the low salinity treatment. Coccosphere size similarly increased with salinity in the Norwegian strain but this trend was not observed in the Mediterranean strain. Coccolith size changes with salinity compiled for other strains also show variability, strongly suggesting that the effect of salinity change on coccolithophore morphology is likely to be strain specific. We propose that physiological adaptation to local conditions, in particular strategies for plasticity under stress, has an important role in determining ecotype responses to salinity.
The calcareous substrate of spring-fed fens makes them unique islands of biodiversity, hosting endangered, vulnerable, and protected vascular plants. Hence, spring-fed fens ecosystems require special conservation attention because many of them are destroyed (e.g. drained, forested) and it is extremely difficult or even impossible to restore the unique hydrogeological and geochemical conditions enabling their function. The long-term perspective of paleoecological studies allows indication of former wetland ecosystem states and provides understanding of their development over millennia. To examine the late Holocene dynamics of a calcareous spring-fed fen (Raganu Mire) ecosystem on the Baltic Sea coast (Latvia) in relation to environmental changes, substrate and human activity, we have undertaken high-resolution analyses of plant macrofossils, pollen, mollusc, stable carbon (δ13C) and oxygen (δ18O) isotopes combined with radiocarbon dating (AMS) in three coring locations. Our study revealed that peat deposits began accumulating ca. 7000 cal. yr BP and calcareous deposits (tufa) from 1450 cal. yr BP, coinciding with regional hydrological changes. Several fire events occurred between 4000 and 1600 cal. yr BP, which appeared to have had a limited effect on local vegetation. The most significant changes in the forest and peatland ecosystems were at 3200 cal. yr BP associated with a dry climate stage and high fire activity, and then between 1400 and 500 cal. yr BP potentially associated with temperature changes during the Medieval Climate Anomaly (MCA) and Little Ice Age. Hydrological disturbances in the peatland catchment from 1400 cal. yr BP were most likely strengthened by human activity (deforestation) in this region. The relationship between the development of this peatland and changes in its catchment area, such as land cover changes or fluctuations in groundwater levels, suggest that protection and restoration of spring-fed fen ecosystems should also include the surrounding catchment. The presence of calcareous sediments, as well as appropriate temperature and local hydrological conditions appear to be the most crucial factors controlling Cladium marisus populations in our site - currently at the eastern limit of its distribution in Europe.
Zusammenfassung der Ergebnisse.
1. Eine einheitliche Gliederung der diluvialen Terrassen ist Voraussetzung für die vorliegende Untersuchung.
a) Die Bezeichnung "Mittelterrassen" wurde vermieden, vielmehr ist in Hoch- und Talwegterrasse gegliedert worden. b) Die Höhenbezeichnungen wurden durch Altersbestimmungen ersetzt.
2. Eine gemeinsame Behandlung erforderten die älteren Terrassen des Eis- und Eckbaches.
a) Der Oberlauf des Eckbaches ist tektonisch angelegt. In diesem Engtal wie auch in den südlich folgenden fehlen nicht nur die älteren sondern überhaupt jegliche Terrassen.
b) Die Schotterfluren innerhalb der Marnheimer Bucht stellen Gleithänge dar, an denen der Eisbach nach dem Innern hin heruntergerutscht ist.
c) Schon im Pliozän ist die Scholle der Marnheimer Bucht gegen den Rheintalgraben aufgerichtet.
3. Die Hochterrasse ist nur im nördlichen Gebietsteil ausgebildet, im Süden wird sie durch die Ablagerung der Freinsheimer Tonschichten lokal ersetzt.
4. Die Freinsheimer Tonschichten stellen eine lokale prärißeiszeitliche Auffüllung des rückgesunkenen Mitteldiluvialen Senkungsfeldes dar.
5. Die mittel diluviale Reakkumulation ist eine der bedeutendsten Erscheinungen für die Morphologie des Mainzer Beckens.
a) Infolge der starken Niveaudifferenzen am Rand des Pfälzerwaldes mußte die Aufschüttung gerade hier sehr mächtig sein.
b) Die Schuttkegel sind teils ein Ergebnis dieser Aufschüttung teils ein Ergebnis der flächenhaften Abtragung und mechanischen Zertrümmerung am Gebirgsrand.
c) Morphologische Tatsachen beweisen, daß die südlichen Seitenfliisse des Rheins jünger sind als Pfrimm und Eisbach.
6. Die Ursache für die Entstehung des einzelnen Fluß terrassenrestes im Gebirge (Rotliegendausräumung von Lambrecht-Grevenhausen) ist die Stauung des Speyerbaches unmittelbar vor der Verwerfung Albersweiler-Lindenberg-Bad Dürkheim.
7. Der Niederterrasse kommt im südlichen Teil des Untersuchungsgebietes größere morphologische Bedeutung zu als im nördlichen.
8. Der Südwestteil des Mainzer Beckens kann in einzelne tektonische Senkungsfelder eingeteilt werden, die durch· Verwerfungen begrenzt sind.
a) Erst im Mitteldiluvium sind die Hauptschollen des Rheinhessischen Blockgebirges aus dem allgemeinen Senkungsbereich ausgegliedert worden.
b) Verschiedene morphologische Tatsachen, besonders in der Rheinpfalz, sprechen dafür, daß im Rheintalgraben gegensätzliche Bewegungsrichtungen der sich senkenden Schollen geherrscht haben.
c) Im Mitteldiluvium wirkte noch die alte Bewegungstendenz mit größter Intensität im Innern.
d) Frühestens im Riß-Würm-Interglazial sank alsdann das Mitteldiluviale Senkungsfeld gebirgswärts zurück.
e) Aber auch in gleichen Zeitabschnitten herrschten im Rheintal verschiedene Bewegungsrichtungen, wobei sich Wilsers Ansicht bestätigt, daß das Rheintal in quer gerichtete Unterabschnitte zu gliedern ist, die als Einheiten verschiedensinnige Bewegungen zeigen.
This work analyses several granitic bodies of the Variscan Orogen of Central and Western Europe in order to improve our knowledge about different aspects of their evolution, regarding their ascent and emplacement mechanisms, as well as their deformation history. In the Iberian Massif two granitoid bodies, namely the La Bazana pluton and the Nisa-Alburquerque batholith, were studied in order to decipher their ascent and emplacement history. The La Bazana pluton is a small, sub-circular body in map view that intruded into rocks of the Ossa-Morena Zone in the core of a late upright antiform. Its three-dimensional drop-pipe shape, its internal dome foliation pattern and the structure of the host rock suggest that the magma ascended and emplaced diapirically. The Nisa-Alburquerque batholith is a large body that intruded into rocks of the Central Iberian Zone, the Central Unit, and the Ossa-Morena Zone. Its cartographic shape is elongate and parallel to the NW—SE to WNW—ESE Variscan structures. In the light of the available structural data and the gravimetric models, the intrusion is viewed as a continuous lateral magma flow from the eastern root guided towards the west through the southern limb of a kilometre-scale antiform. As mass-transfer mechanisms, a combination of rigid translation of the country rocks, stoping, and possibly ballooning is proposed. In the Bohemian Massif several small granitoid bodies showing a strong solid-state deformation were studied in order to integrate their tectonometamorphic history in the geotectonic framework of the south-western Bohemian Massif, focusing principally on the deformation phase referred to as D3. Four ductile deformation phases are proposed for the study area. D1 produced high-temperature fabrics under upper amphibolite to granulite facies conditions. Its kinematics is unknown. D2 occurred under amphibolite to upper greenschist facies conditions under N—S to NNW—SSE compression. It is responsible for a subvertical NW—SE striking foliation in migmatites developed under dextral simple shear and for the deformation at the Bayerischer Pfahl shear-zone system at its earlier stages. Many granitoid dykes and stocks were found to be affected by sinistral shear along subvertical planes trending ENE to ESE. Since this deformation, which is called D3 in the present work, is not compatible with a N—S to NNW—SSE compression, it is proposed that these sinistral shear zones in granites do not belong to the Bayerischer Pfahl shear-zone system and constitute themselves a separated one, which is called “D3 shear-zone system”. D3 took place under upper greenschist to lower amphibolite facies conditions (~480-550°C). Both the intrusion and the deformation of the granites affected by D3 occurred at deep to intermediate levels of the crust, whereas the deformation took place under NE—SW compression. Datings on two of the deformed granites yielded 324.4 ± 0.8 Ma and 315.0 ± 1.0 Ma: Thus, the age of D3 is most probably ~315 Ma. The intrusion of most of the sheared granitoids was pre-kinematic with respect to D3. After D3 the N—S to NNW—SSE compression which governed D2 was restored, giving way to the next deformation phase D4, which was linked to further deformation at and next to the principal shears of the Bayerischer Pfahl shear-zone system under greenschist facies conditions. The causes for the change of the stress field leading to a NE—SW compression during D3 might be related to (1) global changes in the dynamics of the tectonic plates in late Variscan times, (2) orogenic collapse leading to the sinking of the Teplá-Barrandian and lateral extrusion of the surrounding Moldanubian rocks, (3) distortion of the regional stress field by local intrusion of large stocks, such as the Saldenburg granite of the Fürstenstein Massif, or (4) distortion of the regional stress field due to the existence of ephemeral releasing bends in the Bayerischer Pfahl shear zone during its early evolution.
The crude oil constituents benzene, toluene, ethylbenzene, and the three xylene isomers (BTEX) are the dominating groundwater contaminants originating from surface spill accidents by oil production facilities and with gasoline and jet fuel. Thereby BTEX posing a threat to the world´s scarce drinking water resources due to their water solubility and toxicity. An active remediation cleanup involving a BTEX event proves not only to be very expensive but almost impossible when it comes to the complete removal of contaminants from the subsurface. A favoured and common practice is combining an active remediation process focussing on the source of contamination coupled together with the monitoring of the residual contamination in the subsurface (monitored natural attenuation; MNA). MNA include all naturally occuring biological, chemical and physical processes in the subsurface. The general goal of this work was to improve the knowledge of biodegradation of aromatic hydrocarbons under anaerobic conditions in groundwater. For this groundwater and soil at the former military underground storage tank (UST) site Schäferhof – Süd near Nienburg/Weser (Niedersachsen, Germany) were sampled and analysed. The investigations were done in collaboration of the Umweltbundesamt, the universitys of Frankfurt and Bremen and the alphacon GmbH Ganderkesee. To investigate the extent of groundwater contamination, the terminal electron acceptor processes (TEAPs) and the metabolites of BTEX degradation in groundwater, six observation wells were sampled at regular intervals between January 2002 and September 2004. The wells were positioned in order to cover the upstream, the source area and the downstream of the presumed contamination source. Additionally, vertical sediment profiles were sampled and investigated with respect to spreading and concentration of BTEX in the subsurface. A large residual contamination involving BTEX is present in soil and groundwater at the studied locality. Maximum BTEX concentration values of 17 mg/kg were recorded in analysing sediment in the unsaturated zone. In the capillary fringe, values of 450 mg/kg were recorded (October 2004) and in the saturated zone maximum values of 6.7 mg/kg BTEX were detected. The groundwater samples indicate increasing BTEX concentrations in the groundwater flow direction (from 532 µg/l up to 3300 µg/l (mean values)). Biodegradation of aromatic hydrocarbons under anaerobic conditions in the sub surface at contaminated sites is characterised by generation of metabolites. From the monoaromatic hydrocarbons BTEX metabolites such as benzoic acid (BA) and the methylated homologs and C1-and C2-benzyl-succinic acids (BSA) are generated as intermediates. A solid-phase extraction method based on octadecyl-bonded silica sorbent has been developed to concentrate such metabolite compounds from water samples followed by derivatization and gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) of the extracts. The recovery rate range between 75 and 97%. The method detection limit was 0.8 µg/l. Organic acids were identified as metabolic by-products of biodegradation. Benzoic acid, C1-, C2- and C3-benzoic acid were determined in all contaminated wells with considerable concentrations. Furthermore, the depletion of the dominant terminal electron acceptors (TEAs) oxygen, nitrate, and sulphate and the production of dissolved ferrous iron and methane in groundwater indicate biological mediated processes in the plume evidently proving the occurrence of NA. A large overlap of different redox zones at the studied part of the plume has been observed. A important finding in this study is the strong influence of groundwater level fluctuations on the BTEX concentration in groundwater. A very dry summer in 2003 was recorded during the monitoring period, resulting on site in a drop of the groundwater level to 1.7 m and a concomitant increase of BTEX concentrations from 240 µg/l to 1300 µg/l. The groundwater level fluctuations, natural degradation and retention processes essentially influence BTEX concentrations in the groundwater. Groundwater level fluctuations have by far a stronger influence than the influence of biological degradation. Increasing BTEX concentrations are hence not a consequence of limited biological degradation. Another part of the study was to observe the isotopic fractionation of the electron acceptor Fe(III), due to biologically mediated reduction of Fe(III) to the watersoluble Fe(II) at the site and first field data are presented. Both groundwater and sediment samples were analysed with respect to their Fe isotopic compositions using high mass resolution Multi Collector-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (MC-ICP-MS). The delta56Fe -values of groundwater samples taken from observation wells located downstream of the source area were isotopically lighter than delta56Fe -values obtained from groundwater in the uncontaminated well. The Fe isotopic composition of most parts of the sediment profile was similar to the Fe isotopic composition of uncontaminated groundwater. Thus, a significant iron isotope fractionation can be observed between sediment and groundwater downstream of the BTEX contamination.
Diamonds growing in the Earth’s mantle often trap inclusions of fluids that are highly saline in composition. These fluids are thought to emerge from deep in subduction zones and may also be involved in the generation of some of the kimberlite magmas. However, the source of these fluids and the mechanism of their transport into the mantle lithosphere are unresolved. Here, we present experimental results showing that alkali chlorides are stable solid phases in the mantle lithosphere below 110 km. These alkali chlorides are formed by the reaction of subducted marine sediments with peridotite and show identical K/Na ratios to fluid inclusions in diamond. At temperatures >1100°C and low pressures, the chlorides are unstable; here, potassium is accommodated in mica and melt. The reaction of subducted sediments with peridotite explains the occurrence of Mg carbonates and the highly saline fluids found in diamonds and in chlorine-enriched kimberlite magmas.
Sedimentbilanzen haben sich als Methode zur Quantifizierung von Sedimentflüssen in Raum und Zeit in den Geowissenschaften etabliert. Sie eröffnen die Möglichkeit, differenzierte Aus¬sagen über die Erosions- und Sedimentationsdynamik von Einzugsgebieten zu treffen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die holozäne Erosions- und Sedimentationsentwicklung im mesoskaligen Mittelgebirgseinzugsgebiet des Speyerbachs im Pfälzerwald zu erfassen, und räumlich und zeitlich möglichst differenziert darzulegen. Um Langzeit-Sedimentbilanzen für den Speyerbach zu berechnen wurden verfügbare Daten zum Boden, eine eigene Kartierung der Erosion und Sedimentation sowie eine intensive (OSL und 14C-) Datierung zweier Stand¬orte durchgeführt. Die Sedimente wurden durch eine direkte Kartierung erfasst. Die Erosions¬tiefe errechnet sich aus der Subtraktion der aktuellen Mächtigkeit der Hauptlagen und der Parabraunerden vom initialen Zustand (= Berechnungsgrundlage).
Die Sedimentbilanz I basiert auf öffentlich zugänglichen bodenkundlichen Punkt- und Flächendaten und hat eine Erosion von ~27 Mio. m³ mit einem Einzugsgebiets-Sedimentaus¬tragsverhältnis (CSDR) von 31,5 % ergeben. Die Sensitivitätsanalyse belegt eine hohe Abhängigkeit des Ergebnisses von der Wahl der Berechnungsgrundlage. Aufgrund fehlender Daten sind eine höhere räumliche Auflösung sowie Aussagen zur zeitlichen Entwicklung nicht möglich.
Die Berechnung der Sedimentbilanz II erfolgte auf der Grundlage eigens erhobener Punkt- und Flächendaten, womit die Anwendung eines nested approach möglich wurde: Neben der Gesamtbilanz für den Speyerbach (sechste Strahler-Ordnung) wurden Bilanzen für Teilein¬zugsgebiete erster und vierter Strahler-Ordnung erstellt, anhand derer die Skalenabhängigkeit der Sedimentdynamik diskutiert werden konnte. Es wurden ~109 Mio. m³ und ein CSDR von 5 % errechnet und ebenfalls eine hohe Sensitivität gegenüber der Änderung der Erosionstiefen festgestellt.
Die erfolgreiche Datierung von periglazialen Deckschichten zweier Bodenprofile unterstützt die Ergebnisse der Landnutzungsrekonstruktion aus Literaturdaten und historischen Karten und zeigt, dass in den Tälchen erster Ordnung Erosion verstärkt in der Neuzeit stattfand. Nur in den lösslehmbeeinflussten Gebieten hat sich die Besiedlung im Frühmittelalter in der Ablagerung von Bodensedimenten abgebildet. Es wurden frühholozäne Umlagerungsprozesse am Hang identifiziert. Aufgrund der guten Datierungseigenschaften der sandigen periglazia¬len Lagen wäre das Untersuchungsgebiet geeignet, der Frage nach der Parallelisierung der frühholozänen Umlagerungen von Hangsedimenten mit Klimaschwankungen nachzugehen.
Die vorliegende Arbeit liefert mit den erstellten Sedimentbilanzen und der Darlegung der Landnutzungsverhältnisse ein regionales Beispiel für Mittelgebirgsräume im Rhein-Einzugs¬gebiet. Die mikro- bis mesoskaligen Ergebnisse folgen der generellen Tendenz anderer welt¬weiter Studien, wonach die Sedimentaustragsverhältnisse mit steigender Einzugsgebietsgröße abnehmen. Die Werte der Sedimentbilanz II liegen jedoch deutlich unter denen der Lössge¬biete und belegen, dass sich die Zwischenspeicherung in der Mittelgebirgsregion höher ist. Die räumliche Differenzierung zeigt regionale Unterschiede, die auf der Zugänglichkeit, der administrativen Zugehörigkeit und die naturräumliche Ausstattung zurückzuführen sind. Arbeiten in anderen Sandsteinregionen Deutschlands sind derzeit im Gange und werden in Zukunft eine Einschätzung der vorliegenden Untersuchung zulassen.
Strain localization in the lithosphere and the formation, evolution, and maintenance of resulting plate boundaries play a crucial role in plate tectonics and thermo‐chemical mantle convection. Previously activated lithospheric deformation zones often appear to maintain a “memory” of weakening, leading to tectonic inheritance within plate reorganizations including the Wilson cycle. Different mechanisms have been proposed to explain such strain localization, but it remains unclear which operates on what spatio‐temporal scales, and how to best incorporate them in large‐scale mantle convection models. Here, we analyze two candidates, (1), grain‐size sensitive rheology and, (2), damage‐style parameterizations of yield, stress which are sometimes used to approximate the former. Grain‐size reduction due to dynamic recrystallization can drive localization in the ductile domain, and grain growth provides a time‐dependent rheological hardening component potentially enabling the preservation of rheological heterogeneities. We compare the dynamic weakening and hardening effects as well as the timescales of strength evolution for a composite rheology including grain‐size dynamics with a pseudo‐plastic rheology including damage‐ (or “strain”‐) dependent weakening. We explore the implications of different proposed grain‐size evolution laws, and test to which extent strain‐dependent rheologies can mimic the weakening and hardening effects of the more complex micro‐physical behavior. Such an analysis helps to better understand the parallels and differences between various strain‐localization modeling approaches used in different tectonics and geodynamics communities. More importantly, our results contribute to efforts to identify the key ingredients of strain‐localization and damage hysteresis within plate tectonics and how to represent those in planetary‐scale modeling.
In der Monte Cavallo-Gruppe fand Verf. in Stauseesedimenten fossile Holzstücke, für die die 14 C-Datierung ein Alter von 29 350 ± 460 Jahren vor 1950 n. Chr. ergab. Die schluffigen Ablagerungen, die in etwa 900 m, fast 80 m über dem heutigen Flußbett des T. Caltea aufgeschlossen sind, ruhen auf Schottern und werden von Moräne überlagert.
Aufgrund seiner stratigraphischen Lage und seines 14C-datierten Alters kann das Holz (Picea abies bzw. Larix) einem zeitlichen Äquivalent des Paudorf-Interstadials zugeordnet werden. Dieser Fund von Großresten ermöglicht somit eine erste absolute Datierung des Paudorf-Interstadials für die Südalpen und Oberitalien.
