@phdthesis{Zaehle2005,
  author    = {Zaehle, S{\"o}nke},
  title     = {Process-based simulation of the terrestrial biosphere : an evaluation of present-day and future terrestrial carbon balance estimates and their uncertainty},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-5263},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2005},
  abstract  = {At present, carbon sequestration in terrestrial ecosystems slows the growth rate of atmospheric CO2 concentrations, and thereby reduces the impact of anthropogenic fossil fuel emissions on the climate system. Changes in climate and land use affect terrestrial biosphere structure and functioning at present, and will likely impact on the terrestrial carbon balance during the coming decades - potentially providing a positive feedback to the climate system due to soil carbon releases under a warmer climate. Quantifying changes, and the associated uncertainties, in regional terrestrial carbon budgets resulting from these effects is relevant for the scientific understanding of the Earth system and for long-term climate mitigation strategies. A model describing the relevant processes that govern the terrestrial carbon cycle is a necessary tool to project regional carbon budgets into the future. This study (1) provides an extensive evaluation of the parameter-based uncertainty in model results of a leading terrestrial biosphere model, the Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model (LPJ-DGVM), against a range of observations and under climate change, thereby complementing existing studies on other aspects of model uncertainty; (2) evaluates different hypotheses to explain the age-related decline in forest growth, both from theoretical and experimental evidence, and introduces the most promising hypothesis into the model; (3) demonstrates how forest statistics can be successfully integrated with process-based modelling to provide long-term constraints on regional-scale forest carbon budget estimates for a European forest case-study; and (4) elucidates the combined effects of land-use and climate changes on the present-day and future terrestrial carbon balance over Europe for four illustrative scenarios - implemented by four general circulation models - using a comprehensive description of different land-use types within the framework of LPJ-DGVM. This study presents a way to assess and reduce uncertainty in process-based terrestrial carbon estimates on a regional scale. The results of this study demonstrate that simulated present-day land-atmosphere carbon fluxes are relatively well constrained, despite considerable uncertainty in modelled net primary production. Process-based terrestrial modelling and forest statistics are successfully combined to improve model-based estimates of vegetation carbon stocks and their change over time. Application of the advanced model for 77 European provinces shows that model-based estimates of biomass development with stand age compare favourably with forest inventory-based estimates for different tree species. Driven by historic changes in climate, atmospheric CO2 concentration, forest area and wood demand between 1948 and 2000, the model predicts European-scale, present-day age structure of forests, ratio of biomass removals to increment, and vegetation carbon sequestration rates that are consistent with inventory-based estimates. Alternative scenarios of climate and land-use change in the 21<sup>st century suggest carbon sequestration in the European terrestrial biosphere during the coming decades will likely be on magnitudes relevant to climate mitigation strategies. However, the uptake rates are small in comparison to the European emissions from fossil fuel combustion, and will likely decline towards the end of the century. Uncertainty in climate change projections is a key driver for uncertainty in simulated land-atmosphere carbon fluxes and needs to be accounted for in mitigation studies of the terrestrial biosphere.},
  subject      = {Terrestrische {\"O}kologie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Wriedt2004,
  author    = {Wriedt, Gunter},
  title     = {Modelling of nitrogen transport and turnover during soil and groundwater passage in a small lowland catchment of Northern Germany},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0001307},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2004},
  abstract  = {Stoffumsatzreaktionen und hydraulische Prozesse im Boden und Grundwasser k{\"o}nnen in Tieflandeinzugsgebieten zu einer Nitratretention f{\"u}hren. Die Untersuchung dieser Prozesse in Raum und Zeit kann mit Hilfe geeigneter Modelle erfolgen. Ziele dieser Arbeit sind: i) die Entwicklung eines geeigneten Modellansatzes durch Kombination von Teilmodellen zur Simulation des N-Transportes im Boden und Grundwasser von Tieflandeinzugsgebieten und ii) die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Gebietseigenschaften und N-Transport unter besonderer Ber{\"u}cksichtigung der potentiellen N-Zufuhr in die Oberfl{\"a}chengew{\"a}sser. Der Modellansatz basiert auf der Kombination verschiedener Teilmodelle: das Bodenwasser- und -stickstoffmodell mRISK-N, das Grundwassermodell MODFLOW und das Stofftransportmodell RT3D. Zur Untersuchung der Wechselwirkungen mit den Gebietseigenschaften muss die Verteilung und Verf{\"u}gbarkeit von Reaktionspartnern ber{\"u}cksichtigt werden. Dazu wurde ein Reaktionsmodul entwickelt, welches chemische