TY  - THES
A1  - Thomas, Björn Daniel
T1  - Analysis and management of low flows in small catchments of Brandenburg, Germany
T1  - Analyse und Management von Niedrigwasserabflüssen in kleinen Flusseinzugsgebieten Brandenburgs
N2  - Water management and environmental protection is vulnerable to extreme low flows during streamflow droughts. During the last decades, in most rivers of Central Europe summer runoff and low flows have decreased. Discharge projections agree that future decrease in runoff is likely for catchments in Brandenburg, Germany. Depending on the first-order controls on low flows, different adaption measures are expected to be appropriate. Small catchments were analyzed because they are expected to be more vulnerable to a changing climate than larger rivers. They are mainly headwater catchments with smaller ground water storage. Local characteristics are more important at this scale and can increase vulnerability. This thesis mutually evaluates potential adaption measures to sustain minimum runoff in small catchments of Brandenburg, Germany, and similarities of these catchments regarding low flows. The following guiding questions are addressed: (i) Which first-order controls on low flows and related time scales exist? (ii) Which are the differences between small catchments regarding low flow vulnerability? (iii) Which adaption measures to sustain minimum runoff in small catchments of Brandenburg are appropriate considering regional low flow patterns? Potential adaption measures to sustain minimum runoff during periods of low flows can be classified into three categories: (i) increase of groundwater recharge and subsequent baseflow by land use change, land management and artificial ground water recharge, (ii) increase of water storage with regulated outflow by reservoirs, lakes and wetland water management and (iii) regional low flow patterns have to be considered during planning of measures with multiple purposes (urban water management, waste water recycling and inter-basin water transfer). The question remained whether water management of areas with shallow groundwater tables can efficiently sustain minimum runoff. Exemplary, water management scenarios of a ditch irrigated area were evaluated using the model Hydrus-2D. Increasing antecedent water levels and stopping ditch irrigation during periods of low flows increased fluxes from the pasture to the stream, but storage was depleted faster during the summer months due to higher evapotranspiration. Fluxes from this approx. 1 km long pasture with an area of approx. 13 ha ranged from 0.3 to 0.7 l\s depending on scenario. This demonstrates that numerous of such small decentralized measures are necessary to sustain minimum runoff in meso-scale catchments. Differences in the low flow risk of catchments and meteorological low flow predictors were analyzed. A principal component analysis was applied on daily discharge of 37 catchments between 1991 and 2006. Flows decreased more in Southeast Brandenburg according to meteorological forcing. Low flow risk was highest in a region east of Berlin because of intersection of a more continental climate and the specific geohydrology. In these catchments, flows decreased faster during summer and the low flow period was prolonged. A non-linear support vector machine regression was applied to iteratively select meteorological predictors for annual 30-day minimum runoff in 16 catchments between 1965 and 2006. The potential evapotranspiration sum of the previous 48 months was the most important predictor (r²=0.28). The potential evapotranspiration of the previous 3 months and the precipitation of the previous 3 months and last year increased model performance (r²=0.49, including all four predictors). Model performance was higher for catchments with low yield and more damped runoff. In catchments with high low flow risk, explanatory power of long term potential evapotranspiration was high. Catchments with a high low flow risk as well as catchments with a considerable decrease in flows in southeast Brandenburg have the highest demand for adaption. Measures increasing groundwater recharge are to be preferred. Catchments with high low flow risk showed relatively deep and decreasing groundwater heads allowing increased groundwater recharge at recharge areas with higher altitude away from the streams. Low flows are expected to stay low or decrease even further because long term potential evapotranspiration was the most important low flow predictor and is projected to increase during climate change. Differences in low flow risk and runoff dynamics between catchments have to be considered for management and planning of measures which do not only have the task to sustain minimum runoff.
N2  - Sowohl Gewässermanagement als auch die Gewässerökologie können durch extreme Niedrigwasserereignisse stark betroffen sein. In den letzten Jahrzehnten haben sowohl der Abfluss während der Sommermonate als auch die Niedrigwasserabflüsse in den meisten Flüssen Zentraleuropas abgenommen. Projektionen des zukünftigen Abflusses lassen einen weiteren Rückgang der Abflüsse aus Einzugsgebieten Brandenburgs erwarten. Anpassungsmaßnahmen zur Stützung von Niedrigwasserabflüssen müssen den hydrologischen Prozessen gerecht werden. In dieser Arbeit werden Kopfeinzugsgebiete mit kleineren Grundwasserspeichern betrachtet, weil sie anfälliger gegenüber dem Klimawandel erscheinen als größere. Lokale Gegebenheiten können darüber hinaus ihre Vulnerabilität erhöhen. In dieser Arbeit werden Ergebnisse über die ähnlichkeit von kleinen Einzugsgebieten verwendet, um geeignete Anpassungsmaßnahmen zur Stützung von Niedrigwasserabflüssen herauszuarbeiten. Folgende Leitfragen werden bearbeitet: (i) Was sind die maßgeblichen Prozesse und Zeitskalen, die zu Niedrigwasserabflüssen führen? (ii) Wie unterscheiden sich die Einzugsgebiete bezüglich ihrer Vulnerabilität? (iii) Was sind geeignete Anpassungsmaßnahmen unter Berücksichtigung der vorherrschenden Prozesse und ihrer räumlichen Muster? Mögliche Anpassungsmaßnahmen können in drei Kategorien unterteilt werden: (i) Landnutzungsänderungen, änderungen der Feldbewirtschaftung und künstliche Grundwasseranreicherung führen zur Erhöhung der Grundwasserneubildung und somit des Basisabflusses. (ii) Talsperren, Seen, Teiche und ein entsprechendes Wassermanagement in Feuchtgebieten eignen sich zur Wasserspeicherung und regulierten Wasserabgabe. (iii) Maßnahmen bei deren Planung Wissen über Niedrigwasserabflüsse einfließen muss, aber die Stützung von Niedrigwasserabflüssen nicht die einzige Aufgabe ist (Siedlungswassermanagement, Abwassermanagement und Wasserüberleitungen zwischen Einzugsgebieten). Darüber hinaus wurde die Effektivität ufernaher Grundwasseranreicherung durch bestehende Bewässerungsgräben explizit an einem Standort unter Verwendung des Models Hydrus-2D quantifiziert. Hohe Wasserstände in den Gräben und das Unterbrechen der Wassereinleitung führten zu einer Niedrigwasseraufhöhung. Im Sommer wurde der Wasserspeicher wegen der Verdunstung schneller verbraucht. Je nach Szenario betrug die Niedrigwasseraufhöhung, die von der ca. 1 km langen und 13 ha großen Fläche ausging, zwischen 0.3 und 0.7 l/s. Eine Vielzahl solcher dezentraler Maßnahmen wären für eine deutliche Stützung der Niedrigwasserabflüsse in mesoskaligen Einzugsgebieten notwendig. Das Niedrigwasserrisiko sowie meteorologische Niedrigwasserprädiktoren wurden vergleichend analysiert. Der tägliche Abfluss aus 37 Einzugsgebieten zwischen 1991 und 2006 wurde mittels einer Hauptkomponentenanalyse ausgewertet. Der Abfluss in Südost Brandenburg ging klimabedingt stärker zurück. Das Niedrigwasserrisiko war in der Region östlich Berlins als Folge des kontinentaleren Klimas und der lokalen geohydrologischen Verhältnisse am größten. Diese Einzugsgebiete zeigten einen relativ schnellen Abflussrückgang während der Sommermonate und eine längere Niedrigwasserperiode. Darüber hinaus wurde eine nichtlineare Support Vektor Machine Regression zur iterativen Bestimmung der meteorologischen Prädiktoren für den jährlichen Niedrigwasserabfluss im 30-Tage Mittel in 16 Einzugsgebieten zwischen 1965 und 2006 durchgeführt. Die potentielle Verdunstungshöhe der vorhergegangenen 48 Monate war der wichtigste Prädiktor (r²=0.28). Die potentielle Verdunstungshöhe der vorhergegangenen 3 Monate sowie die Niederschlagshöhe der vorhergegangenen 3 Monate und des letzten Jahres verbesserten die Modellgüte zusätzlich (r²=0.49, für alle vier Prädiktoren). Die Modellgüte war höher in Einzugsgebieten mit geringer Abflussspende und gedämpftem Abflussverhalten. In Einzugsgebieten mit hohem Niedrigwasserrisiko war die potentielle Langzeitverdunstung wichtiger, um Niedrigwasserabflüsse zu erklären. In Einzugsgebieten mit hohem Niedrigwasserrisiko östlich von Berlin und deutlichem Abflussrückgang im Südosten Brandenburgs besteht der höchste Anpassungsbedarf. Maßnahmen zur Erhöhung der Grundwasserneubildung sollten bevorzugt werden. Einzugsgebiete mit hohem Niedrigwasserrisiko haben verhältnismäßig tiefe Grundwasserstände, was eine Erhöhung der Grundwasserneubildung in den höher gelegenen Neubildungsgebieten möglich und sinnvoll macht. Es ist davon auszugehen, dass Niedrigwasserabflüsse weiterhin niedrig bleiben oder sogar weiter fallen werden, da die potentielle Langzeitverdunstung der wichtigste Prädiktor war und Klimamodelle einen weiteren Anstieg dieser projizieren. Des Weiteren sind die Ergebnisse dieser Arbeit wichtig für die integrierte Planung von Maßnahmen, die nicht ausschließlich die Stützung von Niedrigwasserabflüssen zur Aufgabe haben.