Innerhalb einer Stadt bildet sich durch die dichte Bebauung und den erhöhten Energieumsatz gegenüber dem Umland ein davon deutlich abweichendes "Stadtklima" aus. Dieses ist beispielsweise durch eine höhere Temperatur in der Stadt gekennzeichnet, welche zur Ausbildung der sogenannten städtischen Wärmeinsel führt. Zudem lassen regionale Klimamodelle für die nächsten Jahrzehnte Klimaänderungen erwarten, die sich in den städtischen Ballungsräumen durch die Überlagerung mit der städtischen Wärmeinsel deutlich belastender auswirken als im Umland. Dies ist für die Menschen von elementarem Interesse, da bereits heute mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung in Städten lebt. Der Klimawandel findet bereits statt: 60-jährige Messungen des Deutschen Wetterdienstes am Flughafen Frankfurt/Main belegen einen signifikanten Anstieg des Jahresmittels der Lufttemperatur von 0,35 °C pro Dekade. Die Anzahl der mittleren jährlichen Sommertage, das sind Tage an denen die Lufttemperatur 25 °C erreicht oder überschreitet, weist ebenfalls einen signifikanten Trend von 4,3 Tagen pro Dekade auf. Wenn dieser beobachtete Trend unverändert weiterginge, so wären für die Klimaperiode 2021 - 2050 durchschnittlich etwa 21 Sommertage pro Jahr mehr als in der Klimaperiode 1971 - 2000 zu erwarten. Eine zuverlässige Abschätzung muss jedoch die erwartete Änderung klimarelevanter Spurenstoffe berücksichtigen und daher auf den verfügbaren globalen und regionalen Klimaprojektionen basieren. Ziel der Untersuchung war es deshalb, auf der Basis von Projektionen regionaler Klimamodelle die Auswirkungen des Klimawandels für detaillierte Stadtstrukturen aufzuzeigen. Mit Hilfe eines Stadtklimamodells und der am Beispiel Frankfurt/Main entwickelten sogenannten „Quadermethode“ (Früh et al., 2011) konnte erstmals sowohl die vergangene als auch die zukünftige Wärmebelastung für Frankfurt am Main unter Berücksichtigung der vielfältigen Bebauungsstrukturen und sonstiger Flächennutzungen simuliert werden. Auch die klimatischen Auswirkungen der größeren Planungsvorhaben der Stadt wurden in diesem Zusammenhang untersucht. Auf der Grundlage des moderaten IPCC Emissionsszenarios A1B ergibt sich für das Stadtgebiet von Frankfurt bis zum Jahr 2050 eine Zunahme der mittleren jährlichen Anzahl von Sommertagen von derzeit etwa 44 Tagen pro Jahr, um weitere 5 bis 31 Tage. Damit wird Mitte des Jahrhunderts im Sommerhalbjahr jeder zweite bis vierte Tag in Frankfurt wärmer als 25 °C sein. Gleichzeitig wird auch die mittlere jährliche Anzahl "Sommerabende", das sind Abende an denen es um 22 Uhr noch mindestens 20 °C warm ist, um 5 bis 33 Tage ansteigen. Auch die Anzahl der "heißen Tage" mit einer Höchsttemperatur von mindestens 30 °C und der Tropennächte mit Lufttemperaturen, die nicht unter 20 °C sinken, wird deutlich zunehmen. Aufgrund der heute noch geringen Anzahl solcher Tage lassen sich für die Zukunft derzeit keine verlässlichen Aussagen treffen. Dies gilt auch für alle Untersuchungen, die für die Klimaperiode 2071 - 2100 durchgeführt wurden. Die Studie zeigt, dass die Zunahme der Sommertage bis Mitte des Jahrhunderts sich nicht signifikant zwischen dicht und locker bebauten Stadtteilen unterscheidet. Die Wärmebelastung wird also gleichermaßen stark zunehmen und zukünftig auch dort am höchsten sein wo sie es heute schon ist. Die Unterschiede zwischen Stadt und Umland werden sich aber nicht wie befürchtet verschärfen. Aber die Wahrscheinlichkeit, dass Hitzesommer – wie beispielsweise im Jahr 2003 – häufiger auftreten werden, nimmt bis Mitte des Jahrhunderts zu. Betrachtet man unterschiedliche Bebauungsstrukturen in Frankfurt, so belegen die Modellergebnisse zusätzlich, dass in dicht bebauten Gebieten, wie zum Beispiel der Innenstadt, die Wärmebelastung mit bis zu 54 Sommertagen pro Jahr bereits heute am stärksten ist. Hochhäuser, wie im Frankfurter Bankenviertel, können den Effekt dichter Bebauung zwar durch ihre abschattende Wirkung zumindest tagsüber etwas mildern. Da allerdings der Effekt der nächtlichen Wärmeinsel durch die Hochhäuser verstärkt wird, ist keineswegs als Anpassungsmaßnahme auf den Hochhausbau zu setzen. Neben den Auswirkungen der regionalen Klimaänderungen auf die Stadt werden auch die Auswirkungen bereits geplanter Veränderungen der Stadt untersucht. Dabei kann gezeigt werden, dass eine Umwandlung von bebauten Flächen in Grünflächen die durch den Klimawandel erwartete Zunahme an Sommertagen und -abenden etwa halbieren würde. Umgekehrt kann eine Verdichtung der Bebauung die erwartete Zunahme an Sommertagen und -abenden nahezu verdoppeln. Die Auswirkungen solcher Maßnahmen werden aber lokal sehr begrenzt sein. Um der erwarteten regionalen Klimaerwärmung im gesamten Stadtgebiet gegenzusteuern ist daher eine klimagünstige Gestaltung der Stadt in möglichst vielen Stadtbereichen notwendig. Parks und Grünanlagen nehmen unter zukünftigen Klimabedingungen somit in ihrer Bedeutung stark zu.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer optischer Aufbau für das Laserlabor der Abteilung Kristallographie im FB 11 an der Goethe-Universität Frankfurt beschrieben. Mit Hilfe dieses Aufbaus konnten verschiedene spektroskopische Methoden genutzt werden, um die - von Druck und Temperatur abhängige - Phasenstabilität von Calcium- und Eisencarbonaten zu untersuchen. Mit Hilfe von Raman-Spektroskopie konnte das Phasendiagramm von Calciumcarbonat (CaCO3) teilweise neu bestimmt werden. Fluoreszenzuntersuchungen an dotierten CaCO3 Proben ergaben, dass sich Europium-dotierter Calcit zunächst in eine amorphe Form umwandelt, bevor er bei ca. 15 GPa in eine amorphe 'aragonitische' Form umgewandelt wird. Die Umwandlung ist nicht reversibel. Laserheizexperimente bei 18.5 GPa an dotiertem Siderit (FeCO3) führten zur Bildung eines neuen Hochdruck-Hochtemperatur FeCO3 -Polymorphs. Die Strukturlösung erfolgte mit Hilfe von Röntgendaten, die am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg gewonnen wurden. Schließlich wurde eine neue Methode zur Bestimmung von Temperaturen in Laserheizexperimenten beschrieben. Sie beruht auf der Abschwächung eines Fluoreszenzsignals durch die Temperatur, welche durch die Wechselwirkung eines Heizlasers mit der Probe erzeugt wird.
Im Vordergrund dieser Dissertation steht die Methode der Mikromorphologie, die verknüpft mit weiteren bodenkundlichen Analysen sowohl bodenkundliche Fragen, als auch siedlungsfunktionale Fragen beantworten kann. Die Methode dient also ideal der Verknüpfung von Bodenkunde und Archäologie. Der Begriff Archäopedologie beschreibt genau diese Verknüpfung – die Anwendung bodenkundlicher Methoden zur Bearbeitung archäologischer Fragestellungen. Inhalt des ersten Themenschwerpunktes dieser Arbeit ist der Vergleich von Böden und Sedimenten des Tells Chuera und seiner Umgebung. Ziel war es, die Böden hinsichtlich verschiedener Ausgangssubstrate, unterschiedlicher Entwicklungsdauer und Reliefpositionen miteinander zu vergleichen. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Böden des Untersuchungsgebietes sich in Bezug auf ihre unterschiedlichen Substrate unterscheiden lassen. Auf den natürlichen Substraten des Waditals, den Hochflutsedimenten des Wadis Chuera, können ausschließlich haplic Calcisols ausgewiesen werden. Diese Böden sind durch einen Kalkanreicherungshorizont im Unterboden gekennzeichnet. In den anthropogen beeinflussten Substraten des Tells können ebenso vornehmlich Calcisols beschrieben werden. Diesen Böden wird ein technic vorangestellt, da sie sich in technogenen Substraten, wie z.B. Lehmziegelmaterial entwickelt haben. Geht der auf dem Tell als Konstruktionsmaterial verwendete Gips in die Bodengenese ein, werden Gypsisols gebildet. In allen untersuchten Böden sind dieselben pedogenen Prozesse wirksam: Bioturbation, Kalktranslokation und Gefügebildung. Eine Unterscheidung hinsichtlich ihrer Entwicklungszeiträume kann nicht getroffen werden. Sowohl auf dem Siedlungshügel, auf dem die Bodenentwicklung in dem Siedlungshiatus von 600 Jahren und nach der Aufgabe der Siedlung untersucht werden konnte, wie auch in der Umgebung, laufen unabhängig vom Zeitfenster dieselben Prozesse ab. Die Böden weisen keine bedeutenden pedogenetischen Unterschiede auf, die gravierende ökologisch-klimatische Veränderungen anzeigen und somit die Aufgabe der Siedlung erklären könnten. Der zweite Teil der Dissertation widmet sich der mikromorphologischen Analyse von Siedlungsresten. Kulturschichten ausgewählter Standorte (Oberstadt, Unterstadt, Straßen, Räume) wurden hinsichtlich ihrer Nutzung untersucht. Anhand von Dünnschliffanalysen konnten innerhalb der beprobten Areale verschiedene Bereiche klar abgegrenzt werden. So deuten Phytolithschichten innerhalb eines Gebäudes auf Pflanzenmatten hin, die typischerweise in Ruhe- oder Essensbereichen als Bodenbelag dienten. Darüber hinaus konnten auch Hinweise auf den Aufenthalt von Tieren in der Siedlung gefunden werden. Dies war durch den Nachweis von Dungresten und zahlreichen fäkalen Sphäruliten, die Schafen oder Ziegen zuzuordnen sind, möglich. Ob die Tiere in direkter Nachbarschaft zu den Menschen lebten, konnte bislang noch nicht geklärt werden. Gesichert ist, dass Tier und Mensch gemeinsam die Straßen und Gassen von Tell Chuera genutzt haben.
Micromorphology is a suitable method to study the contents and stratigraphic relationships of pit fills. Within the ramparts of Corneşti-Iarcuri, fill layers of a pit were sampled. Th e pit fill was macroscopically divided into primary and secondary fill due to striking differences. These differences could be verified and concretized micromorphologically.
The continental expression of global cooling during the Miocene Climate Transition in Central Asia is poorly documented, as the tectonically active setting complicates the correlation of Neogene regional and global climatic developments. This study presents new geochemical data (CaSO4 content, carbonate δ13C and δ18O) from the endorheic alluvial‐lacustrine Aktau succession (Ili Basin, south‐east Kazakhstan) combined with findings from the previously published facies evolution. Time series analysis revealed long‐eccentricity forcing of the paleohydrology throughout the entire succession, split into several facies‐dependent segments. Orbital tuning, constrained by new laser ablation U‐Pb dates and a preexisting magnetostratigraphy, places the succession in a 5.0 Ma long interval in the middle to late Miocene (15.6 to 10.6 Ma). The long‐term water accumulation in the Ili Basin followed the timing of the Miocene Climate Transition, suggesting increased precipitation in the catchment area in response to climate cooling and stronger westerly winds. This was paced by minima of the 2.4 Ma eccentricity cycle, which favored the establishment of a discharge playa (~14.3 Ma) and a perennial lake (12.6 to 11.8 Ma). Furthermore, low obliquity amplitudes (nodes) caused a transient weakening of the westerlies at ~13.7 to 13.5 Ma and at ~12.7 Ma, resulting in negative hydrological budgets and salinization. Flooding of the windward Ili Basin coeval with aridification in the leeward basins suggests that the Tian Shan was a climate boundary already in the middle Miocene. Our results emphasize the impact of climate fluctuations on the westerlies' strength and thus on Central Asian hydrology.
Both, gas and particle scavenging contribute to the transport of organic compounds by ice crystals in the troposphere. To simulate these processes an experimental setup was developed to form airborne ice crystals under atmospheric conditions. Experiments were performed in a wall independent reactor (WIR) installed in a walk-in cold chamber maintained constantly at -20°C. Aerosol particles were added to the carrier gas of ambient air by an aerosol generator to allow heterogeneous ice formation. Temperature variations and hydrodynamic conditions of the WIR were investigated to determine the conditions for ice crystal formation and crystal growth by vapour deposition. In detail, the dependence of temperature variations from flow rate and temperature of the physical wall as well as temperature variations with an increasing reactor depth were studied. The conditions to provide a stable aerosol concentration in the carrier gas flow were also studied. The temperature distribution inside the reactor was strongly dependent on flow rate and physical wall temperature. At an inlet temperature of -20°C, a flow rate of 30 L•min exp -1 and a physical wall temperature of +5°C turned out to provide ideal conditions for ice formation. At these conditions a sharp and stable laminar down draft "jet stream" of cold air in the centre of the reactor was produced. Temperatures measured at the chamber outlet were kept well below the freezing point in the whole reactor depth of 1.0 m. Thus, melting did not affect ice formation and crystal growth. The maximum residence time for airborne ice crystals was calculated to at 40 s. Ice crystal growth rates increased also with increasing reactor depth. The maximum ice crystal growth rate was calculated at 2.82 mg• exp -1. Further, the removal efficiency of the cleaning device for aerosol particles was 99.8% after 10 min. A reliable particle supply was attained after a preliminary lead time of 15 min. Thus, the minimum lead time was determined at 25 min. Several test runs revealed that the WIR is suitable to perform experiments with airborne ice crystals.
Eintrag organischer Umweltchemikalien aus der Oder in den anaeroben Grundwasserleiter des Oderbruchs
(2002)
In der vorliegenden Arbeit wurde im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogrammes 546 ,,Geochemische Prozesse mit Langzeitfolgen im anthropogen beeinflussten Sickerwasser und Grundwasser" der Eintrag organischer Umweltchemikalien aus der Oder in den anaeroben Grundwasserleiter des Oderbruchs untersucht. Ausgewählt wurden verschiedene Vertreter der Stoffklassen Antioxidantien und Phosphorsäureester sowie die beiden Xenoöstrogene Bisphenol A und 4-Nonylphenol, denen eine endokrine (hormonähnliche) Wirkung auf Organismen zugeschrieben wird. Solche Umweltchemikalien werden seit ca. 40 Jahren in großen Mengen für verschiedene Zwecke in Industrie und Privathaushalten eingesetzt oder sie entstehen durch photochemischen oder mikrobiologischen Abbau unter Umweltbedingungen. Die Chemikalien gelangen durch Produktion und Verwendung in die Abwässer und werden durch Direkteinleitungen geklärter Abwässer in die Oberflächengewässer eingetragen. Durch den Prozess der Uferfiltration werden im Oderbruch organische Verbindungen von der Oder ins Grundwasser des angrenzenden Aquifers transportiert. Viele Umweltkontaminanten sind unter aeroben Bedingungen gut biologisch abbaubar. Wie sie sich aber in einer sauerstofffreien Umgebung verhalten, ist bis heute relativ unerforscht. Es ist notwendig, die Prozesse bei der Uferfiltration zu kennen, da heute zunehmend mehr Trinkwasser aus Uferfiltrat gewonnen wird und Umweltchemikalien somit eine potentielle Gefahr für die Trinkwasserversorgung darstellen. Eine zweite Eintragsquelle stellen die Niederschläge dar. Viele organische Verbindungen besitzen die Fähigkeit, aufgrund ihrer physikalischen Paramter von freien Wasser- und Bodenoberflächen oder aus den Produkten, in denen sie enthalten sind, in die Atmosphäre zu verdampfen. Über den Regen gelangen sie schließlich zurück auf die Erde und können so mit dem Sickerwasser bis in tiefere Zonen des Aquifers transportiert werden. Für Vergleichszwecke wurden auch andere Fließgewässer in Deutschland bezüglich der Belastung durch die ausgewählten Umweltchemikalien untersucht. In Ergänzung und Fortsetzung bisheriger Publikationen wurde mit der vorliegenden Arbeit die Konzentrationsentwicklung dieser Stoffe in den Flüssen Rhein, Main, Elbe, Nidda und Schwarzbach dokumentiert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag darin, die Frage nach dem Eintrag dieser Umweltchemikalien in die Flüsse zu beantworten. Dazu wurde Abwasser und Regenwasser auf die Anwesenheit der entsprechenden Verbindungen untersucht. Das Hauptuntersuchungsgebiet stellte die Oder im Grenzbereich Deutschland-Polen sowie der anaerobe Grundwasserleiter des Oderbruchs dar. Dieses Gebiet westlich der Oder im Bundesland Brandenburg wurde ausgewählt, da hier die besondere hydrologische Situation gegeben ist, dass das Flusswasser der Oder mit Geschwindigkeiten von 0,2-5 m/d in den angrenzenden Aquifer infiltriert. Da im Aquifer des Oderbruchs durchweg reduzierende Verhältnisse herrschen, eignet sich dieser in besonderer Weise, das Verhalten organischer Substanzen unter anaeroben Bedingungen zu untersuchen. Hydrogeologisch betrachtet sind im quartären Untergrund des Oderbruchs zwei Hauptgrundwasserleiter ausgebildet. Beide Horizonte werden durch eine undurchlässige Schicht aus Geschiebemergel voneinander getrennt. Gegenstand der vorliegenden Untersuchungen war ausschließlich der obere Hauptgrundwasserleiter, in dem durchweg anaerobe Bedingungen herrschen. Bei einer durchschnittlichen Mächtigkeit von 20-30 m wird der Aquifer im wesentlichen aus holozänen und pleistozänen Sanden und Kiesen aufgebaut. Charakteristisch für das Oderbruch ist der sogenannte ,,Auelehm". Es handelt sich hierbei um flächenhaft verbreitete bindige Deckschichten mit unterschiedlichen Mächtigkeiten. In einigen Bereichen des Oderbruchs fehlen diese undurchlässigen Deckschichten völlig, weshalb das Niederschlagswasser ungehindert in den Aquifer eindringen kann. In anderen Bereichen variiert die Mächtigkeit des Auelehms lokal. Mit zunehmender Entfernung von der Oder nimmt sie stark ab. In Bereichen ab ca. 3000 m Entfernung vom Fluss sind die Auelehmdeckschichten nicht mehr vorhanden, weshalb hier der Eintrag organischer Stoffe mit den Niederschlägen in einen Aquifer begünstigt wird. Im Vorfeld dieser Arbeit hat die Auswertung der zur Schadstoffbelastung der Oder vorliegenden Literatur gezeigt, dass sich die wenigen Untersuchungen vor allem mit dem Auftreten sogenannter persistenter organischer Schadstoffe wie polychlorierte Biphenyle (PCB), Dioxine, Furane und Chlorpestizide beschäftigten. Umweltchemikalien wie Antioxidantien, Phosphorsäureester und Xenoöstrogene, die unter aeroben Bedingungen gut biologisch abgebaut werden, treten oft in den Hintergrund der Betrachtung, da von einer vollständigen Eliminierung dieser Substanzen ausgegangen wird. Diese Industriechemikalien, die Gegenstand dieser Arbeit sind, werden in so hohen Mengen produziert und eingesetzt, dass die Abbaukapazität in Böden und Gewässern häufig überschritten wird. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst eine empfindliche Messmethode zur Bestimmung von mittelpolaren organischen Umweltkontaminanten aus matrixreichen Wasser- und Abwasserproben im unteren Nanogramm/Liter-Bereich entwickelt. Die Analysenmethode basierte auf der Extraktion der Wasserproben mittels Festphasenextraktion (SPE) sowie dem hochempfindlichen Nachweis der Analyten mittels Kapillargaschromatographie/ Massenspektrometrie (GC/MS). Damit konnten zahlreiche Verbindungen mit einem relativ geringen Arbeitsaufwand im Routinebetrieb mit Wiederfindungsraten von 68 bis 95 % in den Wasserproben identifiziert und quantifiziert werden. Die Bestimmungsgrenzen für die einzelnen Verbindungen lagen zwischen 3-53 ng/l. Insgesamt sind in diesem Projekt von März 1999 bis Juli 2001 sechs Beprobungskampagnen im halbjährlichen Rhythmus durchgeführt worden. Zur Beprobung standen die im Rahmen dieses Schwerpunktprogrammes von Mitarbeitern der FU Berlin sowie des ZALF in Müncheberg im Oderbruch installierten Grundwassermessstellen der Transsekten Bahnbrücke und Nieschen zu Verfügung. Im Bereich der Transsekte Bahnbrücke ist der ,,Auelehm" weit verbreitet, allerdings mit lokal variierenden Mächtigkeiten. Mit zunehmender Entfernung von der Oder nimmt die Mächtigkeit dieser Deckschicht ab, bis sie in einer Entfernung von ca. 5000 m überhaupt nicht mehr vorhanden ist. Vereinzelt sind den überwiegend sandig bis kiesigen Sedimentfolgen, die den Aquifer im Bereich der Transsekte Bahnbrücke überwiegend aufbauen, in unmittelbarer Nähe der Oder geringmächtige Tonlagen zwischengeschaltet. Dadurch wird der Aquifer in flussnähe in zwei Teilbereiche gegliedert. Der untere Teilbereich steht im direkten hydraulischen Kontakt zur Oder und wird so maßgeblich durch das Uferfiltrat beeinflusst. Im Hangenden dieses grundwasserleitenden Horizontes folgt ein zweiter Teilbereich, der durch eine stauende Tonschicht an der Basis hydraulisch von der Oder getrennt ist und so überwiegend von infiltrierendem Niederschlagswasser sowie vom Oderwasser bei Überschwemmungen geprägt wird. Im Bereich der Transsekte Nieschen besteht der Grundwasserleiter ausschließlich aus sandig-kiesigen Sedimentfolgen. Außerdem fehlt hier der Auelehm und damit eine den Aquifer schützende Deckschicht. Daher ist im Bereich der Transsekte Nieschen der Einfluss von infiltrierendem Niederschlagswasser auf den Grundwasserchemismus besonders stark ausgeprägt, da dieses ungehindert in den Aquifer eindringen kann. Parallel zu jeder Grundwasserprobennahme wurde an ausgewählten Standorten in Deutschland eine Beprobung verschiedener Oberflächengewässer durchgeführt sowie Dachablaufproben gesammelt. Bei der letzten Beprobungskampagne wurden im Oderbruch eine Niederschlagsprobe sowie zwei Dachablaufproben genommen. Zum gleichen Zeitpunkt wurden Zu- und Abläufe der Kläranlage einer Stahlverarbeitungsfirma sowie dreier kommunaler Kläranlagen in der Umgebung des Oderbruchs beprobt. Sämtliche beprobten Kläranlagen leiten ihre geklärten Abwässer in die Oder. Folgende organische Verbindungen wurden in den Proben identifiziert und in drei Gruppen eingeteilt: Die Gruppe der Antioxidantien mit den Vertretern 3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxytoluol (BHT), 3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxybenzaldehyd (BHT-CHO) und 1,2-Bis(3,5-di-tert.- butyl-4-hydroxy-phenyl)ethan (2-BHT), die Gruppe der Phosphorsäureester mit den Vertretern Tributylphosphat (TBP), Tris(2-chloroethyl)phosphat (TCEP) und Tris(2- butoxyethyl)phosphat (TBEP) sowie die Gruppe der Xenoöstrogene mit den Vertretern 2,2- Bis-(4-hydroxyphenyl)propan (BPA) und 4-Nonylphenol (4-NP). Die organischen Verbindungen BHT, TBP, TCEP, TBEP und BPA sind weltweit eingesetzte, industriell hergestellte Chemikalien. 4-NP ist ein Abbauprodukt nichtionischer Tenside (Nonylphenolpolyethoxylate = NPnEO), die als Detergentien in Waschmitteln eingesetzt werden. Bei der Verbindung BHT-CHO handelt es sich um ein Abbauprodukt des Antioxidationsmittels BHT und bei 2-BHT um ein Dimeres von BHT. Sämtliche organische Umweltchemikalien und Metabolite konnten in kommunalen und industriellen geklärten und ungeklärten Abwässern, im Niederschlag und im Dachablauf, in Oberflächengewässern sowie im Grundwasser nachgewiesen werden. Abwasser: In den kommunalen Zuläufen betrug die mittlere BHT-Konzentration 392 ng/l und in den Abläufen 132 ng/l. Für BHT-CHO lag die mittlere Konzentration in den kommunalen Zuläufen bei 113 ng/l und in den Abläufen bei 70 ng/l. Auch die drei Phosphorsäureester wurden in allen untersuchten kommunalen Zuläufen mit mittleren Konzentrationen von 15404 ng/l für TBP, 986 ng/l für TCEP und 12835 ng/l für TBEP nachgewiesen. Die Durchschnittskonzentration in den Abläufen der drei kommunalen Kläranlagen lag bei 622 ng/l für TBP, 352 ng/l für TCEP und 2955 ng/l für TBEP. Das Xenoöstrogen BPA wurde in den Zuläufen mit durchschnittlich 6579 ng/l und in den Abläufen mit 1656 ng/l bestimmt. Die Verbindung 4-NP trat hingegen nur in den Abläufen der kommunalen Kläranlagen mit durchschnittlich 385 ng/l auf. Die Konzentrationen von BHT, TBP, TCEP und TBEP im Zulauf der betriebseigenen Kläranlage einer Stahlverarbeitungsfirma bei Eisenhüttenstadt waren durchweg geringer als die mittleren Konzentrationen dieser Stoffe in den Zulaufproben der kommunalen Kläranlagen. Diese Industriechemikalien finden vor allem in Haushaltsprodukten Verwendung und werden so hauptsächlich durch die Abwassereinleitungen kommunaler Kläranlagen in die Oberflächengewässer eingetragen. Im Gegensatz dazu wurden im Abwasser der industriellen Kläranlage die höchsten Konzentrationen für die beiden Xenoöstrogene BPA und 4-NP festgestellt, da diese Stoffe bei der Metallverarbeitung als Zusatzstoff bzw. als Reinigungsmittel eingesetzt werden. Sämtliche hier zur Diskussion stehenden Verbindungen, mit Ausnahme von 4-NP, wurden durch den Klärprozess mit Raten von 29,1-96,0 % eliminiert. Die Substanzen TBP und TBEP, die in höheren Konzentrationen von mehreren Mikrogramm/l im ungeklärten Abwasser enthalten waren, wurden effektiver durch den Klärprozess eliminiert, als dies bei Substanzen mit geringeren Konzentrationen wie BHT und TCEP der Fall war. Eine besondere Stellung im Eliminierungsprozess in den Kläranlagen nimmt 4-NP ein. Diese endokrin wirksame Substanz konnte ausschließlich in den Ablaufproben der kommunalen Kläranlagen nachgewiesen werden, was darauf hindeutet, dass sie erst während des Klärprozesses durch biologischen Abbau von NPnEO gebildet wird. Da allerdings kommunale Kläranlagen neben Abwasser auch einen großen Anteil an Oberflächenabfluss und damit Niederschlagswasser aufnehmen, stellt sich an dieser Stelle die Frage, warum 4-NP in den Zulaufproben nicht oberhalb der Nachweisgrenze nachgewiesen werden konnte. Niederschlag- und Dachablauf enthielten immerhin durchschnittlich 942 ng/l 4-NP. Hier besteht weiterhin Klärungsbedarf. Das Auftreten aller Substanzen in sämtlichen Ablaufproben zeigt, dass die Direkteinleitungen geklärter Abwässer in die Flüsse eindeutig eine Eintragsquelle für das gesamte untersuchte Stoffspektrum in die aquatische Umwelt darstellen. Ein weiterer Schadstoffeintrag ist durch die Aufbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftliche Nutzflächen gegeben. Aufgrund der hohen Werte der Octanol/Wasserverteilungskoeffizienten (logPOW) der hier untersuchten Verbindungen muss eine Adsorption der Substanzen an Klärschlamm und ein damit verbundener Eintrag ins Grundwasser durch Remobilisierungserscheinungen ebenfalls als Eintragsquelle in Betracht gezogen werden. Generell gingen in den letzten Jahren die Mengen an BHT, die über die Einleitungen geklärter Abwässer in die Oberflächengewässer gelangen, zurück. Vor fast 30 Jahren gelangte in den USA vereinzelt noch ungefähr die 100fache Menge der Substanz über Abwassereinleitungen in die Vorfluter. Für TBP, TCEP und TBEP war im geklärten Abwasser deutscher Kläranlagen in den letzten 20 Jahren ebenfalls eine Konzentrationsabnahme zu beobachten. Der Grund hierfür liegt in der Ausweitung des Kläranlagennetzes sowie in der Verbesserung vorhandener Abwasserreinigungsanlagen (vor allem in den neuen Bundesländern). Dagegen ist die BPA-Konzentration im geklärten Abwasser in der Bundesrepublik Deutschland in den letzten drei Jahren geringfügig gestiegen, was auf die steigenden Produktionszahlen dieser Massenchemikalie zurückgeführt werden kann. Für 4-NP wurde in der BRD in den letzten fünf Jahren ein leichter Konzentrationsrückgang im geklärten Abwasser beobachtet. Dies kann damit in Zusammenhang gebracht werden, dass die deutsche Wasch- und Reinigungsmittelindustrie im Jahr 1986 eine freiwillige Verzichterklärung bezüglich des Einsatzes von NPnEO abgegeben hat. Durch den geringeren Einsatz dieser nichtionischen Tenside in den Produkten gelangen weniger NPnEO mit dem Abwasser in die Kläranlagen. Folglich wird im Verlauf der Abwasserbehandlung auch weniger 4-NP durch biologischen Abbau gebildet. Trotz dieser Verzichterklärung kann 4-NP dennoch bis heute in deutschen Kläranlagenabläufen nachgewiesen werden. Im internationalen Vergleich mit Österreich, Italien, England, Schottland, Schweiz, Kanada und den USA sind die 4-NP-Konzentrationen im geklärten Abwasser in Deutschland allerdings relativ gering. Niederschlag und Dachablauf Alle ausgewählten Verbindungen konnten sowohl in der Niederschlagsprobe aus dem Oderbruch als auch in den Dachablaufproben nachgewiesen werden. Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften wie Dampfdruck und Henry-Konstante ist die Voraussetzung für einen Eintrag in die Atmosphäre für alle im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Substanzen generell gegeben. BHT und BHT-CHO konnten mit durchschnittlich 510 ng/l bzw. 171 ng/l in Niederschlag- und Dachablauf nachgewiesen werden (n=5). Der Maximalwert für BHT lag dabei bei 1797 ng/l in einer Dachablaufprobe und für BHT-CHO bei 474 ng/l in der Niederschlagsprobe. Die mittlere Konzentration der Phosphorsäureester in den untersuchten Niederschlags- und Dachablaufproben lag bei 951 ng/l für TBP, bei 151 ng/l für TCEP und bei 338 ng/l für TBEP. Dabei erreichte TBP ein Maximum von 1344 ng/l, TCEP von 327 ng/l und TBEP von 448 ng/l (die Maximalwerte der Phosphorsäureester wurden jeweils in einer Dachablaufprobe bestimmt). 4-NP wurde mit einer mittleren Konzentration von 942 ng/l im Niederschlag- und Dachablauf gemessen. Das 4-NP- Maximum lag bei 1231 ng/l (Dachablauf). BPA konnte mit durchschnittlich 1251 ng/l in Niederschlag- und Dachablauf nachgewiesen werden. Die maximale BPA-Konzentration lag dabei bei 4085 ng/l in der Niederschlagsprobe aus dem Oderbruch. Die hohen Konzentrationen von BPA im Regen konnten im Rahmen dieser Arbeit nicht erklärt werden. Die Verbindung besitzt einen sehr niedrigen Dampfdruck (0,000005 Pa bei 25°C), der nicht ausreicht, um solch hohe Konzentrationen in der Atmosphäre hervorzurufen. Eine Verunreinigung der Regenwasserproben bei der Probennahme ist hier als Grund für die hohen BPA-Konzentrationen in Betracht zu ziehen und durch die Analyse weiterer Niederschlags- und Dachablaufproben zu überprüfen. Die Substanzen BHT, BHT-CHO, TBP und 4-NP waren im Vergleich zum geklärten Abwasser in höheren Konzentrationen in Niederschlag und Dachablauf enthalten. Diese Stoffe werden somit verstärkt über die Atmosphäre mit den Niederschlägen in die Umwelt eingetragen. Hier besteht Klärungsbedarf bezüglich dessen, dass 4-NP zwar im Regenwasser nicht aber in den Zuläufen der kommunalen Kläranlagen nachgewiesen werden konnte. Die mittleren Regenwasserkonzentrationen von BHT, BHT-CHO, TBP und 4-NP lagen ebenfalls über den mittleren Konzentrationen in Oberflächen- und Grundwasser. Zwei der Dachablaufproben stammten aus dem Rhein-Main Gebiet. In solchen Ballungszentren sind häufig höhere Gehalte an organischen Umweltchemikalien im Regenwasser enthalten als in ländlichen Gebieten, was einen Anstieg der Durchschnittskonzentration in sämtlichen Regenwasserproben zur Folge hat. Hinzu kommt, dass sich Verbindungen wie 4-NP, die einen hohen Dampfdruck aufweisen, relativ gleichmäßig in der Atmosphäre verteilen und so auch in Gebiete gelangen, die nicht durch hohe Schadstoffemissionen gekennzeichnet sind. Dies hat ebenfalls relativ hohe Konzentrationen im Regenwasser zur Folge. Ein dritter Grund für die höheren Konzentrationen im Regenwasser im Vergleich zum Oberflächen- und Grundwasser könnte die Adsorption organischer Umweltchemikalien mit hohen Octanol/ Wasserverteilungskoeffizienten an Sedimentpartikel, Schwebstoffe und/oder organische Substanz in Fluss und Aquifer sein. Die mittleren Konzentrationen der beiden Phosphorsäureester TCEP, TBEP und BPA waren im Vergleich zum geklärten Abwasser der kommunalen Kläranlagen im Regenwasser deutlich niedriger. Der Eintrag über die Atmosphäre ist folglich für diese Verbindungen von geringerer Bedeutung. Am Beispiel des Phosphorsäureester TBEP konnte dennoch demonstriert werden, dass der atmosphärische Eintrag organischer Verbindungen mit relativ geringen Dampfdrücken nicht zu vernachlässigen ist, da solche Substanzen die Tendenz zeigen, an Aerosolpartikel zu adsorbieren und mit dem Aerosol transportiert zu werden. Oberflächenwasser Die untersuchten Umweltchemikalien konnten in fast allen Wasserproben aus den untersuchten Oberflächengewässern mit zum Teil erheblichen Konzentrationsschwankungen nachgewiesen werden. Für BHT lagen die Konzentrationen in den Oberflächengewässern zwischen Werten unterhalb der Nachweisgrenze (<1 ng/l) und 1594 ng/l. Der Metabolit BHT- CHO wies dagegen mit einem Konzentrationsbereich von Werten unterhalb der Nachweisgrenze (<5 ng/l) bis 236 ng/l durchweg geringere Konzentrationen in den Oberflächenwasserproben auf. Der Mittelwert lag für BHT bei 233 ng/l und für BHT-CHO bei 89 ng/l (n = 47). Die Konzentrationen der Phosphorsäureester TBP, TCEP und TBEP in den untersuchten Oberflächenwasserproben schwankten zwischen Gehalten unterhalb der Nachweisgrenzen (<7 ng/l für TBP, <5 ng/l für TCEP und <6 ng/l für TBEP) und 1510 ng/l für TBP. Dabei wiesen TBP und TBEP mit Mittelwerten von 481 bzw. 465 ng/l die höchsten Konzentrationen in den untersuchten Oberflächengewässern auf. Der Mittelwert der Substanz TCEP in allen untersuchten Oberflächenwasserproben lag dagegen nur bei 165 ng/l. Die Konzentrationen der Xenoöstrogene BPA und 4-NP reichten bis maximal 1672 bzw. 1220 ng/l. Die Nachweisgrenze für BPA lag bei 10 ng/l und für 4-NP bei 6 ng/l. 4-NP trug mit einem Mittelwert von 464 ng/l am meisten von allen untersuchten Verbindungen zur Gewässerverunreinigung bei. Der Mittelwert für BPA in den Oberflächengewässern lag bei 351 ng/l. In den hier untersuchten Flüssen in der BRD war die maximale BHT-Konzentration (1594 ng/l) um das 10fache geringer als die maximale BHT-Konzentration, die noch vor 30 Jahren in deutschen Oberflächengewässern gemessen wurde (14000 ng/l). Im Vergleich zu BHT- Gehalten in japanischen (1980) und amerikanischen (1975) Oberflächengewässern lagen die aktuellen BHT-Gehalte in deutschen Flüssen deutlich darunter. Die Konzentrationen für TBP und TCEP in deutschen Oberflächengewässern sind in der Vergangenheit ebenfalls deutlich zurückgegangen. Im internationalen Vergleich liegt die BRD in Bezug auf TBP-Gehalte in Oberflächengewässern mit an der Spitze. In der Elbe konnte für die Substanz TBEP in den letzten 15 Jahren ein leichter Konzentrationsanstieg beobachtet werden. Die TBEP- Konzentration in deutschen Oberflächengewässern ist im Vergleich zu Gehalten in japanischen und amerikanischen Flüssen sowie im Trinkwasser aus Kanada gering. Der BPA- Gehalt im Rhein ist in den letzten 10 Jahren geringfügig angestiegen. Im Vergleich mit Japan und Tschechien liegen die BPA-Konzentrationen in deutschen Flüssen innerhalb von Ballungsgebieten auf einem ähnlich hohen Niveau. Die Konzentrationsentwicklung des Xenoöstrogens 4-NP war seit 1986 in deutschen Oberflächengewässern stark rückläufig, was mit der freiwilligen Verzichterklärung in diesem Jahr zusammenhängt. Trotzdem tritt 4-NP auch heute noch in Konzentrationen im Nanogramm/Liter-Bereich in deutschen Flüssen auf. Die deutschen Werte lagen allerdings deutlich unterhalb der 4-NP-Konzentrationen in Oberflächengewässern der Schweiz, England, den USA und Taiwan.. Grundwasser Das Antioxidans BHT sowie sein Abbauprodukt BHT-CHO konnten in den meisten Grundwasserproben aus dem Oderbruch mit Gehalten bis zu 2156 bzw. 541 ng/l nachge- wiesen werden. Der Mittelwert für BHT im Grundwasser lag bei 353 ng/l und für BHT-CHO bei 105 ng/l (n=76). Die Verbindung 2-BHT wurde ausschließlich im Grundwasser nachgewiesen. Dies zeigt, dass die anaeroben Bedingungen im Aquifer des Oderbruchs zur Bildung des Dimeren von BHT geführt haben. Ob diese Vermutung stimmt, dass 2-BHT tatsächlich aus dem Antioxidans BHT gebildet wird, soll in naher Zukunft anhand mikrobiologischer Abbauversuche von BHT unter anaeroben Bedingungen geklärt werden. Die Gehalte der Phosphorsäureester im Grundwasser bewegten sich in Konzentrationsbereichen bis zu 1605 ng/l (TBP), bis zu 754 ng/l (TCEP) und bis zu 2010 ng/l (TBEP) mit einem Mittelwert für TBP von 276 ng/l, für TCEP von nur 80 ng/l und für TBEP von 289 ng/l. Der Maximalwert für BPA in den Grundwasserproben betrug 4557 ng/l. Der Mittelwert für diese Verbindung im Grundwasser lag bei 630 ng/l. Betrachtet man die BPA- Konzentration in den Grundwasserproben, fällt auf, dass diese sehr starken Schwankung unterliegt, die an dieser Stelle nicht erklärt werden können. Es besteht der Verdacht einer BPA-Kontamination der Grundwasserproben bei der Probennahme, da die beprobten Messstellen im Oderbruch zur Förderung des Grundwassers mit Kunststofflinern ausgestattet wurden, die eventuell BPA als Antioxidans enthalten. In Zukunft sind daher weitere Grundwasseranalysen mit einer verbesserten Probennahmetechnik notwendig, um eine Kontamination mit BPA auszuschließen. In den Grundwasserproben war das Isomerengemisch 4-NP, ebenso wie in den Oberflächenwasserproben, im Mittel mit der höchsten Konzentration vertreten (724 ng/l). Das 4-NP-Maximum lag dabei bei 2542 ng/l. Alle ausgewählten organischen Industriechemikalien konnten in den odernahen Bereichen innerhalb der Transsekte Bahnbrücke sowohl im Grundwasser aus dem Teilbereich des Aquifers, der nur durch infiltrierendes Oderwasser gespeist wird, als auch im Grundwasser aus dem Teilbereich des Aquifers, der überwiegend von infiltrierendem Niederschlagswasser beeinflusst wird, nachgewiesen werden. Die anthropogenen Stoffe gelangen also im Bereich der Transsekte Bahnbrücke sowohl über das Uferfiltrat als auch durch Niederschlagsinfiltration ins Grundwasser. Durch die Uferfiltration spiegelten sich die Konzentrationen der vor wenigen Tagen infiltrierten organischen Verbindungen aus dem Oderwasser direkt im Grundwasser aus odernahen Bereichen wieder. Auch weiter vom Fluss entfernt liegende Aquiferbereiche innerhalb der Transsekte Bahnbrücke wurden noch von infiltriertem Oderwasser beeinflusst. Die jahreszeitlichen Konzentrationsschwankungen demonstrieren hier jedoch die Flusskonzentrationen vor einigen Jahren, da das Oderwasser mehrere Jahre braucht, um in diese Bereiche zu gelangen. Weiterhin ist auch ein Stoffeintrag ins Grundwasser mit dem Oderwasser bei Hochwasserereignissen zu berücksichtigen. Generell nahmen die Konzentrationen der organischen Umweltchemikalien mit zunehmender Entfernung von der Oder ab, was den fehlenden Niederschlagseinfluss im Aquiferbereich der Transsekte Bahnbrücke bedingt durch die schützenden undurchlässigen Deckschichten demonstriert. Im Grundwasser, das aus dem Aquiferbereich in unmittelbarer Nähe der Entwässerungsgräben stammte, war häufig eine Konzentrationsabnahme der organischen Umweltchemikalien zu beobachten. Dies beweist den hydraulischen Zusammenhang zwischen Fluss und Entwässerungsgräben. Das infiltrierte Flusswasser steigt nach der Aquiferpassage in Grabennähe auf, was zu Verdünnungseffekten im Grundwasser verbunden mit einer Konzentrationsabnahme führt. Weiterhin wurden die ausgewählten Stoffe auch in den Grundwasserproben aus dem Aquiferbereich der Transsekte Nieschen nachgewiesen, der durch das Fehlen undurchlässiger Deckschichten gekennzeichnet ist. Da hier aufgrund der Entfernung dieser Transsekte von der Oder der hydraulische Kontakt zum Fluss stark eingeschränkt ist, sind die im Grundwasser auftretenden organischen Umweltchemikalien auf einen Eintrag mit dem infiltrierenden Niederschlagswasser zurückzuführen. Für einen Eintrag der Substanzen mit dem Niederschlagswasser spricht auch die Tatsache, dass die mittleren Konzentrationen der organischen Verbindungen in den Grundwasserproben aus der Transsekte Nieschen im Gegensatz zu denen aus der Transsekte Bahnbrücke trotz eines fehlenden hydraulischen Kontakts zur Oder erhöht waren. Die starken Konzentrationsschwankungen der organischen Umweltchemikalien im Aquiferbereich der Transsekte Nieschen können zum einen auf einen Eintrag dieser Substanzen mit dem Niederschlag zurückgeführt werden. Der Aquifer im