Prozesse im Grundwasser simuliert. Hierzu geh{\"o}ren die Mineralisation organischer Substanz durch Sauerstoff, Nitrat und Sulfat sowie die Pyritoxidation durch Sauerstoff und Nitrat. Der Modellansatz wurde in verschiedenen Einzelstudien angewandt, wobei jeweils bestimmte Teilmodelle im Vordergrund stehen. Alle Modellstudien basieren auf Daten aus dem Schaugrabeneinzugsgebiet (ca. 25 km\&\#178;), in der N{\"a}he von Osterburg(Altmark) im Norden Sachsen-Anhalts. Die folgenden Einzelstudien wurden durchgef{\"u}hrt: i) Evaluation des Bodenmodells anhand von Lysimeterdaten, ii) Modellierung eines Tracerexperimentes im Feldmaßstab als eine erste Anwendung des Reaktionsmoduls, iii) Untersuchung hydraulisch-chemischer Wechselwirkungen an einem 2D-Grundwassertransekt, iv) Fl{\"a}chenverteilte Modellierung von Grundwasserneubildung und Bodenstickstoffaustrag im Untersuchungsgebiet als Eingangsdaten f{\"u}r nachfolgende Grundwassersimulationen, und v) Untersuchung der Ausbreitung von Nitrat im Grundwasser und des Durchbruchs in die Oberfl{\"a}chengew{\"a}sser im Untersuchungsgebiet auf Basis einer 3D-Modellierung von Grundwasserstr{\"o}mung und reaktivem Stofftransport. Die Modellstudien zeigen, dass der Modellansatz geeignet ist, die Wechselwirkungen zwischen Stofftransport und \&ndash;umsatz und den hydraulisch-chemischen Gebietseigenschaften zu modellieren. Die Ausbreitung von Nitrat im Sediment wird wesentlich von der Verf{\"u}gbarkeit reaktiver Substanzen sowie der Verweilzeit im Grundwasserleiter bestimmt. Bei der Simulation des Untersuchungsgebietes wurde erst nach 70 Jahren eine der gegebenen Eintragssitutation entsprechende Nitratkonzentration im Grundwasserzustrom zum Grabensystem erreicht (konservativer Transport). Die Ber{\"u}cksichtigung von reaktivem Stofftransport f{\"u}hrt zu einer deutlichen Reduktion der Nitratkonzentrationen. Die Modellergebnisse zeigen, dass der Grundwasserzustrom die beobachtete Nitratbelastung im Grabensystem nicht erkl{\"a}ren kann, da der Großteil des Nitrates durch Denitrifikation verloren geht. Andere Quellen, wie direkte Eintr{\"a}ge oder Dr{\"a}nagenzufl{\"u}sse m{\"u}ssen ebenfalls in Betracht gezogen werden. Die Prognosef{\"a}higkeit des Modells f{\"u}r das Untersuchungsgebiet wird durch die Datenunsicherheiten und die Sch{\"a}tzung der Modellparameter eingeschr{\"a}nkt. Dennoch ist der Modellansatz eine wertvolle Hilfe bei der Identifizierung von belastungsrelevanten Teilfl{\"a}chen (Stoffquellen und -senken) sowie bei der Modellierung der Auswirkungen von Managementmaßnahmen oder Landnutzungsver{\"a}nderungen auf Grundlage von Szenario-Simulationen. Der Modellansatz unterst{\"u}tzt auch die Interpretation von Beobachtungsdaten, da so die lokalen Informationen in einen r{\"a}umlichen und zeitlichen Zusammenhang gestellt werden k{\"o}nnen.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Wagner2004,
  author    = {Wagner, Anja},
  title     = {Konzeption und Aufbau eines Geoinformationssystems zur Modellierung und Simulation von Offenlandschaften},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0001411},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2004},
  abstract  = {Zwischen 1990 und 1994 wurden rund 1000 Liegenschaften, die in der ehemaligen DDR von der Sowjetarmee und der NVA f{\"u}r milit{\"a}rische {\"U}bungen genutzt wurden, an Bund und L{\"a}nder {\"u}bergeben. Die gr{\"o}ßten Truppen{\"u}bungspl{\"a}tze liegen in Brandenburg und sind heute teilweise in Großschutzgebiete integriert, andere Pl{\"a}tze werden von der Bundeswehr weiterhin aktiv genutzt. Aufgrund des milit{\"a}rischen Betriebs sind die B{\"o}den dieser Truppen{\"u}bungspl{\"a}tze oft durch Blindg{\"a}nger, Munitionsreste, Treibstoff- und Schmier{\"o}lreste bis hin zu chemischen Kampfstoffen belastet. Allerdings existieren auf fast allen Liegenschaften neben diesen durch Munition und milit{\"a}rische {\"U}bungen belasteten Bereichen auch naturschutzfachlich wertvolle Fl{\"a}chen; gerade in den Offenlandbereichen kann dies durchaus mit einer Belastung durch Kampfmittel einhergehen. Charakteristisch f{\"u}r diese offenen Fl{\"a}chen, zu denen u.a. Zwergstrauchheiden, Trockenrasen, w{\"u}sten{\"a}hnliche Sandfl{\"a}chen und andere n{\"a}hrstoffarme baumlose Lebensr{\"a}ume geh{\"o}ren, sind Großfl{\"a}chigkeit, Abgeschiedenheit sowie ihre besondere Nutzung und Bewirtschaftung, d.h. die Abwesenheit von land- und forstwirtschaftlichem Betrieb sowie von Siedlungsfl{\"a}chen. Diese Charakteristik war die Grundlage f{\"u}r die Entwicklung einer speziell angepassten Flora und Fauna. Nach Beendigung des Milit{\"a}rbetriebs setzte dann in weiten Teilen eine großfl{\"a}chige Sukzession \&ndash; die allm{\"a}hliche Ver{\"a}nderung der Zusammensetzung von Pflanzen- und Tiergesellschaften \&ndash; ein, die diese offenen Bereiche teilweise bereits in Wald verwandelte und somit verschwinden ließ. Dies wiederum f{\"u}hrte zum Verlust der an diese Offenlandfl{\"a}chen gebundenen Tier- und Pflanzenarten. Zur Erhaltung, Gestaltung und Entwicklung dieser offenen Fl{\"a}chen wurden daher von einer interdisziplin{\"a}ren Gruppe von Naturwissenschaftlern verschiedene Methoden und Konzepte auf ihre jeweilige Wirksamkeit untersucht. So konnten schließlich die f{\"u}r die jeweiligen Standortbedingungen geeigneten Maßnahmen eingeleitet werden. Voraussetzung f{\"u}r die Einleitung der Maßnahmen sind zum einen Kenntnisse zu diesen jeweiligen Standortbedingungen, d.h. zum