KW  - regionale Hydrologie
KW  - Niedrigwasser
KW  - Einzugsgebietsklassifizierung
KW  - multivariate Statistik
KW  - Datenanalyse
KW  - landscape hydrology
KW  - low flow
KW  - catchment classification
KW  - multivariate statistics
KW  - data analysis
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69247
ER  - 
TY  - THES
A1  - Macaulay, Euan Angus
T1  - The orogenic evolution of the Central Kyrgyz Tien Shan
T1  - Haben die letzten kaenozoischen klimatischen Verӓnderungen zu erhӧhten Abtragungen im kirgisischen Tien Shan geführt?
N2  - Intra-continental mountain belts typically form as a result of tectonic forces associated with distant plate collisions. In general, each mountain belt has a distinctive morphology and orogenic evolution that is highly dependent on the unique distribution and geometries of inherited structures and other crustal weaknesses. In this thesis, I have investigated the complex and irregular Cenozoic orogenic evolution of the Central Kyrgyz Tien Shan in Central Asia, which is presently one of the most active intra-continental mountain belts in the world. This work involved combining a broad array of datasets, including thermochronologic, magnetostratigraphic, sediment provenance and stable isotope data, to identify and date various changes in tectonic deformation, climate and surface processes. Many of these changes are linked and can ultimately be related to regional-scale processes that altered the orogenic evolution of the Central Kyrgyz Tien Shan. The Central Kyrgyz Tien Shan contains a sub-parallel series of structures that were reactivated in the late Cenozoic in response to the tectonic forces associated with the distant India-Eurasia collision. Over time, slip on the various reactivated structures created the succession of mountain ranges and intermontane basins which characterises the modern morphology of the region. In this thesis, new quantitative constraints on the exhumation histories of several mountain ranges have been obtained by using low temperature thermochronological data from 95 samples (zircon (U-Th)/He, apatite fission track and (U-Th)/He). Time-temperature histories derived by modelling the thermochronologic data of individual samples identify at least two stages of Cenozoic cooling in most of the region’s mountain ranges: (1) initially low cooling rates (<1°C/Myr) during the tectonic quiescent period and (2) increased cooling in the late Cenozoic, which occurred diachronously and with variable magnitude in different ranges. This second cooling stage is interpreted to represent increased erosion caused by active deformation, and in many of the sampled mountain ranges, provides the first available constraints on the timing of late Cenozoic deformation. New constraints on the timing of deformation have also been derived from the sedimentary record of intermontane basins. In the intermontane Issyk Kul basin, new magnetostratigraphic data from two sedimentary sections suggests that deposition of the first Cenozoic syn-tectonic sediments commenced at ~26 Ma. Zircon U-Pb provenance data, paleocurrent and conglomerate clast analysis reveals that these sediments were sourced from the Terskey Range to the south of the basin, suggesting that the onset of the late Cenozoic deformation occurred >26 Ma in that particular range. Elsewhere, growth strata relationships are used to identify syn-tecotnic deposition and constrain the timing of nearby deformation. Collectively, these new constraints obtained from thermochronologic and sedimentary data have allowed me to infer the spatiotemporal distribution of deformation in a transect through the Central Kyrgyz Tien Shan, and determine the order in which mountain ranges started deforming. These data suggest that deformation began in a few widely-spaced mountain ranges in the late Oligocene and early Miocene. Typically, these earlier mountain ranges are bounded on at least one side by a reactivated structure, which probably corresponds to the frictionally weakest and most suitably orientated inherited structures for accommodating the roughly north-south directed horizontal crustal shortening of the late Cenozoic. Moreover, tectonically-induced rock uplift in the Terskey Range, following the reactivation of the bounding structure before 26 Ma, likely caused significant surface uplift across the range, which in turn lead to enhanced orographic precipitation. These wetter conditions have been inferred from stable isotope data collected in the two magnetostratigraphically-dated sections in the Issyk Kul basin. Subsequently, in the late Miocene (~12‒5 Ma), more mountain ranges and inherited structures appear to have started actively deforming. Importantly, the onset of deformation at these locations in the late Miocene coincides with an increase in exhumation of ranges that had started deforming earlier in the late Oligocene‒early Miocene. Based on this observation, I have suggested that there must have been an overall increase in the rate of horizontal crustal shortening across the Central Kyrgyz Tien Shan, which likely relates to regional tectonic changes that affected much of Central Asia. Many of the mountain ranges that started deforming in the late Miocene were associated with out-of-sequence tectonic reactivation and initiation, which lead to the partitioning of larger intermontane basins. Moreover, within most of the intermontane basins in the Central Kyrgyz Tien Shan, this inferred late Miocene increase in horizontal crustal shortening occurs roughly at the same time as an increase in sedimentation rates and a significant change sediment composition. Therefore, I have suggested that the overall magnitude of deformational processes increased in the late Miocene, promoting more flexural subsidence in the intermontane basins of the Central Kyrgyz Tien Shan.
