TY - THES A1 - Fer, Istem T1 - Modeling past, present and future climate induced vegetation changes in East Africa T1 - Modellierung vergangener, gegenwärtiger und zukünftiger klimainduzierter Vegetationsveränderungen in Ostafrika N2 - Ostafrika ist ein natürliches Labor: Durch ein Studium seiner einzigartigen geologischen und biologischen Geschichte lassen sich unsere Theorien und Modelle überprüfen und verbessern. Ein Studium seiner Gegenwart und seiner Zukunft wiederum hilft uns dabei, die global bedeutende Artenvielfalt und die ökosystemaren Dienstleistungen Ostafrikas zu schützen. Eine zentrale Rolle spielt dabei spielt die ostafrikanische Vegetation, deren Dynamiken in dieser Dissertation durch Computersimulationen quantifiziert werden sollen. Über Computersimulationen lassen sich frühere Rahmenbedingungen reproduzieren, Voraussagen treffen oder Simulationsexperimente durchführen, die durch Feldforschung nicht möglich wären. Zuallererst muss jedoch ihre Leistungsfähigkeit überprüft werden. Die von dem Modell anhand der heutigen Inputs gelieferten Ergebnisse stimmten weitgehend mit heutigen Beobachtungen ostafrikanischer Vegetation überein. Als nächstes wurde die frühere Vegetation simuliert, für die fossile Pollen-Daten zum Abgleich vorliegen. Über Computermodelle lassen sich Wissenslücken zwischen Standorten überbrücken, bei denen wir über fossile Pollen-Daten verfügen, sodass ein vollständigeres Bild der Vergangenheit entsteht. Zusätzlich validiert wurde die Leistungsfähigkeit des Modells durch die hohe Übereinstimmung zwischen Modell und Pollen-Daten, wo sie im Raum überlappen. Nachdem das Modell getestet und für die Region validiert war, konnte eine der seit langem offenen Fragen über die ostafrikanische Vegetation angegangen werden, nämlich wie Ostafrika seines Tropenwaldes verlustig gehen konnte. In den Tropen wird die heutige Vegetation weltweit hauptsächlich von Wäldern dominiert, mit Ausnahme der Tropengebiete Ostafrikas, wo Wälder nur noch stellenweise an der Küste und im Hochland vorkommen. Durch eine Reihe von Simulationsexperimenten konnte aufgezeigt werden, unter welchen Bedingungen jene Waldgebiete früher zusammenhingen und schließlich fragmentiert wurden. Die Studie hat erwiesen, wie empfindlich die ostafrikanische Vegetation für die Klimaschwankungen ist, die durch den künftigen Klimawandel zu erwarten sind. Weitere Auswirkungen auf das ostafrikanische Klima ergeben sich aus dem El Niño/Southern Oscillation-Phänomen (ENSO), das aus Temperaturfluktuationen zwischen dem Ozean und der Atmosphäre herrührt und künftig an Intensität zunehmen dürfte. Die derzeitigen Klimamodelle sind allerdings noch nicht gut genug beim Erfassen solcher Ereignismuster. In einer Studie wurde der Einfluss des ENSO-Phänomens auf die ostafrikanische Vegetation quantifiziert und dabei aufgezeigt, wie sehr sich die künftige Vegetation von den heute simulierten Ergebnissen unterscheiden könnte, bei denen der genaue ENSO-Beitrag nicht berücksichtigt werden kann. Bei der Berechnung der künftigen weltweiten CO2-Bilanz und den zu treffenden Entscheidungen stellt dies einen zusätzlichen Unsicherheitsfaktor dar. N2 - East Africa is a natural laboratory: Studying its unique geological and biological history can help us better inform our theories and models. Studying its present and future can help us protect its globally important biodiversity and ecosystem services. East African vegetation plays a central role in all these aspects, and this dissertation aims to quantify its dynamics through computer simulations. Computer models help us recreate past settings, forecast into the future or conduct simulation experiments that we cannot otherwise perform in the field. But before all that, one needs to test their performance. The outputs that the model produced using the present day-inputs, agreed well with present-day observations of East African vegetation. Next, I simulated past vegetation for which we have fossil pollen data to compare. With computer models, we can fill the gaps of knowledge between sites where we have fossil pollen data from, and create a more complete picture of the past. Good level of agreement between model and pollen data where they overlapped in space further validated our model performance. Once the model was tested and validated for the region, it became possible to probe one of the long standing questions regarding East African vegetation: How did East Africa lose its tropical forests? The present-day vegetation in the tropics is mainly characterized by continuous forests worldwide except in tropical East Africa, where forests only occur as patches. In a series of simulation