Ist-Zustand, sowie zur Entwicklung der Fl{\"a}chen, d.h. zur Dynamik. So kann eine Absch{\"a}tzung {\"u}ber die zuk{\"u}nftige Fl{\"a}chenentwicklung getroffen werden, damit ein effizienter Maßnahmeneinsatz stattfinden kann. Geoinformationssysteme (GIS) spielen dabei eine entscheidende Rolle zur digitalen Dokumentation der Biotop- und Nutzungstypen, da sie die M{\"o}glichkeit bieten, raum- und zeitbezogene Geometrie- und Sachdaten in großen Mengen zu verarbeiten. Daher wurde ein fachspezifisches GIS f{\"u}r Truppen{\"u}bungspl{\"a}tze entwickelt und implementiert. Die Aufgaben umfassten die Konzeption der Datenbank und des Objektmodells sowie fachspezifischer Modellierungs-, Analyse- und Pr{\"a}sentationsfunktionen. F{\"u}r die Integration von Fachdaten in die GIS-Datenbank wurde zudem ein Metadatenkatalog entwickelt, der in Form eines zus{\"a}tzlichen GIS-Tools verf{\"u}gbar ist. Die Basisdaten f{\"u}r das GIS wurden aus Fernerkundungsdaten, topographischen Karten sowie Gel{\"a}ndekartierungen gewonnen. Als Instrument f{\"u}r die Absch{\"a}tzung der zuk{\"u}nftigen Entwicklung wurde das Simulationstool AST4D entwickelt, in dem sowohl die Nutzung der (Raster-)Daten des GIS als Ausgangsdaten f{\"u}r die Simulationen als auch die Nutzung der Simulationsergebnisse im GIS m{\"o}glich ist. Zudem k{\"o}nnen die Daten in AST4D raumbezogen visualisiert werden. Das mathematische Konstrukt f{\"u}r das Tool war ein so genannter Zellul{\"a}rer Automat, mit dem die Fl{\"a}chenentwicklung unter verschiedenen Voraussetzungen simuliert werden kann. So war die Bildung verschiedener Szenarien m{\"o}glich, d.h. die Simulation der Fl{\"a}chenentwicklung mit verschiedenen (bekannten) Eingangsparametern und den daraus resultierenden unterschiedlichen (unbekannten) Endzust{\"a}nden. Vor der Durchf{\"u}hrung einer der drei in AST4D m{\"o}glichen Simulationsstufen k{\"o}nnen angepasst an das jeweilige Untersuchungsgebiet benutzerspezifische Festlegungen getroffen werden.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Voss2005,
  author    = {Voß, Frank},
  title     = {Integrierte Modellierung von Durchflussdynamik und salinarer Stofftransportprozesse unter Ber{\"u}cksichtigung anthropogener Steuerungen am Beispiel der Unstrut},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-6403},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2005},
  abstract  = {Durch die Stilllegung der Kali-Gewinnung und -Produktion zwischen 1990 und 1993 sowie die begonnene Rekultivierung der Kali-R{\"u}ckstandshalden haben sich die Salzfrachteintragsbedingungen f{\"u}r die Fließgwew{\"a}sser im "S{\"u}dharz-Kalirevier" in Th{\"u}ringen zum Teil deutlich ver{\"a}ndert. Aufgrund erheblich geringerer Salzeintr{\"a}ge in die Vorfluter Wipper und Bode ist es m{\"o}glich geworden, zu einer {\"o}kologisch vertr{\"a}glichen Salzfrachtsteuerung {\"u}berzugehen. Die Komplexit{\"a}t der zugrunde liegenden Stofftransportprozesse im Einzugsgebiet der Wipper macht es jedoch unumg{\"a}nglich, den Steuerungsvorgang nicht nur durch reine Bilanzierungsvorg{\"a}nge auf der betrachteten Steuerstrecke zu erfassen (so wie bisher praktiziert), sondern auch die Abflussdynamik im Fließgew{\"a}sser und den Wasserhaushalt im Gebiet mit einzubeziehen. Die Ergebnisse dieser Arbeit dienen zum einen einer Vertiefung der Prozessverst{\"a}ndnisse und der Interaktion von Wasserhaushalt, Abflussbildung sowie Stofftransport in bergbaubeeinflussten Einzugsgebieten am Beispiel der Unstrut bzw. ihrer relevanten Nebenfl{\"u}sse. Zum anderen sollen sie zur Analyse und Bewertung eines Bewirtschaftungsplanes f{\"u}r die genannten Fließgew{\"a}sser herangezogen werden k{\"o}nnen. Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines prognosetauglichen Steuerungsinstrumentes, das f{\"u}r die Bewirtschaftung von Flusseinzugsgebieten unterschiedlicher Gr{\"o}ße genutzt und unter den Rahmenbedingungen der bergbaubedingten salinaren Eintr{\"a}ge effektiv zur Steuerung der anthropogenen Frachten eingesetzt werden kann. Die Quellen der anthropogen eingeleiteten Salzfracht sind vor allem die R{\"u}ckstandshalden der stillgelegten Kaliwerke. Durch Niederschl{\"a}ge entstehen salzhaltige Haldenabw{\"a}sser, die zum Teil ungesteuert {\"u}ber oberfl{\"a}chennahe Ausbreitungsvorg{\"a}nge direkt in die Vorfluter gelangen, ein anderer Teil wird {\"u}ber die Speichereinrichtungen gefasst und gezielt abgestoßen. Durch Undichtigkeiten des Laugenstapelbeckens in Wipperdorf gelangen ebenfalls ungesteuerte Frachteintr{\"a}ge in die Wipper. Ein weiterer Eintragspfad ist zudem die geogene Belastung. Mit Hilfe detaillierter Angaben zu den oben genannten Eintragspfaden konnten Modellrechnungen im Zeitraum von 1992 bis 2003 durchgef{\"u}hrt werden. Durch die Ausarbeitung eines neuartigen Steuerungskonzeptes f{\"u}r das Laugenstapelbecken Wipperdorf, war es nun m{\"o}glich, die gefasste Haldenlauge entsprechend der aktuellen Abflusssituation gezielt abstoßen zu k{\"o}nnen. Neben der modelltechnischen Erfassung der aktuellen hydrologischen Situation und der Vorgabe eines Chlorid-Konzentrationssteuerzieles f{\"u}r den Pegel Hachelbich, mussten dabei weitere Randbedingungen (Beckenkapazit{\"a}t, Beckenf{\"u}llstand, Mindestf{\"u}llstand, Kapazit{\"a}t des Ableitungskanals, usw.) ber{\"u}cksichtigt werden. Es zeigte sich, dass unter Anwendung des Steuerungskonzeptes die Schwankungsbreite der Chloridkonzentration insgesamt gesehen deutlich verringert werden konnte. Die {\"U}berschreitungsh{\"a}ufigkeiten bez{\"u}glich eines Grenzwertes von 2 g Chlorid/l am Pegel Hachelbich fielen deutlich, und auch die maximale Dauer einer solchen Periode konnte stark verk{\"u}rzt werden. Kritische Situationen bei der modelltechnischen Frachtzusteuerung traten nur dann auf, wenn Niedrigwasserverh{\"a}ltnisse durch die Simulationsberechnungen noch untersch{\"a}tzt wurden. Dies hatte deutliche {\"U}berschreitungen der Zielvorgaben f{\"u}r den Pegel Hachelbich zur Folge. Mit Hilfe des Steuerungsalgorithmus konnten desweiteren auch Szenarienberechnungen durchgef{\"u}hrt werden, um die Auswirkungen zuk{\"u}nftig zu erwartender Salzfrachten n{\"a}her spezifizieren zu k{\"o}nnen. Dabei konnte festgestellt werden, dass Abdichtungsmaßnahmen der Haldenk{\"o}rper sich direkt positiv auf die Entwicklung der Konzentration in Hachelbich auswirkten. Durch zus{\"a}tzlich durchgef{\"u}hrte Langzeitszenarien konnte dar{\"u}ber hinaus nachgewiesen werden, dass langfristig eine Grenzwertfestlegung auf 1,5 g Chlorid/l in Hachelbich m{\"o}glich ist, und die Stapelkapazit{\"a}ten dazu ausreichend bemessen sind.},
  subject      = {Hydrologie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Voss2007,
  author    = {Voß, Anja},
  title     = {Untersuchung und Modellierung der Stickstoff- und Phosphorumsatz- und Transportprozesse in mesoskaligen Einzugsgebieten des Tieflandes am Beispiel von Nuthe, Hammerfließ und Stepenitz},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-15481},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2007},
  abstract  = {Ziel dieser Arbeit war es, die Stickstoff- und Phosphorprozesse im nordostdeutschen Tiefland detailliert zu untersuchen und Handlungsoptionen hinsichtlich der Landnutzung zur nachhaltigen Steuerung der Stickstoff- und Phosphoreintr{\"a}ge in die Fließgew{\"a}sser aufzuzeigen. Als Grundvoraussetzung f{\"u}r die Modellierung des N{\"a}hrstoffhaushaltes mussten zun{\"a}chst die hydrologischen Prozesse und die Abfl{\"u}sse f{\"u}r die Einzugsgebiete validiert werden. Daf{\"u}r wurde in dieser Arbeit das {\"o}kohydrologische Modell SWIM verwendet. Die Abflussmodellierung umfasste den Zeitraum 1991 - 2000. Die Ergebnisse dazu zeigen, dass SWIM in der Lage war, die hydrologischen Prozesse in den Untersuchungsgebieten ad{\"a}quat wiederzugeben. Auf der Grundlage der Modellierung des Wasserhaushaltes wurden mit SWIM die Stoffumsatzprozesse f{\"u}r den Zeitraum 1996 - 2000 simuliert. Um dabei besonders das Prozessgeschehen im Tiefland zu ber{\"u}cksichtigen, war die Erweiterung von SWIM um einen Ammonium-Pool mit dessen Umsatzprozessen erforderlich. Außerdem wurde der Prozess der N{\"a}hrstoffversickerung so erg{\"a}nzt, dass neben Nitrat auch Ammonium und Phosphat durch das gesamte Bodenprofil verlagert und {\"u}ber die Abflusskomponenten zum Gebietsauslass transportiert werden k{\"o}nnen. Mit diesen Modellerweiterungen konnten die Stickstoff und Phosphorprozesse in den Untersuchungsgebieten gut abgebildet werden. Mit dem so validierten Modell wurden weitere Anwendungen erm{\"o}glicht. N{\"a}hrstoffsimulationen f{\"u}r den Zeitraum 1981 bis 2000 dienten der Untersuchung des abnehmenden Trends in den N{\"a}hrstoffkonzentrationen der Nuthe. Die Untersuchungsergebnisse lassen deutlich erkennen, dass sich die Konzentrationen nach 1990 haupts{\"a}chlich auf Grund der Reduzierung der Eintr{\"a}ge aus punktf{\"o}rmigen Quellen und Rieselfeldern verringert haben. Weitere Modellrechnungen zur Herkunft der N{\"a}hrstoffe haben ergeben, dass Nitrat {\"u}berwiegend aus diffusen Quellen, Ammonium und Phosphat dagegen aus punktf{\"o}rmigen Quellen stammen. Als besonders sensitiv auf die Modellergebnisse haben sich die Parameter zu Landnutzung und -management und die Durchwurzelungstiefe der Pflanzen herausgestellt. Abschließend wurden verschiedene Landnutzungsszenarien angewendet. Die Ergebnisse zu den Szenariorechnungen zeigen, dass fast alle vorgegebenen Landnutzungsszenarien zu einer Verringerung der Stickstoff- bzw. Phosphoremissionen f{\"u}hrten. Die Anwendung von Szenarien, die alle relevanten Zielvorgaben und Empfehlungen zum Ressourcenschutz ber{\"u}cksichtigen, zeigen die gr{\"o}ßten Ver{\"a}nderungen.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Stoltnow2023,
  author    = {Stoltnow, Malte},
  title     = {Magmatic-hydrothermal processes along the porphyry to epithermal transition},
  doi       = {10.25932/publishup-61140},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611402},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {xxviii, 132},
  year      = {2023},
  abstract  = {Magmatic-hydrothermal systems form a variety of ore deposits at different proximities to upper-crustal hydrous magma chambers, ranging from greisenization in the roof zone of the intrusion, porphyry mineralization at intermediate depths to epithermal vein deposits near the surface. The physical transport processes and chemical precipitation mechanisms vary between deposit types and are often still debated. The majority of magmatic-hydrothermal ore deposits are located along the Pacific Ring of Fire, whose eastern part is characterized by the Mesozoic to Cenozoic orogenic belts of the western North and South Americas, namely the American Cordillera. Major magmatic-hydrothermal ore deposits along the American Cordillera include (i) porphyry Cu(-Mo-Au) deposits (along the western cordilleras of Mexico, the western U.S., Canada, Chile, Peru, and