N2  - Intrakontinentale Gebirge sind typischerweise das Ergebnis tektonischer Kräfte, die auf entfernte Plattenkollisionen beruhen. Im Allgemeinen hat jedes Gebirge sein charakteristisches morphologisches Erscheinungsbild und seine eigene und einzigartige Entstehungsgeschichte, die zum Großteil von der Verteilung und der Geometrie vorgeprägter Strukturen und anderer Schwächzonen innerhalb der Erdkruste abhängt. In der vorliegenden Arbeit habe ich die komplexe känozoische Gebirgsbildung des zentral-kirgisischen Tian Shan Gebirges, eines der weltweit aktivsten intrakontinentalen Gebirge, untersucht. Diese Arbeit kombiniert verschiedenste Datensätze, darunter thermochronologische und magnetostratigraphische Daten, Sedimentprovenienzen und stabile Isotopenzusammensetzungen, um Änderungen der tektonischen Deformationsprozesse sowie Klima- und Oberflächenveränderungen zu erkennen und gegebenenfalls zu datieren. Viele dieser Veränderungen sind eng miteinander verknüpft und können letztendlich auf regionale Prozesse zurückgeführt werden, die die Entwicklung des zentral-kirgisischen Tian Shan beeinflussen. Das Tian Shan Gebirge besteht aus einer subparallelen Folge einzelner Gebirgsrücken und deren Strukturen, welche im späten Känozoikum als Reaktion auf die entfernt stattfindende Indo-Eurasische Kollision reaktiviert wurden. Im Laufe der Zeit haben Deformation und Versatz entlang dieser reaktivierten Strukturen eine Abfolge von individuellen Gebirgszügen und dazwischen liegenden Sedimentbecken geschaffen deren Morphologie prägend für die heutige Region ist. In dieser Arbeit wurden neue quantitative Altersbestimmungen zur Exhumationsgeschichte mehrerer Gebirgszüge durch thermochronologische Auswertungen an 95 Gesteinsproben durchgeführt (ZHe, AFT und AHe). Die aus Modellierungen einzelner thermochronologischer Datensätze gewonnenen Temperaturgeschichten lassen für die meisten untersuchten Gebirgszüge mindestens zwei Abschnitte känozoischer Abkühlung erkennen: (1) anfänglich niedrige Abkühlungsraten (<1°C/Myr) während einer tektonische Ruhephase und (2) stärkere Abkühlung im späten Känozoikum, die in den verschiedenen Gebirgsketten diachron und mit unterschiedlicher Intensität einsetzt. Diese zweite Abkühlungsphase kann durch einen Anstieg der Erosionsraten durch aktive Deformation interpretiert werden und stellt für viele der untersuchten Gebirgszüge die erste verfügbare Alterabschätzung spätkänozoischer Deformation dar. Neue Deformationsalter wurden weiterhin aus den Sedimenten intermontaner Becken gewonnen. Im intermontanen Issyk Kul Becken lassen neue magnetostratigraphische Daten zweier Sedimentabschnitte vermuten, dass die Ablagerung der ersten syntektonischen Sedimente im Känozoikum um ca. 26 Ma begann. Weiterhin zeigen Zirkon-Provenienzen, Paläoströmungsrichtungen sowie Klastenanalysen konglomeratischer Sedimente, dass diese Sedimente aus der Terskey Range südlich des Beckens stammen, was vermuten lässt, dass der Beginn der spätkänozoischen Deformation in diesem Teil des Gebirgszuges älter als 26 Ma ist. In anderen Bereichen wurden sedimentäre Wachstumsstrukturen zur Identifikation syntektonischer Ablagerung herangezogen, um somit den Zeitpunkt nahe gelegener Deformation zu bestimmen. Zusammengenommen haben meine Beobachtungen und Auswertungen ermöglicht, die räumlichen und zeitlichen Deformationsmuster quer durch das zentral-kirgisischen Tian Shan Gebirge zu erschließen um eine zeitliche Abfolge in der Entstehung und Entwicklung einzelner Gebirgszüge zu entwickeln. Meine Daten lassen vermuten, dass die Deformation in einigen wenigen, weit auseinander liegenden Bergketten im Spätoligozän bis Frühmiozän begann. Typischerweise sind diese frühen Gebirgsketten auf mindestens einer Seite an eine reaktivierte Struktur gebunden. Diese sind die wahrscheinlich schwächsten oder am besten orientierten Strukturen, um die annähernd Nord-Süd gerichtete Einengung im späten Känozoikum aufzunehmen. Darüber hinaus ist es sehr wahrscheinlich, dass die tektonische Gesteinshebung innerhalb der Terskey Range, entlang reaktivierter Störungen vor 26 Ma, eine signifikante Topographiezunahme zur Folge hatte. Dies führte höchstwahrscheinlich zur Ausbildung einer orographischen Barriere und der damit verbundenen Verstärkung der Regenfälle im Becken nördlich des Rückens. Diese Bedingungen konnten mithilfe stabiler Isotopenzusammensetzungen entlang der zwei magnetostratigraphisch datierten Sedimentprofile im Issyk Kul Becken nachgewiesen werden. Während des späten Miozäns (~12‒5 Ma) begann zeitnah die aktive Deformation und Heraushebung mehrerer neuer Gebirgsrücken. Wichtig dabei erscheint, dass der Zeitpunkt dieser spätmiozänen Deformation mit einem Exhumationsschub derer Gebirgszüge zusammenfällt, die schon viel früher (Spätoligozän bis Frühmiozän) mit der Deformation begannen. Aufgrund dieser Beobachtungen habe ich vorgeschlagen, dass es einen generellen Anstieg der Einengungsraten im Tian Shan gegeben haben muss, welcher auf regionale tektonische Veränderungen zurückzuführen ist die große Teile Zentralasiens betrafen. Viele der Gebirgsrücken, die initial im späten Miozän herausgehoben wurden, sind durch unsystematische, tektonische Prozesse der Reaktivierung und Initialisierung von Strukturen (out-of-sequence) entstanden, die zur Teilung vormals großer, zusammenhängender Sedimentbecken führte. Darüber hinaus weisen die meisten intermontanen Becken im zentral-kirgisischen Tian Shan, in etwa zur Zeit der beobachteten, verstärkten Einengung im Spätmiozän, ebenfalls erhöhte Sedimentationsraten und eine signifikante Änderung der Sedimentzusammensetzung. Daher vermute ich, dass die allgemeine Intensität der Deformation im Spätmiozän zunahm, was eine tektonische Absenkung (flexural subsidence) in den intermontane Becken des zentral-kirgisischen Tian Shan Gebirges zur Folge hatte.