Oderbruch ist heterogen ausgebildet, was den Eintrag organischer Stoffe mit den Niederschlägen ins Grundwasser lokal fördert oder hemmt und es dadurch zu unterschiedlichen Konzentrationen kommt. Zum anderen kann angenommen werden, dass die Konzentrationsschwankungen in diesem Aquiferbereich Folge einer Aufkonzentrierung der gelösten organischen Stoffe durch Verdunstung des oberflächennahen Grundwassers waren. Diese Annahme bestätigen die erhöhten Konzentrationen der Stoffe im Grundwasser im November 2000 und im März 2001 im Vergleich zum März 2000. Zu beiden Zeitpunkten waren die Niederschläge gering, was sich im Niedrigwasserstand der Oder wiederspiegelte. Vor allem in niederschlagsarmen Gebieten wie das Oderbruch, kann dieser Prozess der Aufkonzentrierung organischer Stoffe im Grundwasser durch Evaporation von Bedeutung sein. Die Frage, ob letztendlich der Niederschlagseintrag oder der umgekehrte Prozess, die Evaporation des Grundwassers, zu den starken Konzentrationsschwankungen der organischen Umweltchemikalien im Aquiferbereich der Transsekte Nieschen geführt hat, kann an dieser Stelle nicht beantwortet werden. Sicher ist, dass bei fehlenden undurchlässigen Deckschichten ein atmosphärische Eintrag organischer Umweltchemikalien in den Aquifer stattfindet. Auch in den Messstellen, die außerhalb der beiden Transsekten Nieschen und Bahnbrücke ca. 3000 bzw. 5000 m entfernt von der Oder liegen, konnten die organischen Verbindungen zum Teil in erheblichen Konzentrationen nachgewiesen werden. Dies ist zum einen wiederum mit einem Eintrag durch Niederschlagswasser und dem Transport der organischen Umweltchemikalien in größere Tiefen des Aquifers mit dem Sickerwasser zu erklären. Die undurchlässige Auelehmschicht ist in diesem Bereich nicht mehr vorhanden, so dass das Niederschlagswasser ungehindert in den Aquifer infiltrieren kann. Ein Einfluss des Oderfiltrats in dieser Entfernung vom Fluss kann ausgeschlossen werden, da in den mittleren Bereichen des Oderbruchs 50-100 Jahre für einen vollständigen Grundwasseraustausch realistisch sind und die Produktion sämtlicher Industriechemikalien, die Gegenstand dieser Arbeit sind, zu diesen Zeiten ohne Bedeutung war. Eine Remobilisierung der organischen Umweltchemikalien aus Klärschlamm, der im Land Brandenburg noch häufig auf Agrarflächen aufgebracht wird, muss als Eintragsquelle hier ebenfalls in Betracht gezogen werden, da Stoffe mit einem hohen Octanol/ Wasserverteilungskoeffizienten häufig die Tendenz zeigen, an Klärschlamm zu akkumulieren. Der photochemische Abbau des Antioxidationsmittels BHT zu seinem Metabolit BHT-CHO in der Atmosphäre war im Sommer höher als im Herbst und im Frühjahr, wobei der Metabolit selbst ebenfalls Abbauprozessen unterlag. Im Gegensatz dazu spielte der photochemische Abbau von TBP, TCEP, TBEP und 4-NP zu keinen Zeitpunkt eine große Rolle. Solange keine nennenswerten Direkteinleitungen in die Oder zu verzeichnen waren, konnte flussabwärts eine Konzentrationsabnahme für alle organischen Verbindungen festgestellt werden, welche auf aeroben Abbau der Substanzen zurückgeführt werden kann. Im Frühjahr war der Sauerstoffgehalt im Fluss mit 12,05 mg/l aufgrund der geringen Wassertemperatur (6,9 °C) und des Hochwasserereignisses am höchsten. Dies hatte höhere aerobe Abbauraten von BHT zu BHT-CHO zu diesem Zeitpunkt zur Folge. Ob es sich tatsächlich um einen biologischen Abbau der organischen Substanzen handelt oder ob Adsorptionseffekte an Schwebstoffe und Sedimente bei der Eliminierung dieser Stoffe ebenfalls eine Rolle spielen, muss anhand zukünftiger Analysen von Odersedimenten- und Schwebstoffen auf solche Substanzen geklärt werden. Der Abbau unter anaeroben Bedingungen, wie sie im Grundwasserleiter des Oderbruchs durchweg herrschen, spielte dagegen im Bezug auf alle untersuchten Verbindungen keine große Rolle, da diese in allen Tiefen des Aquifers (bis 21 m) noch nachgewiesen werden konnten. Sind sie einmal in das Grundwasser gelangt, werden sie aufgrund ihrer relativ guten Wasserlöslichkeit also leicht mit diesem in tiefere Bereiche transportiert. Sie sind damit relativ mobil. Die organischen Umweltchemikalien werden auch nicht wesentlich durch Adsorption an Sediment und/oder organischer Substanz zurückgehalten und dadurch aus dem Grundwasser eliminiert. Solche Faktoren wie ein schlechter anaerober Abbau, eine gute Wasserlöslichkeit und eine geringe Adsorption an Boden und Sediment einiger Schadstoffe müssen bei der Trinkwasserförderung aus tieferen Aquiferbereichen berücksichtigt werden. Chemikalien mit guten Wasserlöslichkeiten, wie beispielsweise die beiden Phosphorsäureester TCEP und TBEP, zeigten sogar die Tendenz sich besonders in den tieferen Aquiferbereichen anzureichern. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auch, dass es selbst in Gebieten wie dem Oderbruch, in denen die Grundwasserneubildung durch Niederschlag eine eher geringe Rolle spielt, durchaus zu einen nicht zu vernachlässigenden Eintrag von Stoffen durch Niederschlagswasser kommt und eine hohe Verdunstungsrate zu einer Aufkonzentrierung führt. Dies bedeutet, dass bei einer Betrachtung von hydrochemischen Prozessen in einem Grundwasserleiter, der hauptsächlich durch Uferfiltrat gespeist wird, keine einfache räumliche Struktur zugrunde gelegt werden kann. Zum lateralem Zustrom des infiltrierenden Flusswassers kommt der vertikale Einfluss des Sickerwassers. Dies muss neben Faktoren wie anaerober Abbau, Adsorption und Verdünnungseffekte bei der Interpretation des Schadstoffeintrags- und Transports im Grundwasser berücksichtigt werden.
Climate change and its impacts already pose considerable challenges for societies that will further increase with global warming (IPCC, 2014a, b). Uncertainties of the climatic response to greenhouse gas emissions include the potential passing of large-scale tipping points (e.g. Lenton et al., 2008; Levermann et al., 2012; Schellnhuber, 2010) and changes in extreme meteorological events (Field et al., 2012) with complex impacts on societies (Hallegatte et al., 2013). Thus climate change mitigation is considered a necessary societal response for avoiding uncontrollable impacts (Conference of the Parties, 2010). On the other hand, large-scale climate change mitigation itself implies fundamental changes in, for example, the global energy system. The associated challenges come on top of others that derive from equally important ethical imperatives like the fulfilment of increasing food demand that may draw on the same resources. For example, ensuring food security for a growing population may require an expansion of cropland, thereby reducing natural carbon sinks or the area available for bio-energy production. So far, available studies addressing this problem have relied on individual impact models, ignoring uncertainty in crop model and biome model projections. Here, we propose a probabilistic decision framework that allows for an evaluation of agricultural management and mitigation options in a multi-impact-model setting. Based on simulations generated within the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISI-MIP), we outline how cross-sectorally consistent multi-model impact simulations could be used to generate the information required for robust decision making.
Using an illustrative future land use pattern, we discuss the trade-off between potential gains in crop production and associated losses in natural carbon sinks in the new multiple crop- and biome-model setting. In addition, crop and water model simulations are combined to explore irrigation increases as one possible measure of agricultural intensification that could limit the expansion of cropland required in response to climate change and growing food demand. This example shows that current impact model uncertainties pose an important challenge to long-term mitigation planning and must not be ignored in long-term strategic decision making.
In order to achieve climate change mitigation, long-term decisions are required that must be reconciled with other societal goals that draw on the same resources. For example, ensuring food security for a growing population may require an expansion of crop land, thereby reducing natural carbon sinks or the area available for bio-energy production. Here, we show that current impact-model uncertainties pose an important challenge to long-term mitigation planning and propose a new risk-assessment and decision framework that accounts for competing interests.
Based on cross-sectorally consistent simulations generated within the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISI-MIP) we discuss potential gains and limitations of additional irrigation and trade-offs of the expansion of agricultural land as two possible response measures to climate change and growing food demand. We describe an illustrative example in which the combination of both measures may close the supply demand gap while leading to a loss of approximately half of all natural carbon sinks.
We highlight current limitations of available simulations and additional steps required for a comprehensive risk assessment.
Wenn Klimaforscher wissen wollen, was die Zukunft
bringt, schauen sie gern in die Vergangenheit. Während
der Kreidezeit herrschte auf der Erde ein Treibhausklima
mit atmosphärischen CO2-Gehalten, die weitaus
höher waren als heute. Welche Konsequenzen das für
die Meeresströmungen und die marinen Ökosysteme
hatte, können Geowissenschaftler heute nicht mehr direkt
messen. Bei der Spurensuche helfen ihnen die
Fossilien mikroskopisch kleiner Einzeller, deren wunderschöne
Kalkschalen als Klimagedächtnis dienen.
Die Bewertung der Nitrataustragsgefährdung (NAG) landwirtschaftlich genutzter Flächen in Wasserschutzgebieten (WSG) erfolgte bislang auf Basis bodenkundlicher Kartierungen und wurde seit 1996 nach einem im Staatsanzeiger für das Land Hessen veröffentlichten Merkblatt des ehemaligen Hessischen Landesamtes für Bodenforschung im Rahmen der Muster-Wasserschutzgebietsverordnung geregelt (HLfB 1996, HMUJFG 1996). Infolge der Verfügbarkeit hochauflösender Bodendaten in Form der „Bodenflächendaten 1: 5.000, landwirtschaftliche Nutzfläche“ (BFD5L) wird die Ermittlung der Nitrataustragsgefährdung landwirtschaftlich genutzter Flächen neu geregelt. Die BFD5L liefert Auswertungen der Bodenschätzungsdaten zur Feldkapazität des Wurzelraums sowie weiterer relevanter Parameter, die zur Bewertung der Nitrataustragsgefährdung herangezogen werden können.
Um die Eignung der BFD5L-Daten zur Ermittlung der Nitrataustragsgefährdung zu überprüfen, wurden in den Jahren 2009 bis 2012 bodenkundliche Vergleichskartierungen im Rahmen eines Pilotvorhabens im Wasserschutzgebiet Eschollbrücken/Pfungstadt in Südhessen, im Wassereinzugsgebiet der Quelle Meineringhausen bei Korbach, im Wasserschutzgebiet des Tiefbrunnens Spieß der Gemeinde Bad Emstal sowie im WSG Quelle Ohmes der Stadt Kirtorf durchgeführt. Ziel war es, die Umsetzungsmöglichkeiten bei der Nutzung der BFD5LDaten in organisatorischer und technischer Hinsicht zu erproben und das bisherige Verfahren zu überarbeiten (PETER & MILLER 2009, PETER & MILLER 2010a und 2010b, PETER & MILLER 2012).
Die Ergebnisse der Vergleichskartierungen zeigen, dass sich die Daten der BFD5L grundsätzlich für die Ermittlung der Nitrataustragsgefährdung in Wasserschutzgebieten eignen. Lediglich für Flächen, für die nach den bislang im System BFD5L enthaltenen Methoden keine Kennwerte abgeleitet werden können sowie für Sonderstandorte, muss die Nitrataustragsgefährdung durch bodenkundliche Geländearbeiten ermittelt werden.
Vor mehr als vier Milliarden Jahren prägten heiße Magma-Ozeane die Oberfläche der Erde. Als die Erde allmählich abkühlte, bildeten sich an manchen Stellen Krusten, später die ersten Kontinente. Die Geowissenschaftlerin Dr. Sonja Aulbach erforscht die damals ablaufenden Prozesse anhand spezieller Gesteinsproben und mit hochmoderner Analysetechnik.
In-situ measurements of ice crystal size distributions in tropical upper troposphere/lower stratosphere (UT/LS) clouds were performed during the SCOUT-AMMA campaign over West Africa in August 2006. The cloud properties were measured with a Forward Scattering Spectrometer Probe (FSSP-100) and a Cloud Imaging Probe (CIP) operated aboard the Russian high altitude research aircraft M-55 ''Geophysica'' with the mission base in Ouagadougou, Burkina Faso. A total of 117 ice particle size distributions were obtained from the measurements in the vicinity of Mesoscale Convective Systems (MCS). Two or three modal lognormal size distributions were fitted to the average size distributions for different potential temperature bins. The measurements showed proportionate more large ice particles compared to former measurements above maritime regions. With the help of trace gas measurements of NO, NOy, CO2, CO, and O3, and satellite images clouds in young and aged MCS outflow were identified. These events were observed at altitudes of 11.0 km to 14.2 km corresponding to potential temperature levels of 346 K to 356 K. In a young outflow (developing MCS) ice crystal number concentrations of up to 8.3 cm−3 and rimed ice particles with maximum dimensions exceeding 1.5 mm were found. A maximum ice water content of 0.05 g m−3 was observed and an effective radius of about 90 μm. In contrast the aged outflow events were more diluted and showed a maximum number concentration of 0.03 cm−3, an ice water content of 2.3 × 10−4 g m−3, an effective radius of about 18 μm, while the largest particles had a maximum dimension of 61 μm.
Close to the tropopause subvisual cirrus were encountered four times at altitudes of 15 km to 16.4 km. The mean ice particle number concentration of these encounters was 0.01 cm−3 with maximum particle sizes of 130 μm, and the mean ice water content was about 1.4 × 10−4 g m−3. All known in-situ measurements of subvisual tropopause cirrus are compared and an exponential fit on the size distributions is established in order to give a parameterisation for modelling.
A comparison of aerosol to ice crystal number concentrations, in order to obtain an estimate on how many ice particles result from activation of the present aerosol, yielded low activation ratios for the subvisual cirrus cases of roughly one cloud particle per 30 000 aerosol particles, while for the MCS outflow cases this resulted in a high ratio of one cloud particle per 300 aerosol particles.
In situ measurements of ice crystal size distributions in tropical upper troposphere/lower stratosphere (UT/LS) clouds were performed during the SCOUT-AMMA campaign over West Africa in August 2006. The cloud properties were measured with a Forward Scattering Spectrometer Probe (FSSP-100) and a Cloud Imaging Probe (CIP) operated aboard the Russian high altitude research aircraft M-55 Geophysica with the mission base in Ouagadougou, Burkina Faso. A total of 117 ice particle size distributions were obtained from the measurements in the vicinity of Mesoscale Convective Systems (MCS). Two to four modal lognormal size distributions were fitted to the average size distributions for different potential temperature bins. The measurements showed proportionately more large ice particles compared to former measurements above maritime regions. With the help of trace gas measurements of NO, NOy, CO2, CO, and O3 and satellite images, clouds in young and aged MCS outflow were identified. These events were observed at altitudes of 11.0 km to 14.2 km corresponding to potential temperature levels of 346 K to 356 K. In a young outflow from a developing MCS ice crystal number concentrations of up to (8.3 ± 1.6) cm−3 and rimed ice particles with maximum dimensions exceeding 1.5 mm were found. A maximum ice water content of 0.05 g m−3 was observed and an effective radius of about 90 μm. In contrast the aged outflow events were more diluted and showed a maximum number concentration of 0.03 cm−3, an ice water content of 2.3 × 10−4 g m−3, an effective radius of about 18 μm, while the largest particles had a maximum dimension of 61 μm.
Close to the tropopause subvisual cirrus were encountered four times at altitudes of 15 km to 16.4 km. The mean ice particle number concentration of these encounters was 0.01 cm−3 with maximum particle sizes of 130 μm, and the mean ice water content was about 1.4 × 10−4 g m−3. All known in situ measurements of subvisual tropopause cirrus are compared and an exponential fit on the size distributions is established for modelling purposes.
A comparison of aerosol to ice crystal number concentrations, in order to obtain an estimate on how many ice particles may result from activation of the present aerosol, yielded low ratios for the subvisual cirrus cases of roughly one cloud particle per 30 000 aerosol particles, while for the MCS outflow cases this resulted in a high ratio of one cloud particle per 300 aerosol particles.
Historically, the expansion of soy plantations has been a major driver of land-use/cover change (LUCC) in Brazil. While a series of recent public actions and supply-chain commitments reportedly curbed the replacement of forests by soy, the expansion of the agricultural commodity still poses a considerable threat to the Amazonian and Cerrado biomes. Identification of areas under high risk of soy expansion is thus paramount to assist conservation efforts in the region. We mapped the areas suitable for undergoing transition to soy plantations in the Legal Amazon with a machine-learning approach adopted from the ecological modeling literature. Simulated soy expansion for the year 2014 exhibited favorable validation scores compared to other LUCC models. We then used our model to simulate how potential future infrastructure improvements would affect the 2014 probabilities of soy occurrence in the region. In addition to the 2.3 Mha of planted soy in the Legal Amazon in 2014, our model identified another 14.7 Mha with high probability of soy conversion in the region given the infrastructure conditions at that time. Out of those, pastures and forests represented 9.8 and 0.4 Mha, respectively. Under the new infrastructure scenarios simulated, the Legal Amazonian area under high risk of soy conversion increased by up to 2.1 Mha (14.6%). These changes led to up to 11.4 and 51.4% increases in the high-risk of conversion areas of pastures and forests, respectively. If conversion occurs in the identified high-risk areas, at least 4.8 Pg of CO2 could be released into the atmosphere, a value that represents 10 times the total CO2 emissions of Brazil in 2014. Our results highlight the importance of targeting conservation policies and enforcement actions, including the Soy Moratorium, to mitigate future forest cover loss associated with infrastructure improvements in the region.
Die Meteor Expedition M70 erforscht spezielle Tiefenwasserökosysteme am Meeresboden von submarinen Bergen und den Kontinentalrändern des zentralen und östlichen Mittelmeers. Im Rahmen des EU Projekts HERMES werden bathyale Korallenökosysteme im westlichen Tyrrhenischen Meer, dem Ionischen Meer sowie der südlichen Adria untersucht (Fahrtabschnitt M 70/1 unter Leitung Prof. Dr. A. Freiwald). Anschließend werden erst kürzlich entdeckte Ökosysteme an Methanquellen des tiefen Nilfächers in einer gemeinsamen Aktivität des ESF EUROCORES-Projekts MEDIFLUX und des deutschen Geotechnologien-Projekts MUMM II erforscht (Fahrtabschnitt M 70/2 unter Leitung Prof Dr. A. Boetius). Schließlich stehen Prozesse von submarinen Fluidzirkulation an Gas- und Fluidaustritten vor Israel und an den "Anaximander Seebergen" südlich der Türkeiküste im Fordergrund der Forschung (Fahrtabschnitt M70/3 unter Leitung von Prof. Dr. G. Bohrmann). Die Reise wird am 24.09.2006 in La Valetta (Malta) beginnen und am 09.12.2006 in Limassol (Zypern) enden.