Argentina); (ii) Climax- (and sub-) type Mo deposits (Colorado Mineral Belt and northern New Mexico); and (iii) porphyry and IS-type epithermal Sn(-W-Ag) deposits of the Central Andean Tin Belt (Bolivia, Peru and northern Argentina). The individual studies presented in this thesis primarily focus on the formation of different styles of mineralization located at different proximities to the intrusion in magmatic-hydrothermal systems along the American Cordillera. This includes (i) two individual geochemical studies on the Sweet Home Mine in the Colorado Mineral Belt (potential endmember of peripheral Climax-type mineralization); (ii) one numerical modeling study setup in a generic porphyry Cu-environment; and (iii) a numerical modeling study on the Central Andean Tin Belt-type Pirquitas Mine in NW Argentina. Microthermometric data of fluid inclusions trapped in greisen quartz and fluorite from the Sweet Home Mine (Detroit City Portal) suggest that the early-stage mineralization precipitated from low- to medium-salinity (1.5-11.5 wt.\% equiv. NaCl), CO2-bearing fluids at temperatures between 360 and 415°C and at depths of at least 3.5 km. Stable isotope and noble gas isotope data indicate that greisen formation and base metal mineralization at the Sweet Home Mine was related to fluids of different origins. Early magmatic fluids were the principal source for mantle-derived volatiles (CO2, H2S/SO2, noble gases), which subsequently mixed with significant amounts of heated meteoric water. Mixing of magmatic fluids with meteoric water is constrained by δ2Hw-δ18Ow relationships of fluid inclusions. The deep hydrothermal mineralization at the Sweet Home Mine shows features similar to deep hydrothermal vein mineralization at Climax-type Mo deposits or on their periphery. This suggests that fluid migration and the deposition of ore and gangue minerals in the Sweet Home Mine was triggered by a deep-seated magmatic intrusion. The second study on the Sweet Home Mine presents Re-Os molybdenite ages of 65.86±0.30 Ma from a Mo-mineralized major normal fault, namely the Contact Structure, and multimineral Rb-Sr isochron ages of 26.26±0.38 Ma and 25.3±3.0 Ma from gangue minerals in greisen assemblages. The age data imply that mineralization at the Sweet Home Mine formed in two separate events: Late Cretaceous (Laramide-related) and Oligocene (Rio Grande Rift-related). Thus, the age of Mo mineralization at the Sweet Home Mine clearly predates that of the Oligocene Climax-type deposits elsewhere in the Colorado Mineral Belt. The Re-Os and Rb-Sr ages also constrain the age of the latest deformation along the Contact Structure to between 62.77±0.50 Ma and 26.26±0.38 Ma, which was employed and/or crosscut by Late Cretaceous and Oligocene fluids. Along the Contact Structure Late Cretaceous molybdenite is spatially associated with Oligocene minerals in the same vein system, a feature that precludes molybdenite recrystallization or reprecipitation by Oligocene ore fluids. Ore precipitation in porphyry copper systems is generally characterized by metal zoning (Cu-Mo to Zn-Pb-Ag), which is suggested to be variably related to solubility decreases during fluid cooling, fluid-rock interactions, partitioning during fluid phase separation and mixing with external fluids. The numerical modeling study setup in a generic porphyry Cu-environment presents new advances of a numerical process model by considering published constraints on the temperature- and salinity-dependent solubility of Cu, Pb and Zn in the ore fluid. This study investigates the roles of vapor-brine separation, halite saturation, initial metal contents, fluid mixing, and remobilization as first-order controls of the physical hydrology on ore formation. The results show that the magmatic vapor and brine phases ascend with different residence times but as miscible fluid mixtures, with salinity increases generating metal-undersaturated bulk fluids. The release rates of magmatic fluids affect the location of the thermohaline fronts, leading to contrasting mechanisms for ore precipitation: higher rates result in halite saturation without significant metal zoning, lower rates produce zoned ore shells due to mixing with meteoric water. Varying metal contents can affect the order of the final metal precipitation sequence. Redissolution of precipitated metals results in zoned ore shell patterns in more peripheral locations and also decouples halite saturation from ore precipitation. The epithermal Pirquitas Sn-Ag-Pb-Zn mine in NW Argentina is hosted in a domain of metamorphosed sediments without geological evidence for volcanic activity within a distance of about 10 km from the deposit. However, recent geochemical studies of ore-stage fluid inclusions indicate a significant contribution of magmatic volatiles. This study tested different formation models by applying an existing numerical process model for porphyry-epithermal systems with a magmatic intrusion located either at a distance of about 10 km underneath the nearest active volcano or hidden underneath the deposit. The results show that the migration of the ore fluid over a 10-km distance results in metal precipitation by cooling before the deposit site is reached. In contrast, simulations with a hidden magmatic intrusion beneath the Pirquitas deposit are in line with field observations, which include mineralized hydrothermal breccias in the deposit area.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Senftleben2020,