KW  - orogenic evolution
KW  - thermochronology
KW  - Tien Shan
KW  - tectonics
KW  - climate
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68985
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schlolaut, Gordon
T1  - Varve and event layer chronology of Lake Suigetsu (Japan) back to 40 kyr BP and contribution to the international consensus atmospheric radiocarbon calibration curve
T1  - Warven- und Ereignislagen-Chronologie der letzten 40 ka BP vom Suigetsu See (Japan) und Beitrag zur internationalen atmosphärischen Radiokarbon-Kalibrationskurve
N2  - The main intention of the PhD project was to create a varve chronology for the Suigetsu Varves 2006' (SG06) composite profile from Lake Suigetsu (Japan) by thin section microscopy. The chronology was not only to provide an age-scale for the various palaeo-environmental proxies analysed within the SG06 project, but also and foremost to contribute, in combination with the SG06 14C chronology, to the international atmospheric radiocarbon calibration curve (IntCal). The SG06 14C data are based on terrestrial leaf fossils and therefore record atmospheric 14C values directly, avoiding the corrections necessary for the reservoir ages of the marine datasets, which are currently used beyond the tree-ring limit in the IntCal09 dataset (Reimer et al., 2009). The SG06 project is a follow up of the SG93 project (Kitagawa & van der Plicht, 2000), which aimed to produce an atmospheric calibration dataset, too, but suffered from incomplete core recovery and varve count uncertainties. For the SG06 project the complete Lake Suigetsu sediment sequence was recovered continuously, leaving the task to produce an improved varve count. Varve counting was carried out using a dual method approach utilizing thin section microscopy and micro X-Ray Fluorescence (µXRF). The latter was carried out by Dr. Michael Marshall in cooperation with the PhD candidate. The varve count covers 19 m of composite core, which corresponds to the time frame from ≈10 to ≈40 kyr BP. The count result showed that seasonal layers did not form in every year. Hence, the varve counts from either method were incomplete. This rather common problem in varve counting is usually solved by manual varve interpolation. But manual interpolation often suffers from subjectivity. Furthermore, sedimentation rate estimates (which are the basis for interpolation) are generally derived from neighbouring, well varved intervals. This assumes that the sedimentation rates in neighbouring intervals are identical to those in the incompletely varved section, which is not necessarily true. To overcome these problems a novel interpolation method was devised. It is computer based and automated (i.e. avoids subjectivity and ensures reproducibility) and derives the sedimentation rate estimate directly from the incompletely varved interval by statistically analysing distances between successive seasonal layers. Therefore, the interpolation approach is also suitable for sediments which do not contain well varved intervals. Another benefit of the novel method is that it provides objective interpolation error estimates. Interpolation results from the two counting methods were combined and the resulting chronology compared to the 14C chronology from Lake Suigetsu, calibrated with the tree-ring derived section of IntCal09 (which is considered accurate). The varve and 14C chronology showed a high degree of similarity, demonstrating that the novel interpolation method produces reliable results. In order to constrain the uncertainties of the varve chronology, especially the cumulative error estimates, U-Th dated speleothem data were used by linking the low frequency 14C signal of Lake Suigetsu and the speleothems, increasing the accuracy and precision of the Suigetsu calibration dataset. The resulting chronology also represents the age-scale for the various palaeo-environmental proxies analysed in the SG06 project. One proxy analysed within the PhD project was the distribution of event layers, which are often representatives of past floods or earthquakes. A detailed microfacies analysis revealed three different types of event layers, two of which are described here for the first time for the Suigetsu sediment. The types are: matrix supported layers produced as result of subaqueous slope failures, turbidites produced as result of landslides and turbidites produced as result of flood events. The former two are likely to have been triggered by earthquakes. The vast majority of event layers was related to floods (362 out of 369), which allowed the construction of a respective chronology for the last 40 kyr. Flood frequencies were highly variable, reaching their greatest values during the global sea level low-stand of the Glacial, their lowest values during Heinrich Event 1. Typhoons affecting the region represent the most likely control on the flood frequency, especially during the Glacial. However, also local, non-climatic controls are suggested by the data. In summary, the work presented here expands and revises knowledge on the Lake Suigetsu sediment and enabls the construction of a far more precise varve chronology. The 14C calibration dataset is the first such derived from lacustrine sediments to be included into the (next) IntCal dataset. References: Kitagawa & van der Plicht, 2000, Radiocarbon, Vol 42(3), 370-381 Reimer et al., 2009, Radiocarbon, Vol 51(4), 1111-1150
N2  - Die Hauptzielsetzung der Doktorarbeit war die Erstellung einer Warvenchronologie für das Kompositprofil der "Suigetsu Varves 2006" (SG06) Sedimentbohrung vom Suigetsu See durch Dünnschliffmikroskopie. Die Chronologie soll dabei nicht nur als Altersskala für die unterschiedlichen Proxies, die im Rahmen des SG06 Projekts bearbeitet werden, dienen, sondern in Kombination mit der SG06 14C Chronologie auch zur Verbesserung der internationalen Radiokarbon Kalibrationskurve (IntCal) beitragen. Da die SG06 14C Daten aus fossilen, in den See eingewehten Blättern gewonnen wurden, geben sie den 14C Gehalt der Atmosphäre direkt wieder. Das heißt, dass Korrekturen entfallen, wie sie bei den derzeit im IntCal09 Datensatz (Reimer et al., 2009) genutzten marinen 14C Daten notwendig sind. Das SG06 Projekt ist ein Folgeprojekt des SG93 Projekts (Kitagawa & van der Plicht, 2000), welches ebenfalls die Erstellung eines Kalibrationsdatensatzes zur Zielsetzung hatte. Allerdings war das Sedimentprofil der SG93 Bohrung unvollständig und die Warvenchronologie unzureichend genau. Im Rahmen des SG06 Projekts wurde die komplette Sedimentabfolge des Sees erbohrt, so dass die Erstellung einer verbesserten Warvenchronologie als Aufgabe verblieb. Für die Erstellung der Warvenchronologie kam neben Dünnschliffmikroskopie eine zweite, unabhängige Zähltechnik zum Einsatz, die Mikro-Röntgenfluoresenz (µXRF) Daten nutzt. Diese Zählung wurde von Dr. Michael Marshall in Zusammenarbeit mit dem Doktoranden erstellt. Insgesamt wurden in 19 m des SG06 Sedimentprofils Warven gezählt, was dem Zeitabschnitt zwischen ≈10 und ≈40 ka BP entspricht. Die Warvenzählung zeigte, dass sich nicht jedes Jahr saisonale Lagen ausgebildet hatten und die Zählungen von beiden Techniken damit unvollständig waren. Dieses Problem tritt bei Warvenzählungen häufiger auf und wird in der Regel durch manuelle Interpolation der fehlenden Lagen gelöst. Allerdings hat der manuelle Ansatz Schwächen. Zum einen kann es zu subjektiven Ungenauigkeiten kommen, zum anderen wird die durchschnittliche Sedimentationsrate (welche die Grundlage der Interpolation ist) in der Regel aus benachbarten, gut warvierten Bereichen abgeleitet. Das setzt jedoch voraus, dass die Sedimentationsrate in den benachbarten Intervallen identisch mit der im zu interpolierenden Bereich ist, was nicht zwingend der Fall ist. Um diese Probleme zu umgehen wurde für die vorliegende Arbeit eine neuartige Interpolationsmethode entwickelt. Diese ist computergestützt und automatisiert und Ergebnisse daher objektiv und reproduzierbar. Weiterhin wird die Sedimentationsrate direkt aus dem zu