experiments, I was able to show under which conditions these forest patches could have been connected and fragmented in the past. This study showed the sensitivity of East African vegetation to climate change and variability such as those expected under future climate change. El Niño Southern Oscillation (ENSO) events that result from the fluctuations in temperature between the ocean and atmosphere, bring further variability to East African climate and are predicted to increase in intensity in the future. But climate models are still not good at capturing the pattens of these events. In a study where I quantified the influence of ENSO events on East African vegetation, I showed how different the future vegetation could be from what we currently predict with these climate models that lack accurate ENSO contribution. Consideration of these discrepancies is important for our future global carbon budget calculations and management decisions. KW - East Africa KW - vegetation modeling KW - paleovegetation KW - El Nino Southern Oscillation KW - Ostafrika KW - Vegetationsmodellierung KW - Paläovegetation KW - El Niño/Southern Oscillation-Phänomen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427777 ER - TY - THES A1 - Wichura, Henry T1 - Topographic evolution of the East African Plateau : a combined study on lava-flow modeling and paleo-topography T1 - Die topographische Entwicklung des Ostafrikanischen Plateaus : eine kombinierte Studie über Lavastrommodellierung und Paläotopographie N2 - The East African Plateau provides a spectacular example of geodynamic plateau uplift, active continental rifting, and associated climatic forcing. It is an integral part of the East African Rift System and has an average elevation of approximately 1,000 m. Its location coincides with a negative Bouguer gravity anomaly with a semi-circular shape, closely related to a mantle plume, which influences the Cenozoic crustal development since its impingement in Eocene-Oligocene time. The uplift of the East African Plateau, preceding volcanism, and rifting formed an important orographic barrier and tectonically controlled environment, which is profoundly influenced by climate driven processes. Its location within the equatorial realm supports recently proposed hypotheses, that topographic changes in this region must be considered as the dominant forcing factor influencing atmospheric circulation patterns and rainfall distribution. The uplift of this region has therefore often been associated with fundamental climatic and environmental changes in East Africa and adjacent regions. While the far-reaching influence of the plateau uplift is widely accepted, the timing and the magnitude of the uplift are ambiguous and are still subject to ongoing discussion. This dilemma stems from the lack of datable, geomorphically meaningful reference horizons that could record surface uplift. In order to quantify the amount of plateau uplift and to find evidence for the existence of significant relief along the East African Plateau prior to rifting, I analyzed and modeled one of the longest terrestrial lava flows; the 300-km-long Yatta phonolite flow in Kenya. This lava flow is 13.5 Ma old and originated in the region that now corresponds to the eastern rift shoulders. The phonolitic flow utilized an old riverbed that once drained the eastern flank of the plateau. Due to differential erosion this lava flow now forms a positive relief above the parallel-flowing Athi River, which is mimicking the course of the paleo-river. My approach is a lava-flow modeling, based on an improved composition and temperature dependent method to parameterize the flow of an arbitrary lava in a rectangular-shaped channel. The essential growth pattern is described by a one-dimensional model, in which Newtonian rheological flow advance is governed by the development of viscosity and/or velocity in the internal parts of the lava-flow front. Comparing assessments of different magma compositions reveal that length-dominated, channelized lava flows are characterized by high effusion rates, rapid emplacement under approximately isothermal conditions, and laminar flow. By integrating the Yatta lava flow dimensions and the covered paleo-topography (slope angle) into the model, I was able to determine the pre-rift topography of the East African Plateau. The modeling results yield a pre-rift slope of at least 0.2°, suggesting that the lava flow must have originated at a minimum elevation of 1,400 m. Hence, high topography in the region of the present-day Kenya Rift must have existed by at least 13.5 Ma. This inferred mid-Miocene uplift coincides with the