  author    = {Senftleben, Robin},
  title     = {Earth's magnetic field over the last 1000 years},
  doi       = {10.25932/publishup-47315},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473150},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {xii, 104},
  year      = {2020},
  abstract  = {To investigate the reliability and stability of spherical harmonic models based on archeo/-paleomagnetic data, 2000 Geomagnetic models were calculated. All models are based on the same data set but with randomized uncertainties. Comparison of these models to the geomagnetic field model gufm1 showed that large scale magnetic field structures up to spherical harmonic degree 4 are stable throughout all models. Through a ranking of all models by comparing the dipole coefficients to gufm1 more realistic uncertainty estimates were derived than the authors of the data provide. The derived uncertainty estimates were used in further modelling, which combines archeo/-paleomagnetic and historical data. The huge difference in data count, accuracy and coverage of these two very different data sources made it necessary to introduce a time dependent spatial damping, which was constructed to constrain the spatial complexity of the model. Finally 501 models were calculated by considering that each data point is a Gaussian random variable, whose mean is the original value and whose standard deviation is its uncertainty. The final model arhimag1k is calculated by taking the mean of the 501 sets of Gauss coefficients. arhimag1k fits different dependent and independent data sets well. It shows an early reverse flux patch at the core-mantle boundary between 1000 AD and 1200 AD at the location of the South Atlantic Anomaly today. Another interesting feature is a high latitude flux patch over Greenland between 1200 and 1400 AD. The dipole moment shows a constant behaviour between 1600 and 1840 AD. In the second part of the thesis 4 new paleointensities from 4 different flows of the island Fogo, which is part of Cape Verde, are presented. The data is fitted well by arhimag1k with the exception of the value at 1663 of 28.3 microtesla, which is approximately 10 microtesla lower than the model suggest.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Sempf2005,
  author    = {Sempf, Mario},
  title     = {Nichtlineare Dynamik atmosph{\"a}rischer Zirkulationsregime in einem idealisierten Modell},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-5989},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2005},
  abstract  = {Unter atmosph{\"a}rischen Zirkulationsregimen versteht man bevorzugte quasi-station{\"a}re Zust{\"a}nde der atmosph{\"a}rischen Zirkulation auf der planetaren Skala, die f{\"u}r eine bis mehrere Wochen persistieren k{\"o}nnen. Klima{\"a}nderungen, ob nat{\"u}rlich entstanden oder anthropogen verursacht, {\"a}ußern sich in erster Linie durch {\"A}nderungen der Auftrittswahrscheinlichkeiten der nat{\"u}rlichen Regime. In der vorliegenden Arbeit wurden dynamische Mechanismen des Regimeverhaltens und der dekadischen Klimavariabilit{\"a}t der Atmosph{\"a}re bei Abwesenheit zeitlich ver{\"a}nderlicher externer Einflussfaktoren untersucht. Das Hauptwerkzeug daf{\"u}r war ein quasi-geostrophisches Dreischichtenmodell der winterlichen atmosph{\"a}rischen Zirkulation auf der Nordhemisph{\"a}re, das eine spektrale T21-Aufl{\"o}sung, einen orographischen und einen zeitlich konstanten thermischen Antrieb mit nicht-zonalen Anteilen besitzt. Ein solches Modell vermag großskalige atmosph{\"a}rische Str{\"o}mungsvorg{\"a}nge außerhalb der Tropen mit einiger Genauigkeit zu simulieren. Nicht ber{\"u}cksichtigt werden Feuchteprozesse, die Wechselwirkung der Atmosph{\"a}re mit anderen Teilen des Klimasystems sowie anthropogene Einfl{\"u}sse. F{\"u}r das Dreischichtenmodell wurde ein automatisiertes, iteratives Verfahren zur Anpassung des thermischen Modellantriebs neu entwickelt. Jede Iteration des Verfahrens besteht aus einer Testintegration des Modells, ihrer Auswertung, dem Vergleich der Ergebnisse mit den NCEP-NCAR-Reanalysedaten aus den Wintermonaten Dezember, Januar und Februar sowie einer auf diesem Vergleich basierenden Antriebskorrektur. Nach Konvergenz des Verfahrens stimmt das Modell sowohl bez{\"u}glich des zonal gemittelten Klimazustandes als auch bez{\"u}glich der zeitgemittelten nicht-zonalen außertropischen diabatischen Erw{\"a}rmung nahezu perfekt mit den wintergemittelten Reanalysedaten {\"u}berein. In einer 1000-j{\"a}hrigen Simulation wurden die beobachtete mittlere Zirkulation im Winter sowie ihre Variabilit{\"a}t realit{\"a}tsnah reproduziert, insbesondere die Arktische Oszillation (AO) und ihre vertikale Ausdehnung. Der AO-Index des Modells weist deutliche dekadische Schwankungen auf, die allein durch die interne Modelldynamik bedingt sind. Dar{\"u}ber hinaus zeigt das Modell ein Regimeverhalten, das gut mit den Beobachtungsdaten {\"u}bereintimmt. Es besitzt ein Regime, das in etwa der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO) entspricht und eines, das der positiven Phase der AO {\"a}hnelt. Eine weit verbreitete Hypothese ist die n{\"a}herungsweise {\"U}bereinstimmung zwischen Regimen und station{\"a}ren L{\"o}sungen der Bewegungsgleichungen. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Hypothese f{\"u}r das Dreischichtenmodell {\"u}berpr{\"u}ft, mit negativem Resultat. Es wurden mittels eines Funktionalminimierungsverfahrens sechs verschiedene station{\"a}re Zust{\"a}nde gefunden. Diese sind allesamt durch eine {\"a}ußerst unrealistische Zirkulation gekennzeichnet und sind daher weit vom Modellattraktor entfernt. F{\"u}nf der sechs Zust{\"a}nde zeichnen sich durch einen extrem starken subtropischen Jet in der mittleren und obereren Modellschicht aus. Da die Ursache des Regimeverhaltens des Dreischichtenmodells nach wie vor unklar war, wurde auf ein einfacheres Modell, n{\"a}mlich ein barotropes Modell mit T21-Aufl{\"o}sung zur{\"u}ckgegriffen. F{\"u}r die Anpassung des Oberfl{\"a}chenantriebs wurde eine modifizierte Form der iterativen Prozedur verwendet. Die zeitgemittelte Zirkulation des barotropen Modells stimmt sehr gut mit der zeitlich und vertikal gemittelten Zirkulation des Dreischichtenmodells {\"u}berein. Das dominierende r{\"a}umliche Muster der Variabilit{\"a}t besitzt eine AO-{\"a}hnliche Struktur. Zudem besitzt das barotrope Modell zwei Regime, die n{\"a}herungsweise der positiven und negativen Phase der AO entsprechen und somit auch den Regimen des Dreischichtenmodells {\"a}hneln. Im Verlauf der Justierung des Oberfl{\"a}chenantriebs konnte beobachtet werden, dass die zwei Regime des barotropen Modells durch die Vereinigung zweier koexistierender Attraktoren entstanden. Der wahrscheinliche Mechanismus der Attraktorvereinigung ist eine Randkrise eines der beiden Attraktoren, gefolgt von einer explosiven Bifurkation des anderen Attraktors. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass der beim barotropen Modell vorgefundene Mechanismus der Regimeentstehung f{\"u}r atmosph{\"a}rische Zirkulationsmodelle mit realit{\"a}tsnahem Regimeverhalten Allgemeing{\"u}ltigkeit besitzt. Gest{\"u}tzt wird die Hypothese durch vier Experimente mit dem Dreischichtenmodell, bei denen jeweils der Parameter der Bodenreibung verringert und die Antriebsanpassung wiederholt wurde. Bei diesen Experimenten erh{\"o}hte sich die Persistenz und die Separiertheit der Regime bei abnehmender Reibung drastisch und damit auch der Anteil dekadischer Zeitskalen an der Variabilit{\"a}t. Die Zunahme der Persistenz der Regime ist charakteristisch f{\"u}r die Ann{\"a}herung an eine inverse innere Krise, deren Existenz aber nicht nachgewiesen werden konnte.},
  subject      = {Nichtlineare Dynamik},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schuette2011,
  author    = {Sch{\"u}tte, Moritz},
  title     = {Evolutionary fingerprints in genome-scale networks},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-57483},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2011},
  abstract  = {Mathematical modeling of biological phenomena has experienced increasing interest since new high-throughput technologies give access to growing amounts of molecular data. These modeling approaches are especially able to test hypotheses which are not yet experimentally accessible or guide an experimental setup. One particular attempt investigates the evolutionary dynamics responsible for today's composition of organisms. Computer simulations either propose an evolutionary mechanism and thus reproduce a recent finding or rebuild an evolutionary process in order to learn about its mechanism. The quest for evolutionary fingerprints in metabolic and gene-coexpression networks is the central topic of this cumulative thesis based on four published articles. An understanding of the actual origin of life will probably remain an insoluble problem. However, one can argue that after a first simple metabolism has evolved, the further evolution of metabolism occurred in parallel with the evolution of the sequences of the catalyzing enzymes. Indications of such a coevolution can be found when correlating the change in sequence between two enzymes with their distance on the metabolic network which is obtained from the KEGG database. We observe that there exists a small but significant correlation primarily on nearest neighbors. This indicates that enzymes catalyzing subsequent reactions tend to be descended from the same precursor. Since this correlation is relatively small one can at least assume that, if new enzymes are no "genetic children" of the previous enzymes, they certainly be descended from any of the already existing ones. Following this hypothesis, we introduce a model of enzyme-pathway coevolution. By iteratively adding enzymes, this model explores the metabolic network in a manner similar to diffusion. With implementation of an Gillespie-like algorithm we are able to introduce a tunable parameter that controls the weight of sequence similarity when choosing a new enzyme. Furthermore, this method also defines a time difference between successive evolutionary innovations in terms of a new enzyme. Overall, these simulations generate putative time-courses of the evolutionary walk on the metabolic network. By a time-series analysis, we find that the acquisition of new enzymes appears in bursts which are pronounced when the influence of the sequence similarity is higher. This behavior strongly resembles punctuated equilibrium which denotes the observation that new species tend to appear in bursts as well rather than in a gradual manner. Thus, our model helps to establish a better understanding of punctuated equilibrium giving a potential description at molecular level. From the time-courses we also extract a tentative order of new enzymes, metabolites, and even organisms. The consistence of this order with