interpolierenden Bereich bestimmt, indem die Abstände der auftretenden saisonalen Lagen statistisch ausgewertet werden. Daher kann die Methode auch für Profile ohne gut warvierte Bereiche eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil des neuen Interpolationsprogramms ist, dass ein objektiver Interpolationsfehlers berechnet wird. Die interpolierten Ergebnisse der beiden Zähltechniken wurden kombiniert und um nachzuweisen, dass es sich bei der resultierenden Chronologie um ein zuverlässiges Ergebnis handelt, wurde diese mit der mit IntCal09 kalibrierten 14C Chronologie vom Suigetsu See verglichen. Dabei wurde nur der Abschnitt berücksichtigt, in dem IntCal09 auf dendrologischen Daten beruht (bis 12,55 ka cal BP). Der Vergleich zeigte, dass die finale Warvenchronologie innerhalb des 68,2% Fehlerbereichs der 14C Datierungen lag. Das heißt, dass die Interpolationsmethode hinreichend genaue und zuverlässige Ergebnisse erzielt. Die Genauigkeit wurde weiter verbessert, indem die Chronologie mit U-Th Altern von Speläothemen modelliert wurde, wobei die tieffrequenten Signale der 14C Daten als Verbindung zwischen Suigetsu und den Speläothemen verwendet wurde, was die Konstruktion eines verbesserten Kalibrationdatensatzes erlaubte. Die modellierte Chronologie stellt dabei auch die Altersskale für die im SG06 Projekt analysierten Proxies dar. Ein Proxy der im Rahmen der Doktorarbeit untersucht wurde war die Verteilung von Ereignislagen. Diese sind in der Regel Anzeiger für Flutereignisse oder Erdbeben. Die mikrofazielle Untersuchung der Ereignislagen zeigte drei verschiedene Lagentypen auf, wobei zwei davon hier erstmals für den Suigetsu See beschrieben sind. Die Lagentypen sind: Matrix dominierte Lagen als Ergebnis von Seegrundrutschungen, Turbidite als Ergebnis von Hangrutschungen und Turbidite als Ergebnis von Flutereignissen. Die ersten beiden Lagentypen wurden vermutlich durch Erdbeben ausgelöst. Die große Mehrheit der Ereignislagen ist jedoch auf Flutereignisse zurückzuführen (362 von 369). Dies erlaubte die Rekonstruktion der Hochwasserhäufigkeit für die letzten 40 ka. Dabei zeigten sich starke Schwankungen über den analysierten Zeitraum. Die höchsten Werte wurden während des glazialen Meeresspiegelminimums erreicht während die niedrigsten Werte im Zusammenhang mit Heinrich Ereignis 1 auftraten, was vermutlich in erster Linie mit der Taifunhäufigkeit in der Region zusammenhängt. Allerdings zeigten die Daten auch Einflüsse von lokalen, nicht Klima getriebenen Prozessen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die hier vorliegende Arbeit die Kenntnisse über die Sedimente des Suigetsu Sees deutlich erweitert hat und die Revidierung einiger älterer Interpretationen nahe legt. Die verbesserte Warvenchronologie trug zu einem deutlich verbesserten Kalibrationsdatensatz bei. Dieser ist der erste aus lakustrinen Daten gewonnen Datensatz, der in den (kommenden) IntCal Datensatz eingearbeitet werden wird. Quellennachweis: Kitagawa & van der Plicht, 2000, Radiocarbon, Vol 42(3), 370-381 Reimer et al., 2009, Radiocarbon, Vol 51(4), 1111-1150
KW  - Suigetsu
KW  - radiocarbon
KW  - floods
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69096
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baumann-Wilke, Maria
T1  - Combining body wave tomography, surface wave inversion, seismic interferometry and laboratory measurements to characterize the black shales on Bornholm at different scales
T1  - Anwendung von Raumwellentomographie, Inversion von Oberflächenwellen, seismischer Interferometrie und Labormessungen zur Charakterisierung der Schwarzschiefer auf Bornholm auf verschiedenen Skalen
N2  - Black shales are sedimentary rocks with a high content of organic carbon, which leads to a dark grayish to black color. Due to their potential to contain oil or gas, black shales are of great interest for the support of the worldwide energy supply. An integrated seismic investigation of the Lower Palaeozoic black shales was carried out at the Danish island Bornholm to locate the shallow-lying Alum Shale layer and its surrounding formations and to characterize its potential as a source rock. Therefore, two seismic experiments at a total of three crossing profiles were carried out in October 2010 and in June 2012 in the southern part of the island. Two different active measurements were conducted with either a weight drop source or a minivibrator. Additionally, the ambient noise field was recorded at the study location over a time interval of about one day, and also a laboratory analysis of borehole samples was carried out. The seismic profiles were positioned as close as possible to two scientific boreholes which were used for comparative purposes. The seismic field data was analyzed with traveltime tomography, surface wave inversion and seismic interferometry to obtain the P-wave and S-wave velocity models of the subsurface. The P-wave velocity models which were determined for all three profiles clearly locate the Alum Shale layer between the Komstad Limestone layer on top and the Læså Sandstone Formation at the base of the models. The black shale layer has P-wave velocities around 3 km/s which are lower compared to the adjacent formations. Due to a very good agreement of the sonic log and the vertical velocity profiles of the two seismic lines, which are directly crossing the borehole where the sonic log was conducted, the reliability of the traveltime tomography is proven. A correlation of the seismic velocities with the content of organic carbon is an important task for the characterization of the reservoir properties of a black shale formation. It is not possible without calibration but in combination with a full 2D tomographic image of the subsurface it gives the subsurface distribution of the organic material. The S-wave model obtained with surface wave inversion of the vibroseis data of one of the profiles images the Alum Shale layer also very well with S-wave velocities around 2 km/s. Although individual 1D velocity models for each of the source positions were determined, the subsurface S-wave velocity distribution is very uniform with a good match between the single models. A really new approach described here is the application of seismic interferometry to a really small study area and a quite short time interval. Also new is the selective procedure of only using time windows with the best crosscorrelation signals to achieve the final interferograms. Due to the small scale of the interferometry even P-wave signals can be observed in the final crosscorrelations. In the laboratory measurements the seismic body waves were recorded for different pressure and temperature stages. Therefore, samples of different depths of the Alum Shale were available from one of the scientific boreholes at the study location. The measured velocities have a high variance with changing pressure or temperature. Recordings with wave propagation both parallel and perpendicular to the bedding of the samples reveal a great amount of anisotropy for the P-wave velocity, whereas the S-wave velocity is almost independent of the wave direction. The calculated velocity ratio is also highly anisotropic with very low values for the perpendicular samples and very high values for the parallel ones. Interestingly, the laboratory velocities of the perpendicular samples are comparable to the velocities of the field experiments indicating that the field measurements are sensitive to wave propagation in vertical direction. The velocity ratio is also calculated with the P-wave and S-wave velocity models of the field experiments. Again, the Alum Shale can be clearly separated from the adjacent formations because it shows overall very low vP/vS ratios around 1.4. The very low velocity ratio indicates the content of gas in the black shale formation. With the combination of all the different methods described here, a comprehensive interpretation of the seismic response of the black shale layer can be made and the hydrocarbon source rock potential can be estimated.