Die Dissertation wurde im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten interdisziplinären Sonderforschungsbereiches 268 "Kultur- und Sprachentwicklung im Natrurraum Westafrikanische Savanne" angefertigt. Dabei war die Kartierung und Analyse von Landbedeckungs- und Landnutzungsveränderungen in einem Ausschnitt des nigerianischen Tschadbeckens Zielsetzung vorliegender Arbeit. Trotz eines recht großen allgemeinen Interesses am Tschadsee, dem größten See Westafrikas, fällt es schwer, topographische und thematische Information über diese Region zu erlangen. Viele Zusammenhänge bezüglich seiner Vergangenheit und seiner zukünftigen Entwicklung sind bis heute nicht geklärt. Soweit Daten zur Landbedeckung und Landnutzung bereits verfügbar waren, wurden sie aufbereitet und im Rahmen des regionalen geographischen Informationssystems FirGIS strukturiert gegliedert aufgenommen. Als hauptsächliche Datenquelle wurde jedoch auf Fernerkundungsdaten der Region zurückgegriffen. Sie liefern meist die einzige großflächig vorhandene, aktuelle und vor allem multitemporale Information über das Untersuchungsgebiet. Die Auswertung der Fernerkundungsdaten erfolgte mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung. Aktuelle und historische Luftbilder wurden visuell interpretiert und anschließend vektoriell digitalisiert. Satellitenszenen wurden vorwiegend digital direkt im Rasterdatenmodell bearbeitet. Nach der Datenaufbereitung mit verschiedenen Techniken der Bildverarbeitung erfolgte die Auswertung mittels digitaler Klassifizierung. Weitere wichtige Bearbeitungsschritte bei der Ergebnisfindung waren unterschiedliche multitemporale Darstellungsweisen, die Berechnung von Vegetationsindizes sowie Verschneidungstechniken zur Aufdeckung von Veränderungen. Die Auswertung aller Daten erfolgte nach einem einheitlichen mehrstufigen Klassifizierungssystem, das für die Verhältnisse im Tschadbecken entwickelt wurde. Die aus den Fernerkundungsdaten abgeleiteten Ergebnisse gliedern sich nach vier verschiedenen Dimensionen der Zeit. Die Ausgangsbasis bildet eine digitale aktuelle Kartierung der Landbedeckung und Landnutzung eines mehr als 3500 km² großen Ausschnittes des nigerianischen Tschadbeckens im Maßstab 1 : 25 000. Aufbauend auf der aktuellen Landnutzungskartierung wurde für einen etwa 1100 km² großen zentralen Teilausschnitt aus dem Gesamtuntersuchungsgebiet das dynamische Verhalten der Landbedeckungs- und Landnutzungseinheiten im Jahresverlauf untersucht. Dazu konnten fünf SPOT-XS-Satellitenszenen der Vegetationsperiode 1995/96 herangezogen werden. Als Zusammenfassung aus den phänologischen Analysen aller im Untersuchungsgebiet auftretenden Objekte und ihrem entsprechenden unterschiedlichen Spektralverhalten zu verschiedenen Zeitpunkten wurde eine detaillierte Landbedeckungs- und Landnutzungskartierung der Saison 1995/96 angefertigt. Sie ging aus einer komplexen hierarchischen Satellitenbildklassifizierung mit differenzierten Zuweisungsregeln hervor. Mit den Erfahrungen aus der Untersuchung zur saisonalen Dynamik wurden in einem weiteren Schritt alle für das Teiluntersuchungsgebiet zur Verfügung stehenden Satellitenszenen ausgewertet, um Erkenntnisse über interannuelle Unterschiede der zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommenen Satellitenszenen zu gewinnen und deren Ursachen aufzudecken. Als ideale Grundlage wurden multitemporale Vegetationsindizes verglichen, Veränderungskarten abgeleitet und Niederschlagsdaten zur Interpretation hinzugezogen. Eine 24jährige Zeitreihe der klassifizierten Vegetationsindizes ermöglicht eine zusammenfassende Interpretation. Die Auswertung historischer Luftbilder von 1957 und der Vergleich mit den Luftbildern von 1990 ermöglichte schließlich die Beurteilung langfristiger Entwicklungen im engeren Untersuchungsgebiet. Die Ergebnisse sind in Form einer historischen Karte, als Veränderungskarten und quantitativ festgehalten. Ein wichtiges Ergebnis der vorliegenden Arbeit besteht in der Strukturierung aller verwendeten Grundlagendaten zum Thema Landbedeckung und Landnutzung im Tschadbecken einschließlich seiner Nachbargebiete innerhalb des regionalen geographischen Informationssystemes FirGIS. In ihm sind neben den Ausgangsdaten alle Ergebnisse und die zum Thema gehörigen Zusatzinformationen enthalten. Es ermöglicht damit eine zukünftige Fortschreibung durch thematische, räumliche oder zeitliche Ausdehnung. Das Geoinformationssystem FirGIS bietet außerdem die Möglichkeit, bereits vorhandene wie auch zukünftige Information anderen Interessenten vor allem auch vor Ort zur Verfügung zu stellen.
Bayesian Networks are computer-based environmental models that are frequently used to support decision-making under uncertainty. Under data scarce conditions, Bayesian Networks can be developed, parameterized, and run based on expert knowledge only. However, the efficiency of expert-based Bayesian Network modeling is limited by the difficulty in deriving model inputs in the time available during expert workshops. This thesis therefore aimed at developing a simple and robust method for deriving conditional probability tables from expert estimates in a time-efficient way. The design and application of this new elicitation and conversion method is demonstrated using a case study in Xinjiang, Northwest China. The key characteristics of this method are its time-efficiency and the approach to use different conversion tables based on varying levels of confidence. Although the method has its limitations, e.g. it can only be applied for variables with one conditioning variable; it provides the opportunity to support the parameterization of Bayesian Networks which would otherwise remain half-finished due to time constraints. In addition, a case study in the Murray-Darling Basin, Australia, is used to compare Bayesian Network types and software to improve the presentation clarity of large Bayesian Networks. Both case studies aimed at gaining insights on how to improve the applicability of Bayesian Networks to support environmental management.
Eisnukleierende Partikel (INP) sind ein wichtiger Bestandteil des atmosphärischen Aerosols. Trotz ihrer geringen Konzentrationen in der Atmosphäre haben sie Einfluss auf die Bildung von Eiskristallen und auf den Niederschlag. Durch Änderungen in Anzahlkonzentration oder anderer Eigenschaften der INP können sich Wolkenparameter wie Lebensdauer und Tröpfchendichte ändern, was weiter eine Ursache für Änderungen im globalen Strahlungshaushalt sein kann.
Der Anteil zum globalen Strahlungshaushalt durch „Wolken-Anpassungen aufgrund von Aerosolen“, stellt weiterhin die größte Unsicherheit des Strahlungsantriebes dar. Aus diesem Grund sind Messungen und Studien über atmosphärische Aerosole und INP notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Eiskeimzähler FINCH („fast ice nucleus chamber“) grundlegend überholt und für Messungen von INP optimiert. FINCH ist ein in-situ Eiskeimzähler der durch Mischung unterschiedlicher Luftströme eine Übersättigung der Probeluft mit Wasserdampf erzeugt, um auf diese Weise die zu untersuchenden Aerosolpartikel zu Eiskristallen wachsen zu lassen. Am Ende einer Wachstumskammer werden die Partikel durch eine Optik, dem FINCH-OPS, anhand von Streueigenschaften klassifiziert und ausgewertet. Um FINCH im erwarteten Umfang benutzen zu können, wurden am F-OPS der Laser und die zur Detektion des Streulichts benutzen Photomultiplier ersetzt. Weiter wurde die Software zur Detektion der Partikel neu entwickelt. Durch diese Änderungen ist es möglich Partikelanzahl, Partikelgröße sowie eine Information über die Form der Partikel abzuleiten. Über einen weiteren Photomultiplier im F-OPS ist es zudem möglich eine Information über Fluoreszenz des Partikels zu gewinnen, um so auf einen biologischen Ursprung des Partikels zu schließen. Vorangegangene Probleme durch elektromagnetische Einstrahlung und dadurch entstandene Inkonsistenzen während Messungen konnten im Rahmen dieser Arbeit identifiziert und ausgeschlossen werden. Ebenfalls konnten die zur Flusskühlung benutzen Wärmetaucher als Ursache für Verunreinigungen und Kontamination ausgemacht werden. Auch dieser, für Messungen ungeeignete Zustand, wurde im Rahmen dieser Arbeit behoben.
Ausführliche Charakterisierungsmessungen konnte die Funktionsfähigkeit des F-OPS, als einzelnes Messgerät ohne FINCH-Kammer, belegen. Durch Messungen mit einer steuerbaren Lichtquelle in der Optik konnte zudem die elektrische Verarbeitung sowie die Zählqualität der Optik verifiziert werden. Weiter kann durch diese Experimente gezeigt werden, dass mit dem F-OPS größenaufgelöst gemessen werden kann.
Auch in den ersten Streulichtexperimenten mit Testaerosol kann die Funktionsfähigkeit der Optik gezeigt werden. Für Partikelgröße von Dp > 400 nm wird eine Zähleffizienz von 25% eines TSI 3025 CPCs erreicht. Die über den F-OPS abgeleitete Partikelgröße kann durch Messungen mit monodispersen Aerosolpartikeln und einer parallelen Messung mit einem TSI 3330 OPS parametrisiert werden. Weiter kann die Fluoreszenz von ausgewählten Referenzstoffen gezeigt werden.
Im Betrieb von F-OPS hinter der FINCH-Kammer, also FINCH als Komplettsystem, wurden weitere Charakterisierungsmessungen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die Anzahlkonzentration der Partikel nach Schließen eines Ventils exponentiell abfällt. Die Partikel folgen demnach nicht nur einem laminaren Fluss durch die Kammer. 50% der Partikel haben nach ca. 13 s die Kammer verlassen. Auch wurde ermittelt, dass ca. 40% der Partikel in der Kammer verloren gehen.
Erste Aktivierungsexperimente zeigen, dass Eispartikel in der Kammer auf eine Größe von Dp > 6 µm anwachsen. Durch Nullfiltermessungen in Aktivierungsphasen, sowie Ändern des zur Aktivierung notwendigen feuchten Flusses, wird zudem gezeigt, dass die Aktivierung der INP durch Mischung erfolgt und außerdem keine Fremdpartikel aktiviert werden. Die neue Steuerung der Kammer lässt es zu Temperaturen in etwa einer Stunde gezielt anzusteuern. Es wird gezeigt, dass Schwankungen in der Sättigung hauptsächlich durch Temperaturphänomene beeinflusst werden.
Abschließend wurden beispielhaft Laborexperimente mit Snomax© durchgeführt, welche sehr gut mit Werten aus der Literatur verglichen werden konnten. Auch eine erste Außenluftmessung am Jungfraujoch (Schweiz) wird in dieser Arbeit präsentiert. Die gemessenen INP-Konzentrationen im gezeigten Zeitraum liegen zwischen 1,4 ± 4,1 L-1 und 53 ± 30 L-1 und entsprechen somit wiederum bekannten Literaturwerten.
Die fortschreitende Versauerungsdynamik der Waldböden führt zu einer zunehmenden Gefährdung von Waldökosystemen durch Nährstoffmangel. Um eine Risikoabschätzung vornehmen zu können, werden flächendeckende Informationen zu den für die Bodenversauerung relevanten Waldbodeneigenschaften benötigt. Vor diesem Hintergrund ist auf der Grundlage von acht Prädiktoren/-gruppen ein wissensbasiertes Prognosemodell zur Mächtigkeit des kalkfreien Bodenbereiches in den Waldböden des Kantons Basel-Landschaft (Nordwestschweiz) entwickelt worden. Die Ergebniskarte liefert für 87 % der Waldfläche nachvollziehbare, kleinräumig differenzierte Informationen zur Ausprägung dieser Bodeneigenschaft. Mithilfe der vorliegenden Modellergebnisse lassen sich zukünftig die Basensättigung der Waldböden flächendifferenziert abschätzen und Waldstandorte mit unzureichender Nährstoffversorgung identifizieren. Langfristig stellt das Modell zudem eine wichtige Grundlage zur Beurteilung des Versauerungsrisikos dar.
In this thesis, laboratory investigations have been conducted to investigate several processes occurring during the melt segregation (crystal settling and compaction processes), as well as during emplacement of plutons. With the help of three different sets of centrifuge experiments rates of these three magmatic processes have been evaluated. In the first series of the centrifuge experiments, the diapiric ascent of buoyant material from two source layers at different depths was studied. Through five models, the hypothesis of ascending diapirs was tested and it was demonstrated whether a rising diapir ascends straight upward or if its ascent might be deviated by another buoyant, softer – and consequently easier to travel through – layer which is located within the overburden strata. We were interested under which conditions they can be formed. For this purpose we placed perturbations on top of both the buoyant layers; either with a set-off of both the protrusions (for three of these experiments), or with both protrusion sitting directly on top of each other (for one of the experiments). In the first experiment, we omitted the perturbations, to test which pathways diapirs take which grow from natural Rayleigh-Taylor instabilities. Three others experiments differed in the viscosity contrast between the overburden and the buoyant material. Through the experimental runs, the effects of different overburden viscosities and perturbation positions on the number of the diapirs were observed. The modeling results show that two diapirs rising from the offset perturbations do not take the same pathway through the overburden layer. Rather, each diapir takes a different pathway, with the deeper diapir piercing through its overburden while rising, regardless if it was a buoyant layer or denser overburden layers. However, when the two perturbations were situated directly above each other in the different PDMS layers, this resulted in the formation of one big diapir rather than several smaller ones, and the overburden layer was less deformed than with offset perturbations. Diapiric structures as those derived from the models without perturbation and where the perturbation are offset occur within Great Kavir Basin (Iran), where numerous salt diapirs grew from several salt horizons, which show a similar spatial distribution. The resulting structure observed in the model where the two perturbations situated directly above each other, is close to what is observed in composite batholiths such as the Flasergranitoid Zone within the Bergsträßer Odenwald Crystalline Complex (Germany). The second series of models were aimed to study crystal settling within a magma. For this purpose experiments with an artificial magma of 30 vol% olivine in 70 vol% basaltic melt were conducted to elucidate the formation mechanisms and time scales of gravitational cumulates. Through the experiments, two physical processes have been observed: (i) purely mechanical compaction, and (ii) chemical compaction induced by dissolution and re-precipitation of settled crystals. The results reveals that the mechanical settling of the dense olivine suspension occurs at about 1/6 the speed of simple Stokes settling, and a sedimentation exponent n of 4.1 is found. Evidences of chemical compaction induced by dissolution and re-precipitation of settled crystals have been highlighted by a detailed analysis of the fine structure of olivine grain boundaries. This last has revealed (1) the presence of Ca, which is characteristic only for MORB-melt, at the interface of two adjacent Ol-grains even when no melt is present; (2) a not fully crystallized boundary layer between two adjacent olivine grains. The crystal size distribution curves and the grain size growth exponent n ~3.6 indicate that diffusion controlled Ostwald ripening is the dominant crystal growth mechanism in concentrated magmatic suspensions. Finally, the formation times in natural olivine adcumulates have been calculated. The last series of centrifuge experiments deals with the crystal-melt settling-floating mechanism in a system composed of natural two pyroxene gabbro. The results have revealed a vertical evolution of the major and trace elements in the melt phase. Then, a numerical modelling of the sedimentation process of the crystals has been made in order to describe the compaction evolution with time. In comparing the numerical simulation with the centrifuge modelling, the stratification of the compacted layer in the runs is reproduced in numerical models. Moreover, on the base of the numerical and centrifuge modelling, a sedimentation exponent describing a deviation of settling in concentrated suspensions from Stokes sedimentation has been evaluated. Finally, the numerical simulation is applied to the Muskox intrusion to estimate the formation time and the melt fraction evolution in using the hindered sedimentation model calculations.
The Izu–Bonin–Mariana volcanic arc is situated at a convergent plate margin where subduction initiation triggered the formation of MORB-like forearc basalts as a result of decompression melting and near-trench spreading. International Ocean Discovery Program (IODP) Expedition 352 recovered samples within the forearc basalt stratigraphy that contained unusual macroscopic globular textures hosted in andesitic glass (Unit 6, Hole 1440B). It is unclear how these andesites, which are unique in a stratigraphic sequence dominated by forearc basalts, and the globular textures therein may have formed. Here, we present detailed textural evidence, major and trace element analysis, as well as B and Sr isotope compositions, to investigate the genesis of these globular andesites. Samples consist of K2O-rich basaltic globules set in a glassy groundmass of andesitic composition. Between these two textural domains a likely hydrated interface of devitrified glass occurs, which, based on textural evidence, seems to be genetically linked to the formation of the globules. The andesitic groundmass is Cl rich (ca. 3000 µg/g ), whereas globules and the interface are Cl poor (ca. 300 µg/g ). Concentrations of fluid-mobile trace elements also appear to be fractionated in that globules and show enrichments in B, K, Rb, Cs, and Tl, but not in Ba and W relative to the andesitic groundmass, whereas the interface shows depletions in the latter, but is enriched in the former. Interestingly, globules and andesitic groundmass have identical Sr isotopic composition within analytical uncertainty ( 87Sr∕86Sr of 0.70580 ± 10 ), indicating that they likely formed from the same source. However, globules show high δ11 B (ca. + 7 ‰ ), whereas their host andesites are isotopically lighter (ca. – 1 ‰ ), potentially indicating that whatever process led to their formation either introduced heavier B isotopes to the globules, or induced stable isotope fractionation of B between globules and their groundmass. Based on the bulk of the textural information and geochemical data obtained from these samples, we conclude that these andesites likely formed as a result of the assimilation of shallowly altered oceanic crust (AOC) during forearc basaltic magmatism. Assimilation likely introduced radiogenic Sr, as well as heavier B isotopes to comparatively unradiogenic and low δ11B forearc basalt parental magmas (average 87Sr∕86Sr of 0.703284). Moreover, the globular textures are consistent with their formation being the result of fluid-melt immiscibility that was potentially induced by the rapid release of water from assimilated AOC whose escape likely formed the interface. If the globular textures present in these samples are indeed the result of fluid-melt immiscibility, then this process led to significant trace element and stable isotope fractionation. The textures and chemical compositions of the globules highlight the need for future experimental studies aimed at investigating the exsolution process with respect to potential trace element and isotopic fractionation in arc magmas that have perhaps not been previously considered.
Holocene climate was characterised by variability on multi-centennial to multi-decadal time scales. In central Europe, these fluctuations were most pronounced during winter. Here we present a record of past winter climate variability for the last 10.8 ka based on four speleothems from Bunker Cave, western Germany. Due to its central European location, the cave site is particularly well suited to record changes in precipitation and temperature in response to changes in the North Atlantic realm. We present high-resolution records of δ18O, δ13C values and Mg/Ca ratios. Changes in the Mg/Ca ratio are attributed to past meteoric precipitation variability. The stable C isotope composition of the speleothems most likely reflects changes in vegetation and precipitation, and variations in the δ18O signal are interpreted as variations in meteoric precipitation and temperature. We found cold and dry periods between 8 and 7 ka, 6.5 and 5.5 ka, 4 and 3 ka as well as between 0.7 and 0.2 ka. The proxy signals in the Bunker Cave stalagmites compare well with other isotope records and, thus, seem representative for central European Holocene climate variability. The prominent 8.2 ka event and the Little Ice Age cold events are both recorded in the Bunker Cave record. However, these events show a contrasting relationship between climate and δ18O, which is explained by different causes underlying the two climate anomalies. Whereas the Little Ice Age is attributed to a pronounced negative phase of the North Atlantic Oscillation, the 8.2 ka event was triggered by cooler conditions in the North Atlantic due to a slowdown of the thermohaline circulation.
Holocene climate was characterised by variability on multi-centennial to multi-decadal time scales. In central Europe, these fluctuations were most pronounced during winter. Here we present a new record of past winter climate variability for the last 10.8 ka based on four speleothems from Bunker Cave, Western Germany. Due to its central European location, the cave site is particularly well suited to record changes in precipitation and temperature in response to changes in the North Atlantic realm. We present high resolution records of δ18O, δ13C values and Mg/Ca ratios. We attribute changes in the Mg/Ca ratio to variations in the meteoric precipitation. The stable C isotope composition of the speleothems most likely reflects changes in vegetation and precipitation and variations in the δ18O signal are interpreted as variations in meteoric precipitation and temperature. We found cold and dry periods between 9 and 7 ka, 6.5 and 5.5 ka, 4 and 3 ka as well as between 0.7 to 0.2 ka. The proxy signals in our stalagmites compare well with other isotope records and, thus, seem representative for central European Holocene climate variability. The prominent 8.2 ka event and the Little Ice Age cold events are both recorded in the Bunker cave record. However, these events show a contrasting relationship between climate and δ18O, which is explained by different causes underlying the two climate anomalies. Whereas the Little Ice Age is attributed to a pronounced negative phase of the North Atlantic Oscillation, the 8.2 ka event was triggered by cooler conditions in the North Atlantic due to a slowdown of the Thermohaline Circulation.