previous findings provides evidence for the validity of our approach. While the sequence of a gene is actually subject to mutations, its expression profile might also indirectly change through the evolutionary events in the cellular interplay. Gene coexpression data is simply accessible by microarray experiments and commonly illustrated using coexpression networks where genes are nodes and get linked once they show a significant coexpression. Since the large number of genes makes an illustration of the entire coexpression network difficult, clustering helps to show the network on a metalevel. Various clustering techniques already exist. However, we introduce a novel one which maintains control of the cluster sizes and thus assures proper visual inspection. An application of the method on Arabidopsis thaliana reveals that genes causing a severe phenotype often show a functional uniqueness in their network vicinity. This leads to 20 genes of so far unknown phenotype which are however suggested to be essential for plant growth. Of these, six indeed provoke such a severe phenotype, shown by mutant analysis. By an inspection of the degree distribution of the A.thaliana coexpression network, we identified two characteristics. The distribution deviates from the frequently observed power-law by a sharp truncation which follows after an over-representation of highly connected nodes. For a better understanding, we developed an evolutionary model which mimics the growth of a coexpression network by gene duplication which underlies a strong selection criterion, and slight mutational changes in the expression profile. Despite the simplicity of our assumption, we can reproduce the observed properties in A.thaliana as well as in E.coli and S.cerevisiae. The over-representation of high-degree nodes could be identified with mutually well connected genes of similar functional families: zinc fingers (PF00096), flagella, and ribosomes respectively. In conclusion, these four manuscripts demonstrate the usefulness of mathematical models and statistical tools as a source of new biological insight. While the clustering approach of gene coexpression data leads to the phenotypic characterization of so far unknown genes and thus supports genome annotation, our model approaches offer explanations for observed properties of the coexpression network and furthermore substantiate punctuated equilibrium as an evolutionary process by a deeper understanding of an underlying molecular mechanism.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schroeder2015,
  author    = {Schr{\"o}der, Sarah},
  title     = {Modelling surface evolution coupled with tectonics},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-90385},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {viii, 129},
  year      = {2015},
  abstract  = {This study presents the development of 1D and 2D Surface Evolution Codes (SECs) and their coupling to any lithospheric-scale (thermo-)mechanical code with a quadrilateral structured surface mesh. Both SECs involve diffusion as approach for hillslope processes and the stream power law to reflect riverbed incision. The 1D SEC settles sediment that was produced by fluvial incision in the appropriate minimum, while the supply-limited 2D SEC DANSER uses a fast filling algorithm to model sedimantation. It is based on a cellular automaton. A slope-dependent factor in the sediment flux extends the diffusion equation to nonlinear diffusion. The discharge accumulation is achieved with the D8-algorithm and an improved drainage accumulation routine. Lateral incision enhances the incision's modelling. Following empirical laws, it incises channels of several cells width. The coupling method enables different temporal and spatial resolutions of the SEC and the thermo-mechanical code. It transfers vertical as well as horizontal displacements to the surface model. A weighted smoothing of the 3D surface displacements is implemented. The smoothed displacement vectors transmit the deformation by bilinear interpolation to the surface model. These interpolation methods ensure mass conservation in both directions and prevent the two surfaces from drifting apart. The presented applications refer to the evolution of the Pamir orogen. A calibration of DANSER's parameters with geomorphological data and a DEM as initial topography highlights the advantage of lateral incision. Preserving the channel width and reflecting incision peaks in narrow channels, this closes the huge gap between current orogen-scale incision models and observed topographies. River capturing models in a system of fault-bounded block rotations reaffirm the importance of the lateral incision routine for capturing events with channel initiation. The models show a low probability of river capturings with large deflection angles. While the probability of river capturing is directly depending on the uplift rate, the erodibility inside of a dip-slip fault speeds up headward erosion along the fault: The model's capturing speed increases within a fault. Coupling DANSER with the thermo-mechanical code SLIM 3D emphasizes the versatility of the SEC. While DANSER has minor influence on the lithospheric evolution of an indenter model, the brittle surface deformation is strongly affected by its sedimentation, widening a basin in between two forming orogens and also the southern part of the southern orogen to south, east and west.},
  language  = {en}
}