N2  - Schwarzschiefer sind Sedimentgesteine, die einen hohen Gehalt an organischem Kohlenstoff aufweisen, was zu einer dunkelgrauen bis schwarzen Färbung führt. Da Schwarzschiefer das Potenzial besitzen, Öl oder Gas zu enthalten und somit zur weltweiten Energieversorgung beitragen könnten, sind sie von großem Interesse. Mit Hilfe der Kombination verschiedener seismischer Messverfahren wurden die Schwarzschiefer des Unteren Paläozoikums auf der dänischen Insel Bornholm untersucht um den oberflächennahen Alaunschiefer und dessen Umgebungsgestein dort zu lokalisieren und sein Potenzial als Muttergestein abzuschätzen. Dafür wurden im Oktober 2010 und im Juni 2012 im südlichen Teil der Insel zwei seismische Experimente auf insgesamt drei sich kreuzenden Profilen durchgeführt. Für zwei aktive seismische Messungen wurden ein Fallgewicht und ein Minivibrator als Quellen genutzt. Zusätzlich wurde im Messgebiet noch das Wellenfeld des umgebenden Rauschens über einen Zeitraum von etwa einem Tag aufgezeichnet. Außerdem wurden Labormessungen an Bohrkernen aus dem Alaunschiefer durchgeführt. Die seismischen Messprofile befanden sich so nah wie möglich an zwei wissenschaftlichen Bohrungen, die für Vergleichszwecke genutzt wurden. Um die P- und S-Wellengeschwindigkeitsmodelle des Untergrundes zu erhalten wurden die seismischen Felddaten mittels Laufzeittomographie, Oberflächenwelleninversion und seismischer Interferometrie ausgewertet. Die P-Wellenmodelle, die für alle drei seismischen Profile erstellt wurden, zeigen den Alaunschiefer zwischen dem Komstad Kalkstein, der den Alaunschiefer überdeckt, und der Læså Sandsteinformation, die die Basis der Modelle bildet. Für die Schwarzschieferschicht ergeben sich mit rund 3 km/s deutlich geringere P-Wellengeschwindigkeiten als für die umgebenden Gesteine. Zwei seismische Profile liegen direkt an einer der Bohrungen, für die verschiedene Bohrloch-Logs durchgeführt wurden. Der Vergleich des Sonic-Logs mit den vertikalen Geschwindigkeitsprofilen beider Modelle am Bohrpunkt zeigt eine sehr gute übereinstimmung aller Geschwindigkeiten. Dies ist ein Indiz für die Plausibilität der durchgeführten Laufzeittomographie. Um die Reservoireigenschaften der Schwarzschieferschicht einordnen zu können, wurde versucht, die seismischen Geschwindigkeiten mit dem Gehalt an organischem Material zu korrelieren. Ohne geeignete Kalibrierung ist diese Korrelation schwierig, kann aber mit Hilfe der Tomographieergebnisse ein zweidimensionales Abbild der Verteilung des organischen Materials im Untergrund liefern. Auch das S-Wellengeschwindigkeitsmodell, welches mit der Oberflächenwelleninversion der Vibroseisdaten erstellt wurde, bildet den Alaunschiefer gut ab. Hierbei zeigen sich S-Wellengeschwindigkeiten um 2 km/s. Obwohl jeweils nur 1D-Modelle für jede Quellposition bestimmt wurden, ergibt sich für die gesamte Untergrundstruktur des untersuchten Profils ein einheitliches Bild der Geschwindigkeiten. Einen sehr neuen Ansatz bildet die Anwendung der seismischen Interferometrie auf ein sehr kleines Untersuchungsgebiet und über einen sehr kurzen Zeitraum. Neu ist außerdem, dass für die Bestimmung der endgültigen Interferogramme nur Zeitfenster der Kreuzkorrelationen ausgewählt werden, in denen die Signalqualität hinreichend gut ist. In den berechneten Kreuzkorrelationen sind sogar P-Wellen enthalten, was auf die geringen Abstände der seismischen Rekorder zurück zu führen ist. Bei den Labormessungen wurden die Raumwellen für verschiedene Drücke und Temperaturen aufgezeichnet. Die Messungen der Geschwindigkeiten sowohl parallel als auch senkrecht zur Schichtung der Proben zeigen eine starke Anisotropie für die P-Welle. Dagegen scheint die S-Wellengeschwindigkeit fast unabhängig von der Ausbreitungsrichtung der Wellen zu sein. Auch das Verhältnis der Geschwindigkeiten weist starke Anisotropie auf. Für die Wellenausbreitung senkrecht zur Schichtung zeigen sich sehr niedrige Werte, die Werte für die Messungen parallel zur Schichtung sind dagegen deutlich erhöht. Ein interessanter Aspekt der aus den Labormessungen resultiert ist, dass die Geschwindigkeit der Messungen senkrecht zur Schichtung mit den Geschwindigkeitswerten der Feldmessungen übereinstimmen. Damit scheinen die Feldmessungen besonders die Ausbreitung der Wellen in vertikaler Richtung zu registrieren. Das Geschwindigkeitsverhältnis wurde auch mit den P- und S-Wellenmodellen der Feldexperimente berechnet. Auch hier hebt sich der Alaunschiefer mit deutlich verringerten Werten um 1.4 vom Umgebungsgestein ab. Solch geringe Werte für das Verhältnis der Geschwindigkeiten deutet auf den Gehalt von Gas im Schwarzschiefer. Mit der Kombination der verschiedenen Methoden ist es möglich, die seismische Antwort der Schwarzschieferschicht umfassend zu beschreiben und Schlussfolgerungen darüber zu ziehen, ob die hier untersuchte Schwarzschieferschicht das Potenzial hat als Kohlenwasserstofflagerstätte zu fungieren.
KW  - Seismische Tomographie
KW  - Seismische Interferometrie
KW  - Alaunschiefer
KW  - Seismische Geschwindigkeiten
KW  - seismic tomography
KW  - seismic interferometry
KW  - Alum shale
KW  - seismic velocities
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69007
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bischoff, Juliane
T1  - Microbial communities and their response to Pleistocene and Holocene climate variabilities in the Russian Arctic
T1  - Mikrobielle Gemeinschaften und ihre Reaktion auf Klimaeveränderungen des Pleistozäns und Holozäns in der Russischen Arktis
N2  - The Arctic is considered as a focal region in the ongoing climate change debate. The currently observed and predicted climate warming is particularly pronounced in the high northern latitudes. Rising temperatures in the Arctic cause progressive deepening and duration of permafrost thawing during the arctic summer, creating an ‘active layer’ with high bioavailability of nutrients and labile carbon for microbial consumption. The microbial mineralization of permafrost carbon creates large amounts of greenhouse gases, including carbon dioxide and methane, which can be released to the atmosphere, creating a positive feedback to global warming. However, to date, the microbial communities that drive the overall carbon cycle and specifically methane production in the Arctic are poorly constrained. To assess how these microbial communities will respond to the predicted climate changes, such as an increase in atmospheric and soil temperatures causing increased bioavailability of organic carbon, it is necessary to investigate the current status of this environment, but also how these microbial communities reacted to climate changes in the past. This PhD thesis investigated three records from two different study sites in the Russian Arctic, including permafrost, lake shore and lake deposits from Siberia and Chukotka. A combined stratigraphic approach of microbial and molecular organic geochemical techniques were used to identify and quantify characteristic microbial gene and lipid biomarkers. Based on this data it was possible to characterize and identify the climate response of microbial communities involved in past carbon cycling during the Middle Pleistocene and the Late Pleistocene to Holocene. It is shown that previous warmer periods were associated with an expansion of bacterial and archaeal communities throughout the Russian Arctic, similar to present day conditions. Different from this situation, past glacial and stadial periods experienced a substantial decrease in the abundance of Bacteria and Archaea. This trend can also be confirmed for the community of methanogenic archaea that were highly abundant and diverse during warm and particularly wet conditions. For the terrestrial permafrost, a direct effect of the temperature on the microbial communities is likely. In contrast, it is suggested that the temperature rise in scope of the glacial-interglacial climate variations led to an increase of the primary production in the Arctic lake setting, as can be seen in the corresponding biogenic silica distribution. The availability of this algae-derived carbon is suggested to be a driver for the observed pattern in the microbial abundance. This work demonstrates the effect of climate changes on the community composition of methanogenic archae. Methanosarcina-related species were abundant throughout the Russian Arctic and were able to adapt to changing environmental conditions. In contrast, members of Methanocellales and Methanomicrobiales were not able to adapt to past climate changes. This PhD thesis provides first evidence that past climatic warming led to an increased abundance of microbial communities in the Arctic, closely linked to the cycling of carbon and methane production. With the predicted climate warming, it may, therefore, be anticipated that extensive amounts of microbial communities will develop. Increasing temperatures in the Arctic will affect the temperature sensitive parts of the current microbiological communities, possibly leading to a suppression of cold adapted species and the prevalence of methanogenic archaea that tolerate or adapt to increasing temperatures. These changes in the composition of methanogenic archaea will likely increase the methane production potential of high latitude terrestrial regions, changing the Arctic from a carbon sink to a source.