Abrupt climate changes of the last deglaciation detected in a Western Mediterranean forest record
(2010)
Abrupt changes in Western Mediterranean climate during the last deglaciation (20 to 6 cal ka BP) are detected in marine core MD95-2043 (Alboran Sea) through the investigation of high-resolution pollen data and pollen-based climate reconstructions by the modern analogue technique (MAT) for annual precipitation (Pann) and mean temperatures of the coldest and warmest months (MTCO and MTWA). Changes in temperate Mediterranean forest development and composition and MAT reconstructions indicate major climatic shifts with parallel temperature and precipitation changes at the onsets of Heinrich stadial 1 (equivalent to the Oldest Dryas), the Bölling-Allerød (BA), and the Younger Dryas (YD). Multi-centennial-scale oscillations in forest development occurred throughout the BA, YD, and early Holocene. Shifts in vegetation composition and (Pann reconstructions indicate that forest declines occurred during dry, and generally cool, episodes centred at 14.0, 13.3, 12.9, 11.8, 10.7, 10.1, 9.2, 8.3 and 7.4 cal ka BP. The forest record also suggests multiple, low-amplitude Preboreal (PB) climate oscillations, and a marked increase in moisture availability for forest development at the end of the PB at 10.6 cal ka BP. Dry atmospheric conditions in the Western Mediterranean occurred in phase with Lateglacial events of high-latitude cooling including GI-1d (Older Dryas), GI-1b (Intra-Allerød Cold Period) and GS-1 (YD), and during Holocene events associated with high-latitude cooling, meltwater pulses and N. Atlantic ice-rafting. A possible climatic mechanism for the recurrence of dry intervals and an opposed regional precipitation pattern with respect to Western-central Europe relates to the dynamics of the westerlies and the prevalence of atmospheric blocking highs. Comparison of radiocarbon and ice-core ages for well-defined climatic transitions in the forest record suggests possible enhancement of marine reservoir ages in the Alboran Sea by 200 years (surface water age 600 years) during the Lateglacial.
Abrupt climate changes of the last deglaciation detected in a western Mediterranean forest record
(2009)
Abrupt changes in Western Mediterranean climate during the last deglaciation (20 to 6 cal ka BP) are detected in marine core MD95-2043 (Alboran Sea) through the investigation of high-resolution pollen data and pollen-based climate reconstructions by the modern analogue technique (MAT) for annual precipitation (Pann) and mean temperatures of the coldest and warmest months (MTCO and MTWA). Changes in temperate Mediterranean forest development and composition and MAT reconstructions indicate major climatic shifts with parallel temperature and precipitation changes at the onsets of Heinrich stadial 1 (equivalent to the Oldest Dryas), the Bölling-Allerød (BA), and the Younger Dryas (YD). Multi-centennial-scale oscillations in forest development occurred throughout the BA, YD, and early Holocene. Shifts in vegetation composition and (Pann reconstructions indicate that forest declines occurred during dry, and generally cool, episodes centred at 14.0, 13.3, 12.9, 11.8, 10.7, 10.1, 9.2, 8.3 and 7.4 cal ka BP. The forest record also suggests multiple, low-amplitude Preboreal (PB) climate oscillations, and a marked increase in moisture availability for forest development at the end of the PB at 10.6 cal ka BP. Dry atmospheric conditions in the Western Mediterranean occurred in phase with Lateglacial events of high-latitude cooling including GI-1d (Older Dryas), GI-1b (Intra-Allerød Cold Period) and GS-1 (YD), and during Holocene events associated with high-latitude cooling, meltwater pulses and N. Atlantic ice-rafting. A possible climatic mechanism for the recurrence of dry intervals and an opposed regional precipitation pattern with respect to Western-central Europe relates to the dynamics of the westerlies and the prevalence of atmospheric blocking highs. Comparison of radiocarbon and ice-core ages for well-defined climatic transitions in the forest record suggests possible enhancement of marine reservoir ages in the Alboran Sea by 200 years (surface water age 600 years) during the Lateglacial.
This study aims to assess the skill of regional climate models (RCMs) at reproducing the climatology of Mediterranean cyclones. Seven RCMs are considered, five of which were also coupled with an oceanic model. All simulations were forced at the lateral boundaries by the ERA-Interim reanalysis for a common 20-year period (1989–2008). Six different cyclone tracking methods have been applied to all twelve RCM simulations and to the ERA-Interim reanalysis in order to assess the RCMs from the perspective of different cyclone definitions. All RCMs reproduce the main areas of high cyclone occurrence in the region south of the Alps, in the Adriatic, Ionian and Aegean Seas, as well as in the areas close to Cyprus and to Atlas mountains. The RCMs tend to underestimate intense cyclone occurrences over the Mediterranean Sea and reproduce 24–40 % of these systems, as identified in the reanalysis. The use of grid nudging in one of the RCMs is shown to be beneficial, reproducing about 60 % of the intense cyclones and keeping a better track of the seasonal cycle of intense cyclogenesis. Finally, the most intense cyclones tend to be similarly reproduced in coupled and uncoupled model simulations, suggesting that modeling atmosphere–ocean coupled processes has only a weak impact on the climatology and intensity of Mediterranean cyclones.
This paper is a contribution to the special issue on Med-CORDEX, an international coordinated initiative dedicated to the multi-component regional climate modelling (atmosphere, ocean, land surface, river) of the Mediterranean under the umbrella of HyMeX, CORDEX, and Med-CLIVAR and coordinated by Samuel Somot, Paolo Ruti, Erika Coppola, Gianmaria Sannino, Bodo Ahrens, and Gabriel Jordà.
Der Erdfall „Seeloch" bei Bad Hersfeld ist ein etwa kreisrunder Einbruch im Buntsandstein mit einem Durchmesser von ca. 80 m, der auf Subrosionsvorgänge lm Zechsteinsalinar zurückgeführt wird. Einbrüche dieser Art sind typisch für Salzhänge, wie an anderen Beispielen gezeigt wird. Kaminartige Durchbrüche durch mehrere hundert Meter mächtiges Deckgebirge können nur entstehen, wenn eine vorgegebene Klüftung vorhanden ist. Ähnliche Erscheinungen sind über Lösungshohlräumen beobachtet worden, die beim Absaufen von Kaliwerken entstanden. Erfahrungen aus dem Salinenbetrieb zeigen, daß auch im Steinsalz größere Hohlräume längere Zeit existieren können, ohne daß es zu Bodensenkungen oder Erdfällen kommt. Die Sedimente des „Seeloch" sind palynologisoh und stratigraphisch bearbeitet worden. Das besondere Ergebnis dieser Untersuchungen ist daß Interglazial-Alter (Riß-Würrn) des Profilabschnittes. Die bisher untersuchten Salzauslaugungssenken enthalten Ablagerungen des Tertiärs, Altpleistozäns oder des Holozäns. Aus den Korrosionssenken des nordöstlichen Hessens waren bisher nur kohlig-torfige Ablagerungen bekannt geworden, die ein oberpliozänes bis altpleistozänes oder postglaziales Alter haben. Mit den Schichten aus dem "Seeloch" von Kathus werden erstmals Ablagerungen beschrieben, für die ein eemzeitliches Alter (Riß-Würm-Interglazial) wahrscheinlich ist.
We present the analysis of the impact of convection on the composition of the tropical tropopause layer region (TTL) in West-Africa during the AMMA-SCOUT campaign. Geophysica M55 aircraft observations of water vapor, ozone, aerosol and CO2 during August 2006 show perturbed values at altitudes ranging from 14 km to 17 km (above the main convective outflow) and satellite data indicates that air detrainment is likely to have originated from convective cloud east of the flights. Simulations of the BOLAM mesoscale model, nudged with infrared radiance temperatures, are used to estimate the convective impact in the upper troposphere and to assess the fraction of air processed by convection. The analysis shows that BOLAM correctly reproduces the location and the vertical structure of convective outflow. Model-aided analysis indicates that convection can influence the composition of the upper troposphere above the level of main outflow for an event of deep convection close to the observation site. Model analysis also shows that deep convection occurring in the entire Sahelian transect (up to 2000 km E of the measurement area) has a non negligible role in determining TTL composition.
We present the analysis of the impact of convection on the composition of the tropical tropopause layer region (TTL) in West-Africa during the AMMA-SCOUT campaign. Geophysica M55 aircraft observations of water vapor, ozone, aerosol and CO2 show perturbed values at altitudes ranging from 14 km to 17 km (above the main convective outflow) and satellite data indicates that air detrainment is likely originated from convective cloud east of the flight. Simulations of the BOLAM mesoscale model, nudged with infrared radiance temperatures, are used to estimate the convective impact in the upper troposphere and to assess the fraction of air processed by convection. The analysis shows that BOLAM correctly reproduces the location and the vertical structure of convective outflow. Model-aided analysis indicates that in the outflow of a large convective system, deep convection can largely modify chemical composition and aerosol distribution up to the tropical tropopause. Model analysis also shows that, on average, deep convection occurring in the entire Sahelian transect (up to 2000 km E of the measurement area) has a non negligible role in determining TTL composition.
Global modelling of continental water storage changes : sensitivity to different climate data sets
(2007)
Since 2002, the GRACE satellite mission provides estimates of the Earth's dynamic gravity field with unprecedented accuracy. Differences between monthly gravity fields contain a clear hydrological signal due to continental water storage changes. In order to evaluate GRACE results, the state-of-the-art WaterGAP Global Hydrological Model (WGHM) is applied to calculate terrestrial water storage changes on a global scale. WGHM is driven by different climate data sets to analyse especially the influence of different precipitation data on calculated water storage. The data sets used are the CRU TS 2.1 climate data set, the GPCC Full Data Product for precipitation and data from the ECMWF integrated forecast system. A simple approach for precipitation correction is introduced. WGHM results are then compared with GRACE data. The use of different precipitation data sets leads to considerable differences in computed water storage change for a large number of river basins. Comparing model results with GRACE observations shows a good spatial correlation and also a good agreement in phase. However, seasonal variations of water storage as derived from GRACE tend to be significantly larger than those computed by WGHM, regardless of which climate data set is used.
Abiotic formation of n-alkane hydrocarbons has been postulated to occur within Earth's crust. Apparent evidence was primarily based on uncommon carbon and hydrogen isotope distribution patterns that set methane and its higher chain homologues apart from biotic isotopic compositions associated with microbial production and closed system thermal degradation of organic matter. Here, we present the first global investigation of the carbon and hydrogen isotopic compositions of n-alkanes in volcanic-hydrothermal fluids hosted by basaltic, andesitic, trachytic and rhyolitic rocks. We show that the bulk isotopic compositions of these gases follow trends that are characteristic of high temperature, open system degradation of organic matter. In sediment-free systems, organic matter is supplied by surface waters (seawater, meteoric water) circulating through the reservoir rocks. Our data set strongly implies that thermal degradation of organic matter is able to satisfy isotopic criteria previously classified as being indicative of abiogenesis. Further considering the ubiquitous presence of surface waters in Earth’s crust, abiotic hydrocarbon occurrences might have been significantly overestimated.
Wildfire is the most common disturbance type in boreal forests and can trigger significant changes in forest composition. Waterlogging in peatlands determines the degree of tree cover and the depth of the burnt horizon associated with wildfires. However, interactions between peatland moisture, vegetation composition and flammability, and fire regime in forest and forested peatland in Eurasia remain largely unexplored, despite their huge extent in boreal regions. To address this knowledge gap, we reconstructed the Holocene fire regime, vegetation composition, and peatland hydrology at two sites located in predominantly light taiga (Pinus sylvestris Betula) with interspersed dark taiga communities (Pinus sibirica, Picea obovata, Abies sibirica) in western Siberia in the Tomsk Oblast, Russia. We found marked shifts in past water levels over the Holocene. The probability of fire occurrence and the intensification of fire frequency and severity increased at times of low water table (drier conditions), enhanced fuel dryness, and an intermediate dark-to-light taiga ratio. High water level, and thus wet peat surface conditions, prevented fires from spreading on peatland and surrounding forests. Deciduous trees (i.e. Betula) and Sphagnum were more abundant under wetter peatland conditions, and conifers and denser forests were more prevalent under drier peatland conditions. On a Holocene scale, severe fires were recorded between 7.5 and 4.5 ka with an increased proportion of dark taiga and fire avoiders (Pinus sibirica at Rybnaya and Abies sibirica at Ulukh–Chayakh) in a predominantly light taiga and fire-resister community characterised by Pinus sylvestris and lower local water level. Severe fires also occurred over the last 1.5 kyr and were associated with a declining abundance of dark taiga and fire avoiders, an expansion of fire invaders (Betula), and fluctuating water tables. These findings suggest that frequent, high-severity fires can lead to compositional and structural changes in forests when trees fail to reach reproductive maturity between fire events or where extensive forest gaps limit seed dispersal. This study also shows prolonged periods of synchronous fire activity across the sites, particularly during the early to mid-Holocene, suggesting a regional imprint of centennial- to millennial-scale Holocene climate variability on wildfire activity. Humans may have affected vegetation and fire from the Neolithic; however, increasing human presence in the region, particularly at the Ulukh–Chayakh Mire over the last 4 centuries, drastically enhanced ignitions compared to natural background levels. Frequent warm and dry spells predicted by climate change scenarios for Siberia in the future will enhance peatland drying and may convey a competitive advantage to conifer taxa. However, dry conditions will probably exacerbate the frequency and severity of wildfire, disrupt conifers' successional pathway, and accelerate shifts towards deciduous broadleaf tree cover. Furthermore, climate–disturbance–fire feedbacks will accelerate changes in the carbon balance of boreal peatlands and affect their overall future resilience to climate change.
Wildfire is the most common disturbance type in boreal forests and can trigger significant changes in forest composition. Waterlogging in peatlands determines the degree of tree cover and the depth of the burning horizon associated with wildfires. However, interactions between peatland moisture, vegetation composition and flammability, and fire regime in forested peatland in Eurasia remain largely unexplored, despite their huge extent in boreal regions. To address this knowledge gap, we reconstructed the Holocene fire regime, vegetation composition and peatland hydrology at two sites in Western Siberia near Tomsk Oblast, Russia. The palaeoecological records originate from forested peatland areas in predominantly light taiga (Pinus-Betula) with increase in dark taiga communities (Pinus sibirica, Picea obovata, Abies sibirica) towards the east. We found that the past water level fluctuated between 8 and 30 cm below the peat surface. Wet peatland conditions promoted broadleaf trees (Betula), whereas dry peatland conditions favoured conifers and a greater forest density (dark-to-light-taiga ratio). The frequency and severity of fire increased with a declining water table that enhanced fuel dryness and flammability and at an intermediate forest density. We found that the probability of intensification in fire severity increased when the water
level declined below 20 cm suggesting a tipping point in peatland hydrology at which wildfire regime intensifies. On a Holocene scale, we found two scenarios of moisture-vegetation-fire interactions. In the first, severe fires were recorded 45 between 7.5 and 4.5 ka BP with lower water level and an increased proportion of dark taiga and fire avoiders (Pinus sibirica at Rybanya and Abies sibirica at Ulukh Chayakh) mixed into the dominantly light taiga and fire-resister community of Pinus
sylvestris. The second occurred over the last 1.5 ka and was associated with fluctuating water tables, a declining abundance of fire avoiders, and an expansion of fire invaders (Betula). These findings suggest that frequent high-severity fires can lead to compositional and structural changes in forests when trees fail to reach reproductive maturity between fire events or where extensive forest gaps limit seed dispersal. This study also shows prolonged periods of synchronous fire activity across the sites, particularly during the early to mid-Holocene, suggesting a regional imprint of centennial to millennial-scale Holocene climate
variability on wildfire activity. Increasing human presence in the region of the Ulukh-Chayakh Mire near Teguldet over the last four centuries drastically enhanced ignitions compared to natural background levels. Frequent warm and dry spells predicted for the future in Siberia by climate change scenarios will enhance peatland drying and may convey a competitive advantage to conifer taxa. However, dry conditions, particularly a water table decline below the threshold of 20 cm, will probably exacerbate the frequency and severity of wildfire, disrupt conifers’ successional pathway and accelerate shifts towards more fire-adapted broadleaf tree cover. Furthermore, climate-disturbance-fire feedbacks will accelerate changes in the carbon balance of forested boreal peatlands and affect their overall future resilience to climate change.
The analysis of charcoal fragments in peat and lake sediments is the most widely used approach to reconstruct past biomass burning. With a few exceptions, this method typically relies on the quantification of the total charcoal content of the sediment. To enhance charcoal analyses for the reconstruction of past fire regimes, and to make the method more relevant to studies of both plant evolution and fire management, more information must be extracted from charcoal particles. Here, I burned in the laboratory seven fuel types comprising 17 species from boreal Siberia, and build on published schemes to develop morphometric and finer diagnostic classifications of the experimentally charred particles. As most of the species used in this study are common to Northern Hemisphere forests and peatlands, these results can be directly applicable over a broad geographical scale. Results show that the effect of temperature on charcoal production is fuel dependent. Graminoids and Sphagnum, and wood (trunk) lose the most mass at low burn temperatures, whereas heathland shrub leaves, brown moss, and ferns retain the most mass at high burn temperatures. In contrast to the wood of trunk, the wood of twigs retained their mass at intermediate temperature. This suggests that species with low mass retention at hotter burning temperatures might be underrepresented in the fossil charcoal record. Charred particle aspect ratio (L/W) appeared to be the strongest indicator of the fuel type burnt. Graminoid charcoals are more elongate than those of all other fuel types, leaf charcoals are the shortest and bulkiest, and twig and wood charcoals are intermediate. Finer diagnostic features were the most useful in distinguishing between wood, graminoid, and leaf particles, but further distinctions within these fuel types are difficult. High-aspect-ratio particles dominated by graminoid and Sphagnum morphologies are robust indicators of cooler surface fires. Contrastingly, abundant wood and leaf morphologies and low-aspect-ratio particles likely indicate higher-temperature fires. However, the overlapping morphologies of leaves and wood from trees and shrubs make it hard to distinguish between high-intensity surface fires combusting living shrubs and dead wood and leaves or high-intensity crown fires combusting living trees. Despite these limitations, the combined use of charred-particle aspect ratios and fuel morphotypes can aid in more robustly interpreting changes in fuel source and fire type, thereby substantially refining histories of past wildfires. Further fields of investigation to improve the interpretation of the fossil charcoal records will require: i) More in-depth knowledge of plant anatomy for a better determination of fuel sources; ii) Relate the proportion of particular charcoal morphotypes to the quantity of biomass; iii) Link the chemical composition of fuels, combustion temperature, and charcoal production. The advanced use of image-recognition software to collect data on other charcoal features could also aid in extracting fire temperatures as well as a change in particles morphology and morphometry during particles transportation.
The analysis of charcoal fragments in peat and lake sediments is the most widely used approach to reconstruct past biomass burning. With a few exceptions, this method typically relies on the quantification of the total charcoal content of the sediment. To enhance charcoal analyses for the reconstruction of past fire regimes and make the method more relevant to studies of both plant evolution and fire management, the extraction of more information from charcoal particles is critical. Here, I used a muffle oven to burn seven fuel types comprising 17 species from boreal Siberia (near Teguldet village), which are also commonly found in the Northern Hemisphere, and built on published schemes to develop morphometric and finer diagnostic classifications of the experimentally charred particles. I then combined these results with those from fossil charcoal from a peat core taken from the same location (Ulukh-Chayakh mire) in order to demonstrate the relevance of these experiments to the fossil charcoal records. Results show that graminoids, Sphagnum, and wood (trunk) lose the most mass at low burn temperatures (<300 ∘C), whereas heathland shrub leaves, brown moss, and ferns lose the most mass at high burn temperatures. This suggests that species with low mass retention in high-temperature fires are likely to be under-represented in the fossil charcoal record. The charcoal particle aspect ratio appeared to be the strongest indicator of the fuel type burnt. Graminoid charcoal particles are the most elongate (6.7–11.5), with a threshold above 6 that may be indicative of wetland graminoids; leaves are the shortest and bulkiest (2.1–3.5); and twigs and wood are intermediate (2.0–5.2). Further, the use of fine diagnostic features was more successful in separating wood, graminoids, and leaves, but it was difficult to further differentiate these fuel types due to overlapping features. High-aspect-ratio particles, dominated by graminoid and Sphagnum morphologies, may be robust indicators of low-temperature surface fires, whereas abundant wood and leaf morphologies as well as low-aspect-ratio particles are indicative of higher-temperature fires. However, the overlapping morphologies of leaves and wood from trees and shrubs make it hard to distinguish between high-intensity surface fires, combusting living shrubs and dead wood and leaves, and high-intensity crown fires that have burnt living trees. Distinct particle shape may also influence charcoal transportation, with elongated particles (graminoids) potentially having a more heterogeneous distribution and being deposited farther away from the origin of fire than the rounder, polygonal leaf particles. Despite these limitations, the combined use of charred-particle aspect ratios and fuel morphotypes can aid in the more robust interpretation of fuel source and fire-type changes. Lastly, I highlight the further investigations needed to refine the histories of past wildfires.
We have used the SLIMCAT 3-D off-line chemical transport model (CTM) to quantify the Arctic chemical ozone loss in the year 2002/2003 and compare it with similar calculations for the winters 1999/2000 and 2003/2004. Recent changes to the CTM have improved the model's ability to reproduce polar chemical and dynamical processes. The updated CTM uses σ-θ as a vertical coordinate which allows it to extend down to the surface. The CTM has a detailed stratospheric chemistry scheme and now includes a simple NAT-based denitrification scheme in the stratosphere.