two-step expansion of grasslands, as well as important radiation and speciation events in tropical Africa. Accordingly, the combination of my results regarding the Yatta lava flow emplacement history, its location, and its morphologic character, validates it as a suitable “paleo-tiltmeter” and has thus to be considered as an important topographic and volcanic feature for the topographic evolution in East Africa. N2 - Das Ostafrikanische Plateau ist ein eindrucksvolles Beispiel für aktive, kontinentale Grabenbildung, aber auch für geodynamische Hochebenenbildung mit weitreichendem klimatischen Einfluss auf die gesamte Region. Als integraler Bestandteil des Ostafrikanischen Grabensystems beläuft sich die mittlere Höhe des Plateaus auf durchschnittlich 1000 m ü.NN. Seine Lage korreliert gut mit der Präsenz einer halbkreisförmigen negativen Bouguer-Schwereanomalie, die an den Aufstieg eines Manteldiapirs im Untergrund gekoppelt ist. Dieser prägte die känozoische Krustenentwicklung seit seinem Aufstieg im Eozän-Oligozän. Die Hebungsgeschichte und topographische Entwicklung des Hochlandes steht seither in enger Beziehung zum einsetzenden Vulkanismus, der Bildung erster Abschiebungssysteme und führte schließlich zur Entwicklung des heutigen Vollgrabensystems. Neueste Hypothesen lassen den Schluss zu, dass topographische Veränderungen als dominierende Einflussgrößen atmosphärischer Zirkulationsmuster sowie der regionalen Niederschlagsverbreitung anzusehen sind. Zusätzlich werden diese Prozesse durch die äquatoriale Lage des Ostafrikanischen Plateaus verstärkt und die Hebung dieser Region oft mit wichtigen Klima- und Umweltveränderungen in Ostafrika und angrenzende Gebiete in Verbindung gebracht. Während der weitreichende klimatische Einfluss des Hochlandes größtenteils akzeptiert ist, sind Zeitpunkt und Ausmaß seiner Heraushebung nicht eindeutig bestimmt und daher noch immer Grundlage bestehender Diskussionen. Diese Zwangslage hat ihre Ursache im Fehlen aussagekräftiger und datierbarer Referenzhorizonte. Um den Hebungsbetrag zu quantifizieren und Beweise signifikanten Reliefs vor der Entwicklung des Grabensystems entlang des Ostafrikanischen Hochlandes zu erbringen, analysierte und modellierte ich einen der längsten terrestrischen Lavaströme. Dieser vor 13,5 Ma abgelagerte Yatta-Lavastrom hat mit 300 km Länge seinen Ursprung in der Region der heutigen östlichen Grabenschulter des zentralen Kenia-Rifts. Die phonolitische Lava ergoss sich entlang eines Flussbettes, das einst die östliche Flanke des Hochlandes entwässerte. Aufgrund unterschiedlicher Erosionspotentiale bildet der Lavastrom gegenwärtig ein positives Relief und befindet sich oberhalb des Athi Flusses, der parallel zum Paläofluß, und somit versetzt zu seinen früheren Verlauf, strömt. Mein Ansatz der Lavastrom-Modellierung basiert auf einer Methode, die das Fließverhalten einer beliebigen Lava in Abhängigkeit von Temperatur und Magmenzusammensetzung in einem rechtwinkligen Kanal berechnet. Die wesentlichen Wachstumsmuster des Lavastroms sind durch ein eindimensionales Modell beschrieben, wobei Newtonsches Fließverhalten im Innern hinter der Lavastromfront von der zeitlichen Entwicklung der Viskosität und/oder der Fließgeschwindigkeit bestimmt wird. Vergleiche meiner Resultate mit verschiedenen Magmenzusammensetzungen zeigen, dass sich lange, kanalisierte Lavaströme mit hohen Ergussraten und schneller Platznahme bilden können. Dies geschieht unter annähernd isothermalen Bedingungen und erfordert laminares Fließen. Die Integration der Yatta- Lavastrom-Dimensionen und der bedeckten Paläotopographie (Neigungswinkel) in das Modell, erlaubte es mir die Topographie des Ostafrikanischen Hochlandes vor der Grabenbildung zu modellieren. Das Ergebnis der Modellierung ergibt einen Neigungswinkel von mindestens 0,2° und impliziert, dass der Lavastrom seinen Ursprung in einer Höhe von mindestens 1400 m ü.NN gehabt haben muss. Somit existierte bereits vor 13,5 Ma hohe Topographie in der heutigen Region des zentralen Kenia-Rifts. Diese abgeleitete regionale Hebungsgeschichte im mittleren Miozän korreliert mit der zweistufigen Ausbreitung der Graslandschaften, sowie dem Aufkommen neuer Arten im tropischen Afrika. Die Kombination aus Fließverhalten, Entstehungsort und morphologischer Eigenschaften macht den Yatta-Lavastrom zu einem “Paläoneigungsmesser” und wichtigen vulkanischen Untersuchungsobjekt für die topographische Entwicklung in Ostafrika. KW - Ostafrika KW - Plateau KW - Paläotopographie KW - Miozän KW - Yatta KW - East African Plateau KW - paleo-topography KW - Miocene KW - Yatta Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52363 ER -