N2  - Die Arktis ist in den gegenwärtigen Diskussionen zum Klimawandel von besonderem Interesse. Die derzeitig beobachtete globale Erwärmung ist in den hohen nördlichen Breiten besonders ausgeprägt. Dies führt dazu, dass ehemals gefrorene Böden zunehmend tiefer auftauen und daher im Boden enthaltene Kohlenstoffquellen für die mikrobielle Umsetzung und Mineralisierung zur Verfügung stehen. Aufgrund dieser Prozesse entstehen klimarelevant Gase, darunter Kohlendioxid und Methan, die aus den Böden und Sedimenten freigesetzt werden können. Wenn man bedenkt, dass in den nördlichen Permafrostgebieten die Hälfte des weltweit unter der Bodenoberfläche gelagerten Kohlenstoffs gelagert ist, wird die Bedeutung dieser Region für das Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufes und der möglichen Treibhaus-gasemissionen sichtbar. Trotz dieser Relevanz, sind die am Kohlenstoffumsatz beteiligten Mikroorganismen in der Arktis wenig untersucht und ihre Anpassungsfähigkeit an die gegenwärtigen Klimaveränderungen unbekannt. Die vorliegende Arbeit untersucht daher, wie sich Klimaveränderungen in der Vergangenheit auf die Anzahl und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften ausgewirkt haben. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf die methanbildenden Archaeen, um das Verständnis der mikrobiellen Methandynamik zu vertiefen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Bohrkerne aus zwei verschiedenen Standorten in der russischen Arktis untersucht, darunter terrestrischer Permafrost und Seesedimente aus Sibirien und Chukotka, Russland. Mittels der Identifikation und Quantifizierung von mikrobiellen Genen und charakteristischen Bestandteilen der mikrobiellen Zellmembran war es möglich, fossile mikrobielle Gemeinschaften in Seesedimenten mit einem Alter von bis zu 480 000 Jahren und in Permafrostablagerungen mit einem Alter von bis zu 42 000 Jahren zu rekonstruieren. Es wurde gezeigt, dass es während vergangener warmen Perioden zu einem Wachstum von Bakterien und Archaeen in allen untersuchten Standorten gekommen ist. Dieser Trend konnte auch für die Gemeinschaft der methanogenen Archaeen gezeigt werden, die während warmen und insbesondere feuchten Klimabedingungen in großer Anzahl und Diversität vorhanden waren, was wiederrum Rückschlüsse auf mögliche Methanemissionen erlaubt. In den terrestrischen Permafroststandorten wird der Temperaturanstieg als direkte Ursache für die gefundene Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft vermutet. Im Gegenzug dazu, führte der Temperaturanstieg im untersuchten arktischen See wahrscheinlich zu einer erhöhten Primärproduktion von organischem Kohlenstoff, die wiederum das Wachstum der Mikroorganismen antrieb. Weiterhin konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass Methanosarcina-verwandte Spezies in der Russischen Arktis weit verbreitet sind und sich an veränderte Umweltbedingungen gut anpassen können. Im Gegensatz dazu stehen Vertreter von Methanocellales und Methano-microbiales, die nicht in der Lage sich an veränderte Lebensbedingungen anzupassen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, dass es in früheren Warmphasen zu einem vermehrten Wachstum der an der Umsetzung des organischen Kohlenstoffs beteiligten Mikroorganismen in der Russischen Arktis gekommen ist. Im Zusammenhang mit der zukünftigen Erwärmung der Arktis kann also von einer Veränderung der am Kohlenstoffkreislauf beteiligten Mikroorganismen ausgegangen werden kann. Mit den steigenden Temperaturen werden sich einige Vertreter der methanproduzierenden Mikroorganismen an die veränderten Bedingungen anpassen können, während Temperatur-empfindliche Vertreter aus dem Habitat verdrängt werden. Diese Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft können die Methanproduktion der hohen noerdlichen Breiten erhoehen und dazu beitragen, dass aus der Arktis als eine Kohlenstoffsenke eine Kohlenstoffquelle wird.
KW  - Arctic
KW  - climate change
KW  - microbial communities
KW  - lipid biomarkers
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68895
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bajerski, Felizitas
T1  - Bacterial communities in glacier forefields of the Larsemann Hills, East Antarctica : structure, development & adaptation
T1  - Bakterielle Gemeinschaften in Gletschervorfeldern der Larsemann Berge der Ostantarktis : Struktur, Entwicklung & Anpassung
N2  - Antarctic glacier forfields are extreme environments and pioneer sites for ecological succession. The Antarctic continent shows microbial community development as a natural laboratory because of its special environment, geographic isolation and little anthropogenic influence. Increasing temperatures due to global warming lead to enhanced deglaciation processes in cold-affected habitats and new terrain is becoming exposed to soil formation and accessible for microbial colonisation. This study aims to understand the structure and development of glacier forefield bacterial communities, especially how soil parameters impact the microorganisms and how those are adapted to the extreme conditions of the habitat. To this effect, a combination of cultivation experiments, molecular, geophysical and geochemical analysis was applied to examine two glacier forfields of the Larsemann Hills, East Antarctica. Culture-independent molecular tools such as terminal restriction length polymorphism (T-RFLP), clone libraries and quantitative real-time PCR (qPCR) were used to determine bacterial diversity and distribution. Cultivation of yet unknown species was carried out to get insights in the physiology and adaptation of the microorganisms. Adaptation strategies of the microorganisms were studied by determining changes of the cell membrane phospholipid fatty acid (PLFA) inventory of an isolated bacterium in response to temperature and pH fluctuations and by measuring enzyme activity at low temperature in environmental soil samples. The two studied glacier forefields are extreme habitats characterised by low temperatures, low water availability and small oligotrophic nutrient pools and represent sites of different bacterial succession in relation to soil parameters. The investigated sites showed microbial succession at an early step of soil formation near the ice tongue in comparison to closely located but rather older and more developed soil from the forefield. At the early step the succession is influenced by a deglaciation-dependent areal shift of soil parameters followed by a variable and prevalently depth-related distribution of the soil parameters that is driven by the extreme Antarctic conditions. The dominant taxa in the glacier forefields are Actinobacteria, Acidobacteria, Proteobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria and Chloroflexi. The connection of soil characteristics with bacterial community structure showed that soil parameter and soil formation along the glacier forefield influence the distribution of certain phyla. In the early step of succession the relative undifferentiated bacterial diversity reflects the undifferentiated soil development and has a high potential to shift according to past and present environmental conditions. With progressing development environmental constraints such as water or carbon limitation have a greater influence. Adapting the culturing conditions to the cold and oligotrophic environment, the number of culturable heterotrophic bacteria reached up to 108 colony forming units per gram soil and 148 isolates were obtained. Two new psychrotolerant bacteria, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T and Chryseobacterium frigidisoli PB4T, were characterised in detail and described as novel species in the family of Oxalobacteraceae and Flavobacteriaceae, respectively. The isolates are able to grow at low temperatures tolerating temperature fluctuations and they are not specialised to a certain substrate, therefore they are well-adapted to the cold and oligotrophic environment. The adaptation strategies of the microorganisms were analysed in environmental samples and cultures focussing on extracellular enzyme activity at low temperature and PLFA analyses. Extracellular phosphatases (pH 11 and pH 6.5), β-glucosidase, invertase and urease activity were detected in the glacier forefield soils at low temperature (14°C) catalysing the conversion of various compounds providing necessary substrates and may further play a role in the soil formation and total carbon turnover of the habitat. The PLFA analysis of the newly isolated species C. frigidisoli showed that the cold-adapted strain develops different strategies to maintain the cell membrane function under changing environmental conditions by altering the PLFA inventory at different temperatures and pH values. A newly discovered fatty acid, which was not found in any other microorganism so far, significantly increased at decreasing temperature and low pH and thus plays an important role in the adaption of C. frigidisoli. This work gives insights into the diversity, distribution and adaptation mechanisms of microbial communities in oligotrophic cold-affected soils and shows that Antarctic glacier forefields are suitable model systems to study bacterial colonisation in connection to soil formation.