In the model runs presented here the model was forced by ECMWF ERA40 and operational analyses. The model used 24 levels extending from the surface to ~55 km and a horizontal resolution of either 7.5°×7.5° or 2.8°×2.8°. Two different radiation schemes, MIDRAD and the CCM scheme, were used to diagnose the vertical motion in the stratosphere. Based on tracer observations from balloons and aircraft, the more sophisticated CCM scheme gives a better representation of the vertical transport in this model which includes the troposphere. The higher resolution model generally produces larger chemical O3 depletion, which agrees better with observations.
The CTM results show that very early chemical ozone loss occurred in December 2002 due to extremely low temperatures and early chlorine activation in the lower stratosphere. Thus, chemical loss in this winter started earlier than in the other two winters studied here. In 2002/2003 the local polar ozone loss in the lower stratosphere was ~40% before the stratospheric final warming. Larger ozone loss occurred in the cold year 1999/2000 which had a persistently cold and stable vortex during most of the winter. For this winter the current model, at a resolution of 2.8°×2.8°, can reproduce the observed loss of over 70% locally. In the warm and more disturbed winter 2003/2004 the chemical O3 loss was generally much smaller, except above 620 K where large losses occurred due to a period of very low minimum temperatures at these altitudes.
We have used the SLIMCAT 3-D off-line chemical transport model (CTM) to quantify the Arctic chemical ozone loss in the year 2002/2003 and compare it with similar calculations for the winters 1999/2000 and 2003/2004. Recent changes to the CTM have improved the model's ability to reproduce polar chemical and dynamical processes. The updated CTM uses σ-θ as a vertical coordinate which allows it to extend down to the surface. The CTM has a detailed stratospheric chemistry scheme and now includes a simple NAT-based denitrification scheme in the stratosphere.
In the model runs presented here the model was forced by ECMWF ERA40 and operational analyses. The model used 24 levels extending from the surface to ~55km and a horizontal resolution of either 7.5° x 7.5° or 2.8° x 2.8°. Two different radiation schemes, MIDRAD and the CCM scheme, were used to diagnose the vertical motion in the stratosphere. Based on tracer observations from balloons and aircraft, the more sophisticated CCM scheme gives a better representation of the vertical transport in this model which includes the troposphere. The higher resolution model generally produces larger chemical O3 depletion, which agrees better with observations.
The CTM results show that very early chemical ozone loss occurred in December 2002 due to extremely low temperatures and early chlorine activation in the lower stratosphere. Thus, chemical loss in this winter started earlier than in the other two winters studied here. In 2002/2003 the local polar ozone loss in the lower stratosphere was ~40% before the stratospheric final warming. Larger ozone loss occurred in the cold year 1999/2000 which had a persistently cold and stable vortex during most of the winter. For this winter the current model, at a resolution of 2.8° x 2.8°, can reproduce the observed loss of over 70% locally. In the warm and more disturbed winter 2003/2004 the chemical O3 loss was generally much smaller, except above 620K where large losses occurred due to a period of very low minimum temperatures at these altitudes.
Artificial drainage of agricultural land, for example with ditches or drainage tubes, is used to avoid water logging and to manage high groundwater tables. Among other impacts it influences the nutrient balances by increasing leaching losses and by decreasing denitrification. To simulate terrestrial transport of nitrogen on the global scale, a digital global map of artificially drained agricultural areas was developed. The map depicts the percentage of each 5’ by 5’ grid cell that is equipped for artificial drainage. Information on artificial drainage in countries or sub-national units was mainly derived from international inventories. Distribution to grid cells was based, for most countries, on the "Global Croplands Dataset" of Ramankutty et al. (1998) and the "Digital Global Map of Irrigation Areas" of Siebert et al. (2005). For some European countries the CORINE land cover dataset was used instead of the both datasets mentioned above. Maps with outlines of artificially drained areas were available for 6 countries. The global drainage area on the map is 167 Mio hectares. For only 11 out of the 116 countries with information on artificial drainage areas, sub-national information could be taken into account. Due to this coarse spatial resolution of the data sources, we recommended to use the map of artificially drained areas only for continental to global scale assessments. This documentation describes the dataset, the data sources and the map generation, and it discusses the data uncertainty.
The crystal structure of the high temperature phase of anilinium bromide, C6H5NH3⊕Br⊖ , was studied by X-ray and neutron diffraction at T = 343 K. The refinement supports disordered positions of the -NH3⊕ group. A split-atom model is proposed which includes disorder of the benzene ring. The thermal parameters, hydrogen bond distances, and other experimental data (NMR, NQR, inelastic neutron scattering) are in accordance with this model.
The turnover time of terrestrial ecosystem carbon is an emergent ecosystem property that quantifies the strength of land surface on the global carbon cycle–climate feedback. However, observation- and modeling-based estimates of carbon turnover and its response to climate are still characterized by large uncertainties. In this study, by assessing the apparent whole ecosystem carbon turnover times (τ) as the ratio between carbon stocks and fluxes, we provide an update of this ecosystem level diagnostic and its associated uncertainties in high spatial resolution (0.083∘) using multiple, state-of-the-art, observation-based datasets of soil organic carbon stock (Csoil), vegetation biomass (Cveg) and gross primary productivity (GPP). Using this new ensemble of data, we estimated the global median τ to be 43+7−7 yr (median+difference to percentile 75−difference to percentile 25) when the full soil is considered, in contrast to limiting it to 1 m depth. Only considering the top 1 m of soil carbon in circumpolar regions (assuming maximum active layer depth is up to 1 m) yields a global median τ of 37+3−6 yr, which is longer than the previous estimates of 23+7−4 yr (Carvalhais et al., 2014). We show that the difference is mostly attributed to changes in global Csoil estimates. Csoil accounts for approximately 84 % of the total uncertainty in global τ estimates; GPP also contributes significantly (15 %), whereas Cveg contributes only marginally (less than 1 %) to the total uncertainty. The high uncertainty in Csoil is reflected in the large range across state-of-the-art data products, in which full-depth Csoil spans between 3362 and 4792 PgC. The uncertainty is especially high in circumpolar regions with an uncertainty of 50 % and a low spatial correlation between the different datasets (0.2<r<0.5) when compared to other regions (0.6<r<0.8). These uncertainties cast a shadow on current global estimates of τ in circumpolar regions, for which further geographical representativeness and clarification on variations in Csoil with soil depth are needed. Different GPP estimates contribute significantly to the uncertainties of τ mainly in semiarid and arid regions, whereas Cveg causes the uncertainties of τ in the subtropics and tropics. In spite of the large uncertainties, our findings reveal that the latitudinal gradients of τ are consistent across different datasets and soil depths. The current results show a strong ensemble agreement on the negative correlation between τ and temperature along latitude that is stronger in temperate zones (30–60∘ N) than in the subtropical and tropical zones (30∘ S–30∘ N). Additionally, while the strength of the τ–precipitation correlation was dependent on the Csoil data source, the latitudinal gradients also agree among different ensemble members. Overall, and despite the large variation in τ, we identified robust features in the spatial patterns of τ that emerge beyond the differences stemming from the data-driven estimates of Csoil, Cveg and GPP. These robust patterns, and associated uncertainties, can be used to infer τ–climate relationships and for constraining contemporaneous behavior of Earth system models (ESMs), which could contribute to uncertainty reductions in future projections of the carbon cycle–climate feedback. The dataset of τ is openly available at https://doi.org/10.17871/bgitau.201911 (Fan et al., 2019).
The turnover time of terrestrial carbon (τ) controls the global carbon cycle – climate feedback and, yet, is poorly simulated by the current Earth System Models (ESMs). In this study, by assessing apparent carbon turnover time as the ratio between carbon stocks and fluxes, we provide a new, updated ensemble of diagnostic terrestrial carbon turnover times and associated uncertainties on a global scale using multiple, state-of-the-art, observation-based datasets of soil organic carbon stock (Csoil), vegetation biomass (Cveg) and gross primary productivity (GPP). Using this new ensemble, we estimated the global average τ to be 42$% &' years when the full soil depth is considered, longer than the previous estimates of 23$) &* years. Only considering the top 1 m (assuming maximum active layer depth is up to 1 meter) of soil carbon in circumpolar regions yields a global τ of 35$) &' years. Csoil in circumpolar regions account for two thirds of the total uncertainty in global τ estimates, whereas Csoil in non-circumpolar contributes merely 9.38%. GPP (2.25%) and Cveg (0.05%) contribute even less to the total uncertainty. Therefore, the high uncertainty in Csoil is the main factor behind the uncertainty in global τ, as reflected in the larger range of full-depth Csoil (3152-4372 PgC). The uncertainty is especially high in circumpolar regions with a behaviour of ESMs which could contribute to uncertainty reductions in future projections of the carbon cycle - climate feedback. The dataset of the terrestrial turnover time ensemble (DOI: 10.17871/bgitau.201911) is openly available from the data portal: https://doi.org/10.17871/bgitau.201911 (Fan et al., 2019) uncertainty of 50% and the spatial correlations among different datasets are also low compared to other regions. Overall, we argue that current global datasets do not support robust estimates of τ globally, for which we need clarification on variations of Csoil with soil depth and stronger estimates of Csoil in circumpolar regions. Despite the large variation in both magnitude and spatial patterns of τ, we identified robust features in the spatial patterns of τ that emerge regardless of soil depth and differences in data sources of Csoil, Cveg and GPP. Our findings show that the latitudinal gradients of τ are consistent across different datasets and soil depth. Furthermore, there is a strong consensus on the negative correlation between τ and temperature along latitude that is stronger in temperate zones (30ºN-60ºN) than in subtropical and tropical zones (30ºS30ºN). The identified robust patterns can be used to infer the response of τ to climate and for constraining contemporaneous behaviour of ESMs which could contribute to uncertainty reductions in future projections of the carbon cycle - climate feedback. The dataset of the terrestrial turnover time ensemble (DOI:10.17871/bgitau.201911) is openly available from the data portal: https://doi.org/10.17871/bgitau.201911 (Fan et al., 2019).
Abstract:
The mid Miocene represents an important target for paleoclimatic study because the atmospheric CO2 concentration ranged from near modern values to ∼800 ppm, while a large, dynamic Antarctic ice sheet was likely to have been present throughout much of this interval. In this special issue, Modestou et al. (2020) (doi.org/10.1029/2020PA003927) reconstruct deep ocean warmth based on the clumped isotopic composition of benthic foraminifera, a technique that allows the ice volume and thermal components of the benthic oxygen isotope stack to be separated. These data reveal a very warm deep ocean while simultaneously suggesting that continental ice volume may, at times, have been greater than today. Here, I review these results in the context of recent developments in geochemical proxies and ice sheet modeling, and explore how the presence of a large Miocene ice sheet could be reconciled with CO2 at least as high as present. More broadly, I argue that many of the 'paradoxes' that pepper the paleoclimate literature result as much from our imperfect understanding of the proxies, as from our understanding of the climate system. Robust proxies with a well-understood mechanistic basis, as employed by Modestou et al. (2020), as well as advances in model-data comparability usher in a new era of palaeoclimate research; an exciting future of untangling Earth's myriad past climate states awaits.
Plain Language Summary:
Reconstructing climate variation in Earth's geologic past informs us of the broad features of warm climates, which is relevant to preparing for climate change over the coming centuries. Moreover, these data can be compared to state-of-the-art climate models, which provides a test of the degree to which our models can reproduce warm climate states. A paper recently published in this journal applies a new method in order to reconstruct the temperature of the deep ocean in the middle Miocene (between 17 and 12 million years ago), when the atmospheric CO2 concentration was naturally similar to or higher than it is today. Coupled with decades of previous study, these exciting results depict an unfamiliar world characterized by a warm deep ocean, and yet a large ice sheet was present on Antarctica. Both models and data agree that the Antarctic ice sheet in the Miocene was highly responsive to changes in the atmospheric CO2 concentration, a clear cause of concern in the context of ongoing anthropogenic climate change.
Dargestellt werden die Veränderungen eines Podsol-Braunerde-Standortes unter Wald hinsichtlich der Bodeneigenschaften und Vegetation nach ca. 20jähriger Verregnungvon Abwässern einer Stärkefabrik. Bei den chemischen Bodenparametern zeigten sich als Folge der Abwasserverregnung in sich schlüssige und z. T. extreme Auswirkungen auf die Acidität, die Kationengehalte, di~ Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorvorräte sowie die Mineralisationsdynamik. Die Überdüngung und Eutrophierung des Standortes wurde außerdem durch Vegetationsaufnahmen, die Auswertung ihrer mittleren ökologischen Zeigerwerte sowie Vegetationsanalysen belegt. Die hier beobachteten Folgewirkungen der Abwasserverregnung im Wald als auch die Auswertung entsprechender Berichte aus der Literatur lassen die Verwendung von Waldflächen zur Abwasserbeseitigung grundsätzlich bedenklich erscheinen.
On the observation of mesospheric air inside the arctic stratospheric polar vortex in early 2003
(2005)
During several balloon flights inside the Arctic polar vortex in early 2003, unusual trace gas distributions were observed, which indicate a strong influence of mesospheric air in the stratosphere. The tuneable diode laser (TDL) instrument SPIRALE (Spectroscopie InFrarouge par Absorption de Lasers Embarqués) measured unusually high CO values (up to 600 ppb) on 27 January at about 30 km altitude. The cryosampler BONBON sampled air masses with very high molecular Hydrogen, extremely low SF6 and enhanced CO values on 6 March at about 25 km altitude. Finally, the MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) Fourier Transform Infra-Red (FTIR) spectrometer showed NOy values which are significantly higher than NOy* (the NOy derived from a correlation between N2O and NOy under undisturbed conditions), on 21 and 22 March in a layer centred at 22 km altitude. Thus, the mesospheric air seems to have been present in a layer descending from about 30 km in late January to 25 km altitude in early March and about 22 km altitude on 20 March. We present corroborating evidence from a model study using the KASIMA (KArlsruhe Simulation model of the Middle Atmosphere) model that also shows a layer of mesospheric air, which descended into the stratosphere in November and early December 2002, before the minor warming which occurred in late December 2002 lead to a descent of upper stratospheric air, cutting of a layer in which mesospheric air is present. This layer then descended inside the vortex over the course of the winter. The same feature is found in trajectory calculations, based on a large number of trajectories started in the vicinity of the observations on 6 March. Based on the difference between the mean age derived from SF6 (which has an irreversible mesospheric loss) and from CO2 (whose mesospheric loss is much smaller and reversible) we estimate that the fraction of mesospheric air in the layer observed on 6 March, must have been somewhere between 35% and 100%.
During several balloon flights inside the Arctic polar vortex in early 2003, unusual trace gas distributions were observed, which indicate a strong influence of mesospheric air in the stratosphere. The tuneable diode laser (TDL) instrument SPIRALE (Spectroscopie InFrarouge par Absorption de Lasers Embarqués) measured unusually high CO values (up to 600 ppb) on 27 January at about 30 km altitude. The cryosampler BONBON sampled air masses with very high molecular Hydrogen, extremely low SF6 and enhanced CO values on 6 March at about 25 km altitude. Finally, the MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) Fourier Transform Infra-Red (FTIR) spectrometer showed NOy values which are significantly higher than NOy* (the NOy derived from a correlation between N2O and NOy under undisturbed conditions), on 21 and 22 March in a layer centred at 22 km altitude. Thus, the mesospheric air seems to have been present in a layer descending from about 30 km in late January to 25 km altitude in early March and about 22 km altitude on 20 March. We present corroborating evidence from a model study using the KASIMA (KArlsruhe Simulation model of the Middle Atmosphere) model that also shows a layer of mesospheric air, which descended into the stratosphere in November and early December 2002, before the minor warming which occurred in late December 2002 lead to a descent of upper stratospheric air, cutting of a layer in which mesospheric air is present. This layer then descended inside the vortex over the course of the winter. The same feature is found in trajectory calculations, based on a large number of trajectories started in the vicinity of the observations on 6 March. Based on the difference between the mean age derived from SF6 (which has an irreversible mesospheric loss) and from CO2 (whose mesospheric loss is much smaller and reversible) we estimate that the fraction of mesospheric air in the layer observed on 6 March, must have been somewhere between 35% and 100%.
Mean age of stratospheric air can be derived from observations of sufficiently long lived trace gases with approximately linear trends in the troposphere. Mean age can serve as a tracer to investigate stratospheric transport and long term changes in the strength of the overturning Brewer-Dobson circulation of the stratosphere. For this purpose, a low-cost method is required in order to allow for regular observations up to altitudes of about 30 km. Despite the desired low costs, high precision and accuracy are required in order to allow determination of mean age. We present balloon borne AirCore observations from two mid latitude sites: Timmins in Ontario/Canada and Lindenberg in Germany. During the Timmins campaign five AirCores sampled air in parallel from a large stratospheric balloon and were analysed for CO2, CH4 and partly CO. We show that there is good agreement between the different AirCores (better than 0.1 %) especially when vertical gradients are small. The measurements from Lindenberg were performed using small low-cost balloons and yielded very comparable results. We have used the observations to extend our long term data set of mean age observations at Northern Hemi-sphere mid latitudes. The time series now covers more than 40 years and shows a small, statis-tically not significant positive trend of 0.15 ± 0.18 years/decade. This trend is slightly smaller than the previous estimate of 0.24 ± 0.22 years/decade which was based on observations up to the year 2006. These observations are still in contrast to strong negative trends of mean age as derived from some model calculations.
Mean age of stratospheric air can be derived from observations of sufficiently long-lived trace gases with approximately linear trends in the troposphere. Mean age can serve as a tracer to investigate stratospheric transport and long-term changes in the strength of the overturning Brewer–Dobson circulation of the stratosphere. For this purpose, a low-cost method is required in order to allow for regular observations up to altitudes of about 30 km. Despite the desired low costs, high precision and accuracy are required in order to determine mean age. We present balloon-borne AirCore observations from two midlatitude sites: Timmins in Ontario/Canada and Lindenberg in Germany. During the Timmins campaign, five AirCores sampled air in parallel with a large stratospheric balloon and were analysed for CO2, CH4 and partly CO. We show that there is good agreement between the different AirCores (better than 0.1 %), especially when vertical gradients are small. The measurements from Lindenberg were performed using small low-cost balloons and yielded very comparable results. We have used the observations to extend our long-term data set of mean age observations at Northern Hemisphere midlatitudes. The time series now covers more than 40 years and shows a small, statistically non-significant positive trend of 0.15 ± 0.18 years decade−1. This trend is slightly smaller than the previous estimate of 0.24 ± 0.22 years decade−1 which was based on observations up to the year 2006. These observations are still in contrast to strong negative trends of mean age as derived from some model calculations.
MIPAS-Envisat is a satellite-borne sensor which measured vertical profiles of a wide range of trace gases from 2002 to 2012 using IR emission spectroscopy. We present geophysical validation of the MIPAS-Envisat operational retrieval (version 6.0) of N2O, CH4, CFC-12, and CFC-11 by the European Space Agency (ESA). The geophysical validation data are derived from measurements of samples collected by a cryogenic whole air sampler flown to altitudes of up to 34 km by means of large scientific balloons. In order to increase the number of coincidences between the satellite and the balloon observations, we applied a trajectory matching technique. The results are presented for different time periods due to a change in the spectroscopic resolution of MIPAS in early 2005. Retrieval results for N2O, CH4, and CFC-12 show partly good agreement for some altitude regions, which differs for the periods with different spectroscopic resolution. The more recent low spectroscopic resolution data above 20 km altitude show agreement with the combined uncertainties, while there is a tendency of the earlier high spectral resolution data set to underestimate these species above 25 km. The earlier high spectral resolution data show a significant overestimation of the mixing ratios for N2O, CH4, and CFC-12 below 20 km. These differences need to be considered when using these data. The CFC-11 results from the operation retrieval version 6.0 cannot be recommended for scientific studies due to a systematic overestimation of the CFC-11 mixing ratios at all altitudes.
MIPAS-Envisat is a satellite-borne sensor which measured vertical profiles of a wide range of trace gases from 2002 to 2012 using IR emission spectroscopy. We present geophysical validation of the MIPAS-Envisat operational retrieval (version 6.0) of N2O, CH4, CFC-12, and CFC-11 by the European Space Agency (ESA). The geophysical validation data are derived from measurements of samples collected by a cryogenic whole air sampler flown to altitudes of up to 34 km by means of large scientific balloons. In order to increase the number of coincidences between the satellite and the balloon observations, we applied a trajectory matching technique. The results are presented for different time periods due to a change in the spectroscopic resolution of MIPAS in early 2005. Retrieval results for N2O, CH4, and CFC-12 show partly good agreement for some altitude regions, which differs for the periods with different spectroscopic resolution. The more recent low spectroscopic resolution data above 20 km altitude show agreement with the combined uncertainties, while there is a tendency of the earlier high spectral resolution data set to underestimate these species above 25 km. The earlier high spectral resolution data show a significant overestimation of the mixing ratios for N2O, CH4, and CFC-12 below 20 km. These differences need to be considered when using these data. The CFC-11 results from the operation retrieval version 6.0 cannot be recommended for scientific studies due to a systematic overestimation of the CFC-11 mixing ratios at all altitudes.
Chlorine and bromine atoms lead to catalytic depletion of ozone in the stratosphere. Therefore the use and production of ozone-depleting substances (ODSs) containing chlorine and bromine is regulated by the Montreal Protocol to protect the ozone layer. Equivalent effective stratospheric chlorine (EESC) has been adopted as an appropriate metric to describe the combined effects of chlorine and bromine released from halocarbons on stratospheric ozone. Here we revisit the concept of calculating EESC. We derive a refined formulation of EESC based on an advanced concept of ODS propagation into the stratosphere and reactive halogen release. A new transit time distribution is introduced in which the age spectrum for an inert tracer is weighted with the release function for inorganic halogen from the source gases. This distribution is termed the release time distribution. We show that a much better agreement with inorganic halogen loading from the chemistry transport model TOMCAT is achieved compared with using the current formulation. The refined formulation shows EESC levels in the year 1980 for the mid-latitude lower stratosphere, which are significantly lower than previously calculated. The year 1980 is commonly used as a benchmark to which EESC must return in order to reach significant progress towards halogen and ozone recovery. Assuming that – under otherwise unchanged conditions – the EESC value must return to the same level in order for ozone to fully recover, we show that it will take more than 10 years longer than estimated in this region of the stratosphere with the current method for calculation of EESC. We also present a range of sensitivity studies to investigate the effect of changes and uncertainties in the fractional release factors and in the assumptions on the shape of the release time distributions. We further discuss the value of EESC as a proxy for future evolution of inorganic halogen loading under changing atmospheric dynamics using simulations from the EMAC model. We show that while the expected changes in stratospheric transport lead to significant differences between EESC and modelled inorganic halogen loading at constant mean age, EESC is a reasonable proxy for modelled inorganic halogen on a constant pressure level.
Chlorine and bromine atoms can lead to catalytic destruction of ozone in the stratosphere. Therefore the use and production of ozone depleting substances (ODS) containing chlorine and bromine is regulated by the Montreal Protocol to protect the ozone layer. Equivalent Effective Stratospheric Chlorine (EESC) has been adapted as an appropriate metric to describe the combined effects of chlorine and bromine released from halocarbons on stratospheric ozone. Here we revisit the concept of calculating EESC. We derive a new formulation of EESC based on an advanced concept of ODS propagation into the stratosphere and reactive halogen release. A new transit time distribution is introduced in which the age spectrum for an inert tracer is weighted with the release function for inorganic halogen from the source gases. This distribution is termed the “release time distribution”. The improved formulation shows that EESC levels in the year 1980 for the mid latitude lower stratosphere were significantly lower than previously calculated. 1980 marks the year commonly defined as the onset of anthropogenic ozone depletion in the stratosphere. Assuming that the EESC value must return to the same level in order for ozone to fully recover, we show that it will take more than 10 years longer than currently assumed in this region of the stratosphere. Based on the improved formulation, EESC level at mid-latitudes will reach this landmark only in 2060. We also present a range of sensitivity studies to investigate the effect of changes and uncertainties in the fractional release factors and in the assumptions on the shape of the release time distributions. We conclude that, under the assumptions that all other atmospheric parameters like stratospheric dynamics and chemistry are unchanged, the recovery of mid latitude stratospheric ozone would be expected to be delayed by about a 10 years, in a similar way as EESC.
During SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion, trace gas transport in the tropopause region) we performed measurements of a wide range of trace gases with different lifetimes and sink/source characteristics in the northern hemispheric upper troposphere (UT) and lowermost stratosphere (LMS). A large number of in-situ instruments were deployed on board a Learjet 35A, flying at altitudes up to 13.7 km, at times reaching to nearly 380 K potential temperature. Eight measurement campaigns (consisting of a total of 36 flights), distributed over all seasons and typically covering latitudes between 35° N and 75° N in the European longitude sector (10° W–20° E), were performed. Here we present an overview of the project, describing the instrumentation, the encountered meteorological situations during the campaigns and the data set available from SPURT. Measurements were obtained for N2O, CH4, CO, CO2, CFC12, H2, SF6, NO, NOy, O3 and H2O. We illustrate the strength of this new data set by showing mean distributions of the mixing ratios of selected trace gases, using a potential temperature – equivalent latitude coordinate system. The observations reveal that the LMS is most stratospheric in character during spring, with the highest mixing ratios of O3 and NOy and the lowest mixing ratios of N2O and SF6. The lowest mixing ratios of NOy and O3 are observed during autumn, together with the highest mixing ratios of N2O and SF6 indicating a strong tropospheric influence. For H2O, however, the maximum concentrations in the LMS are found during summer, suggesting unique (temperature- and convection-controlled) conditions for this molecule during transport across the tropopause. The SPURT data set is presently the most accurate and complete data set for many trace species in the LMS, and its main value is the simultaneous measurement of a suite of trace gases having different lifetimes and physical-chemical histories. It is thus very well suited for studies of atmospheric transport, for model validation, and for investigations of seasonal changes in the UT/LMS, as demonstrated in accompanying and elsewhere published studies.
During SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion, trace gas transport in the tropopause region) we performed measurements of a wide range of trace gases with different lifetimes and sink/source characteristics in the northern hemispheric upper troposphere (UT) and lowermost stratosphere (LMS). A large number of in-situ instruments were deployed on board a Learjet 35A, flying at altitudes up to 13.7 km, at times reaching to nearly 380 K potential temperature. Eight measurement campaigns (consisting of a total of 36 flights), distributed over all seasons and typically covering latitudes between 35° N and 75° N in the European longitude sector (10° W–20° E), were performed. Here we present an overview of the project, describing the instrumentation, the encountered meteorological situations during the campaigns and the data set available from SPURT. Measurements were obtained for N2O, CH4, CO, CO2, CFC12, H2, SF6, NO, NOy, O3 and H2O. We illustrate the strength of this new data set by showing mean distributions of the mixing ratios of selected trace gases, using a potential temperature – equivalent latitude coordinate system. The observations reveal that the LMS is most stratospheric in character during spring, with the highest mixing ratios of O3 and NOy and the lowest mixing ratios of N2O and SF6. The lowest mixing ratios of NOy and O3 are observed during autumn, together with the highest mixing ratios of N2O and SF6 indicating a strong tropospheric influence. For H2O, however, the maximum concentrations in the LMS are found during summer, suggesting unique (temperature- and convection-controlled) conditions for this molecule during transport across the tropopause. The SPURT data set is presently the most accurate and complete data set for many trace species in the LMS, and its main value is the simultaneous measurement of a suite of trace gases having different lifetimes and physical-chemical histories. It is thus very well suited for studies of atmospheric transport, for model validation, and for investigations of seasonal changes in the UT/LMS, as demonstrated in accompanying and elsewhere published studies.
Die Freisetzung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) in die Atmosphäre ist seit Inkrafttreten des Montreal-Protokolls zum Schutz der Ozonschicht im Jahr 1987 reglementiert. Aber die ozonzerstörenden Gase sind äußerst langlebig. Sie können erst in der Stratosphäre, also in Höhen oberhalb von etwa zehn Kilometern, durch kurzwelliges, energiereiches Sonnenlicht gespalten werden. Messungen der FCKW und ihrer Ersatzstoffe am Institut für Atmosphäre und Umwelt erlauben es, die Lebenszeiten dieser Substanzen zu bestimmen und damit auch ihr Potenzial, die Ozonschicht zu schädigen und zur Klimaerwärmung beizutragen. Sie stellen einen wichtigen Beitrag zur Klimaforschung dar.
One possible approach to study systematically the influence of the deformation regime on the geometry of geological structures like folds and boudins is analogue modelling. For a complete understanding of the resulting structures, consideration of the third dimension is required. This PhD study deals with scaled analogue modelling under constriction and plane-strain conditions to improve our knowledge of folding and boudinage of lower crustal rocks in space and time. Plasticine is an appropriate analogue material for rocks in the lower crust. Therefore, this material was used for the experiments. The macroscopic behaviour of most types of plasticine is quite similar to rocks undergoing strain-rate softening and strain hardening regardless of the different microscopic aspects of deformation. Therefore, if one is aware that the stress exponent and viscosity increase with increasing strain, the original plasticine types used with stress exponents ranging from 5.8 to 8.0 are adequate for modelling geologic structures. The same holds for plasticine/oil mixtures. Thus, plasticine and plasticine/oil mixtures can be used to model the viscous flow of different rock types in the lower crust. If climb-accommodated dislocation creep and associated steady-state flow is assumed for the natural rocks, the plasticine/oil mixtures should be used, which flow under steady-state conditions. Three different experimental studies of plane-strain coaxial deformation of stiff layers, with viscosity η2 and stress exponent n2, embedded in a weak matrix, with viscosity η1 and stress exponent n1, have been carried out. The undeformed samples (matrix plus layer) were cubes with an edge length of 12 cm. All experimental runs have been carried out at T = 25 ± 1°C and varying strain rates ė, ranging from 7.9 x 10 high -6 s high -1 to 1.7 x 10 high -2 s high -1, until a finite longitudinal strain of 30% – 40% was achieved. The first experimental study improved the understanding about the evolution of folds and boudins when the layer is oriented perpendicular to the Y-axis of the finite strain ellipsoid. The rock analogues used were Beck’s green plasticine (matrix) and Beck’s black plasticine (competent layer), both of which are strain-rate softening modelling materials with stress exponent n = ca. 8. The effective viscosity η of the matrix plasticine was changed by adding different amounts of oil to the original plasticine. At a strain rate ė of 10 high -3 s high -1 and a finite strain e of 10%, the effective viscosity of the matrix ranges from 1.2 x 10 high 6 to 7.2 x 10 high 6 Pa s. The effective viscosity of the competent layer has been determined as 4.2 x 10 high 7 Pa s. If the viscosity ratio is large (> ca. 20) and the initial thickness of the competent layer is small, both folds and boudins develop simultaneously. Although the growth rate of the folds seems to be higher than the growth rate of the boudins, the wavelength of both structures is approximately the same as is suggested by analytical solutions. A further unexpected, but characteristic, aspect of the deformed competent layer is a significant increase in thickness, which can be used to distinguish plane-strain folds and boudins from constrictional folds and boudins. In the second experimental study, the impact of varying strain rates on growing folds and boudins under plane strain have been investigated. The strain rates used range from 7.9 x 10 high -6 s high -1 to 1.7 x 10 high -2 s high -1. The stiff layer and matrix consist of non-linear viscous Kolb grey and Beck’s green plasticine, respectively, both of which are strain-rate softening modelling materials with power law exponents (n) and apparent viscosities (η) ranging from 6.5 to 7.9 and 8.5 x 10 high 6 to 7.2 x 10 high 6 Pa s, respectively. The effective viscosity (η) of the matrix plasticine was partly modified by adding oil to the original plasticine. At the strain rates used in the experiments the viscosity ratio between layer and matrix ranges between 3 and 10. Different runs have been carried out where the layer was oriented perpendicular to the principal strain axes (X>Y>Z). The results suggest a considerable influence of the strain rate on the geometry of the deformed stiff layer including its thickness. This holds for every type of layer orientation (S ┴ X, S ┴ Y, S ┴ Z). If the stiff layer is oriented perpendicular to the short axis Z of the finite strain ellipsoid, the number of the resulting boudins and the thickness of the stiff layer increase, whereas the length of boudins decreases with increasing strain rate. If the stiff layer is oriented perpendicular to the long axis, X, of the finite strain ellipsoid, enlargement of the strain rate results in increasing wavelength of folds, whereas the number of folds and the degree of thickening of the stiff layer decreased. If the stiff layer is oriented perpendicular to the intermediate Y-axis of the finite strain ellipsoid enlargement of the strain rate results in a decreasing number of boudins and folds associated with increasing wavelengths of both structures. The wavelength of folds is approximately half of the boudins wavelength. This is true for the case where folds and boudins develop simultaneously (S ┴ Y) and for cases where both structures develop independently (folds at S ┴ X and boudins at S ┴ Z). In the third experimental study, scaled analogue experiments have been carried out to demonstrate the growth of plane-strain folds and boudins through space and time. Previous 3D-studies are based only on finite deformation structures. Their results can therefore not be used to prove if both structures grew simultaneously or in sequence. Plane strain acted on a single stiff layer that was embedded in a weak matrix, with the layer oriented perpendicular to the intermediate Y-axis of the finite strain ellipsoid. Two different experimental runs have been carried out using computer tomography (CT) to analyse the results. The first run was carried out without interruption. During the second run, the deformation was stopped in each case at longitudinal strain increments of 10%. Every experiment was carried out at a temperature T of 25°C and a strain rate, ė, of ca. 4 x 10 high -3 s high -1 until a finite longitudinal strain of 40% was achieved with a viscosity contrast m of 18.6 between the non-linear viscous layer (Kolb brown plasticine) and the matrix (Beck’s green plasticine with 150 ml oil kg high -1). The apparent viscosity, η, and the stress exponent, n, for the layer at a strain rate ė = ca. 10 high -3 s high -1 and a finite strain e = 10% are 2.23 x 10 high 7 Pa s and n = 5.8 and for the matrix 1.2 x 10 high 6 Pa s and 10.5. These new data that result from incremental analogue modelling corroborate previous suggestions that folds and boudins are coeval structures in cases of plane-strain coaxial deformation with the stiff layer oriented perpendicular to the intermediate Y-axis of the finite strain ellipsoid. They will be of interest for all workers who are dealing with plane-strain boudins and folds, where the fold axes are parallel to the major axis (X) of the finite strain ellipsoid. As has been demonstrated by the first experimental study, coeval folding and boudinage under plane strain, with S ┴ Y, are associated with a significant increase in the thickness of the competent layer. The latter phenomenon does not occur in other cases of simultaneous folding and boudinage, such as bulk pure constriction. To study the impact of layer thickness on the geometry of folds and boudins under pure constriction, we carried out additional experiments using different types of plasticine for a stiff layer and a weaker matrix to model folding and boudinaging under pure constriction, with the initially planar layer oriented parallel to the Xaxis of the finite strain ellipsoid. The stiff layer and matrix consist of non-linear viscous Kolb brown and Beck’s green plasticine, respectively, both of which are strain-rate softening modelling materials. Six runs have been carried out using thicknesses of the stiff layer of 1, 2, 4, 6, 8 and 10 ± 0.2 mm. All experimental runs were carried out at a temperature T of 30 ± 2°C and a strain rate, ė, of ca. 1.1 x 10 high -4 s high -1 until a finite longitudinal strain of 40% was achieved with a viscosity contrast m of 3.1 between the stiff layer (Kolb brown plasticine) and the matrix (Beck’s green plasticine). The apparent viscosity, η, and the stress exponent, n, for the layer at a strain rate ė = ca. 10 high -3 s high -1 and a finite strain e = 10% are 2.23 x 10 high 7 Pa s and n = 5.8 and for the matrix 7.2 x 10 high 6 Pa s and 7.9. Our results suggest a considerable influence of the initial thickness of the stiff layer on the geometry of the deformed stiff layer. There is no evidence for folding in XY=XZ-sections if the initial thickness of the competent layer is larger than ca. 8 mm. If the initial thickness of the competent layer is set at ca. 10 ± 0.2 mm, both folds and boudins develop simultaneously. However, the growth rate of the boudins seems to be higher than the growth rate of the folds. A further expected, but characteristic, aspect of the deformed competent layer is no change in thickness of the competent layer, which can be used to distinguish plane-strain folds and boudins from constrictional folds and boudins. The model results are important for the analysis and interpretation of deformation structures in rheologically stratified rocks undergoing dislocation creep under bulk constriction. Tectonic settings where constrictional folds and boudins may develop simultaneously are stems of salt diapirs, subduction zones or thermal plumes. To make (paleo) viscosimetric statements possible, the rheological data of the different plasticine types were related to the geometrical data. When comparing the normalized dominant wavelength Wd obtained from the deformed layer of the models with the theoretical dominant wavelength (Ld) calculated using the Smith equation (1977, 1979), the latter probably also holds when folding and boudinage develop simultaneously (S ┴ Y) and when boudins develop independently (S ┴ Z), but can obviously not be applied at very low viscosity ratios as is indicated by the low-strain-rate experiments.
Die METEOR-Fahrt 71 umfasst 3 biologisch und biogeochemisch orientierte Fahrtabschnitte mit insgesamt 50 Schiffstagen im östlichen Mittelmeer und hat folgende Ziele: Der Abschnitt METEOR 71-1 dient der physikalischen, biogeochemischen und biologischen Probengewinnung im Bereich der Anaximander Mountains. Es gibt nur einige wenige Seeberge im östlichen Mittelmeeres, die weitgehend isoliert vom übrigen Ozean sind und in einer Region liegen, die sich durch ein im Vergleich zum Weltozean sehr warmes Tiefenwasser von rund 14 °C auszeichnet. Hauptziel der Untersuchungen an einem Gipfel der Anaximander Mountains ist die Beantwortung der Frage, ob sich ein Seeberg-Ökosystem in einer oligotrophen Region mit warmen Tiefenwasser in Bezug auf seinen Einfluß auf das umgebende Strömungs- und Nährstoffregime, die Produktivität und Verteilung der Nahrungsketten, sowie in Bezug auf die Größe der „Sphere of interference“, das heißt dem Einflußbereich des Seamounts auf den umgebenden Wasserkörper, ähnlich verhält wie entsprechende Erhebungen im Nordostatlantik. Die Expedition METEOR 71-2 beschäftigt sich mit der Biodiversität in der Tiefsee des östlichen Mittelmeeres und ihren Steuerungsfaktoren (Tiefe, Küstenabstand, Nahrungsverfügbarkeit). Zum einen geht es um eine möglichst vollständige Erfassung der Artenzusammensetzung in zwei Referenzregionen durch Vielfachbeprobung an der selben Stelle, zum anderen um die Unterschiede des Arteninventars und des Artenreichtums in Abhängigkeit von der Tiefe und vom Küstenabstand. Die Arbeitsgebiete von jeweils 17 sm x 5 sm sind das Ierapetra-Becken südlich Kreta. (> 4000m Tiefe) und ein Gebiet der gleichen Größe weiter südlich (2800 m Tiefe doppelter Abstand zur Küste).Die Untersuchungen berücksichtigen alle Grössenklassen des Benthos (Mega-, Macro-, Meiound Nanofauna), um Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Abhängigkeit der Biodiversität von Ökofaktoren zu erkennen. Damit sollen die Struktur und die Funktion der Lebensgemeinschaften am äußerst oligotrophen Tiefseeboden des levantinischen Beckens besser und detaillierter verstanden werden. Arbeiten der Expedition METEOR 71-3 zielen auf die Klärung der Frage, ob im heutigen Mittelmeer Phosphatverlust und unvollständige Nitratnutzung, oder Stickstoff-Fixierung im ultraoligotrophen östlichen Mittelmeer für isotopisch abgereicherte d15N Signaturen von Sedimenten und Schwebstoffen verantwortlich sind. Ein Nebenziel ist die Gewinnung zusätzlicher Oberflächensedimente, um die Datenbasis für Eichungen des UK´37-Index und Abschätzung der Nährstoffakkumulationsraten in Sedimenten im Mittelmeers zu verbessern. Dazu werden auf Schnitten durch das östliche Mittelmeer Nährstoffprofile beprobt, Proben für Messungen der 15N/14N-Verhältnisse in Nitrat, gelöstem organischem Stickstoff, in Sinkstoffen und Oberflächensedimenten gewonnen, Untersuchungen des Phytoplanktons sowie Messungen von N2-Fixierungsraten durchgeführt. Weiter werden molekulare Techniken eingesetzt, um das Vorhandensein und die Transkription der nifH-Gene für das Nitrogenase-Enzym diazotropher Organismen zu überprüfen. Die Methoden zielen auf das nifHGen und seine Transkripte und geben Aufschluss über das Potential für Stickstofffixierung. Die Ergebnisse werden zeigen, ob das Gen aktiv in der Plankton-Gemeinschaft transkribiert wird. Ferne wird mit der DNA Sequenzanalyse neben der Anwesenheit auch die Diversität der diazotrophen Organismen etabliert. Schließlich wird im Verlauf der Fahrt an einer Station im Rhodos-Becken eine Sedimentfalle ausgebracht.
We present the first 3-D model of seismic P and S velocities in the crust and uppermost mantle beneath the Gulf of Aqaba and surrounding areas based on the results of passive travel time tomography. The tomographic inversion was performed based on travel time data from ∼ 9000 regional earthquakes provided by the Egyptian National Seismological Network (ENSN), and this was complemented with data from the International Seismological Centre (ISC). The resulting P and S velocity patterns were generally consistent with each other at all depths. Beneath the northern part of the Red Sea, we observed a strong high-velocity anomaly with abrupt limits that coincide with the coastal lines. This finding may indicate the oceanic nature of the crust in the Red Sea, and it does not support the concept of gradual stretching of the continental crust. According to our results, in the middle and lower crust, the seismic anomalies beneath the Gulf of Aqaba seem to delineate a sinistral shift (∼ 100 km) in the opposite flanks of the fault zone, which is consistent with other estimates of the left-lateral displacement in the southern part of the Dead Sea Transform fault. However, no displacement structures were visible in the uppermost lithospheric mantle.