N2  - Gletschervorfelder der Antarktis stellen extreme Habitate dar und sind Pionierstandorte biologischer Sukzession. Insbesondere unter Berücksichtigung zuletzt beobachteter und vorausgesagter Erwärmungstrends in der Antarktis und der Relevanz der Mikroorganismen für das Antarktische Ökosystem, ist es essentiell mehr Informationen über die Entwicklung frisch exponierter Gletschervorfelder zu erlangen. Ziel dieser Studie ist es, die Struktur und Entwicklung bakterieller Gletschervorfeldgemeinschaften zu verstehen, insbesondere wie die Mikroorganismen von den Bodenparametern beeinflusst werden und wie diese sich an die extremen Bedingungen des Habitats anpassen. Für die Untersuchung der Proben von zwei Gletschervorfeldern aus den Larsemann Bergen der Ostantarktis diente eine Kombination aus Kultivierungsexperimenten und molekularen, geophysikalischen und geochemischen Analysen. Die untersuchten Gletschervorfelder sind durch extrem niedrige Temperaturen, einer geringen biologischen Wasserverfügbarkeit und oligotrophe Nährstoffgehalte charakterisiert und zeigen unterschiedliche Entwicklungsstufen in Verbindung zu den Bodenparametern. In einem frühen Schritt der Bodenbildung in der Nähe der Gletscherzunge sind die Gemeinschaften undifferenziert, doch mit fortschreitender Entwicklung nimmt de Einfluss von Wasser- und Nährstofflimitationen zu. Nachdem die Kultivierungsbedingungen den kalten und nährstoffarmen Bedingungen des Habitats angepasst wurden, konnten 108 koloniebildende Einheiten heterotropher Bakterien pro Gramm Boden angereichert und daraus 148 Isolate gewonnen werden. Zwei neue psychrotolerante Bakterien, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T und Chryseobacterium frigidisoli PB4T, wurden detailiert charakterisiert und als jeweils neue Spezies beschrieben. Die Anpassungsstrategien der Mikroorganismen an die extremen antarktischen Bedingungen zeigten sich in der Aktivität extrazellulärer Enzyme bei niedriger Temperatur, die mit derer temperierter Habitate vergleichbar ist, und in der Fähigkeit der Mikroorganismen, die Fettsäurezusammensetzung der Zellmembran zu ändern. Eine neue Fettsäure, die bisher in keinen anderen Mikroorganismus gefunden wurde, spielt eine entscheidende Rolle in der Anpassung des neu-beschriebenen Bakteriums C. frigidisoli an niedrige Temperaturen und saure pH-Werte. Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Vielfalt, Verteilung und Anpassung mikrobieller Gemeinschaften in nährstoffarmen und Kälte-beeinflussten Habitaten und zeigt, dass Antarktische Gletschervorfelder geeignete Modellsysteme, um bakterielle Besiedelung in Verbindung zu Bodenbildung zu untersuchen.
KW  - Antarktis
KW  - Gletschervorfeld
KW  - mikrobielle Gemeinschaften
KW  - Anpassung
KW  - Kultivierung
KW  - Antarctica
KW  - glacier forefield
KW  - microbial communities
KW  - adaptation
KW  - cultivation
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67424
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TY  - THES
A1  - Fuchs, Sven
T1  - Well-log based determination of rock thermal conductivity in the North German Basin
T1  - Bestimmung der Gesteinswärmeleitfähigkeit aus geophysikalischen Bohrlochmessungen im Norddeutschen Becken
N2  - In sedimentary basins, rock thermal conductivity can vary both laterally and vertically, thus altering the basin’s thermal structure locally and regionally. Knowledge of the thermal conductivity of geological formations and its spatial variations is essential, not only for quantifying basin evolution and hydrocarbon maturation processes, but also for understanding geothermal conditions in a geological setting. In conjunction with the temperature gradient, thermal conductivity represents the basic input parameter for the determination of the heat-flow density; which, in turn, is applied as a major input parameter in thermal modeling at different scales. Drill-core samples, which are necessary to determine thermal properties by laboratory measurements, are rarely available and often limited to previously explored reservoir formations. Thus, thermal conductivities of Mesozoic rocks in the North German Basin (NGB) are largely unknown. In contrast, geophysical borehole measurements are often available for the entire drilled sequence. Therefore, prediction equations to determine thermal conductivity based on well-log data are desirable. In this study rock thermal conductivity was investigated on different scales by (1) providing thermal-conductivity measurements on Mesozoic rocks, (2) evaluating and improving commonly applied mixing models which were used to estimate matrix and pore-filled rock thermal conductivities, and (3) developing new well-log based equations to predict thermal conductivity in boreholes without core control. Laboratory measurements are performed on sedimentary rock of major geothermal reservoirs in the Northeast German Basin (NEGB) (Aalenian, Rhaethian-Liassic, Stuttgart Fm., and Middle Buntsandstein). Samples are obtained from eight deep geothermal wells that approach depths of up to 2,500 m. Bulk thermal conductivities of Mesozoic sandstones range between 2.1 and 3.9 W/(m∙K), while matrix thermal conductivity ranges between 3.4 and 7.4 W/(m∙K). Local heat flow for the Stralsund location averages 76 mW/m², which is in good agreement to values reported previously for the NEGB. For the first time, in-situ bulk thermal conductivity is indirectly calculated for entire borehole profiles in the NEGB using the determined surface heat flow and measured temperature data. Average bulk thermal conductivity, derived for geological formations within the Mesozoic section, ranges between 1.5 and 3.1 W/(m∙K). The measurement of both dry- and water-saturated thermal conductivities allow further evaluation of different two-component mixing models which are often applied in geothermal calculations (e.g., arithmetic mean, geometric mean, harmonic mean, Hashin-Shtrikman mean, and effective-medium theory mean). It is found that the geometric-mean model shows the best correlation between calculated and measured bulk thermal conductivity. However, by applying new model-dependent correction, equations the quality of fit could be significantly improved and the error diffusion of each model reduced. The ‘corrected’ geometric mean provides the most satisfying results and constitutes a universally applicable model for sedimentary rocks. Furthermore, lithotype-specific and model-independent conversion equations are developed permitting a calculation of water-saturated thermal conductivity from dry-measured thermal conductivity and porosity within an error range of 5 to 10%. The limited availability of core samples and the expensive core-based laboratory measurements make it worthwhile to use petrophysical well logs to determine thermal conductivity for sedimentary rocks. The approach followed in this study is based on the detailed analyses of the relationships between thermal conductivity of rock-forming minerals, which are most abundant in sedimentary rocks, and the properties measured by standard logging tools. By using multivariate statistics separately for clastic, carbonate and evaporite rocks, the findings from these analyses allow the development of prediction equations from large artificial data sets that predict matrix thermal conductivity within an error of 4 to 11%. These equations are validated successfully on a comprehensive subsurface data set from the NGB. In comparison to the application of earlier published approaches formation-dependent developed for certain areas, the new developed equations show a significant error reduction of up to 50%. These results are used to infer rock thermal conductivity for entire borehole profiles. By inversion of corrected in-situ thermal-conductivity profiles, temperature profiles are calculated and compared to measured high-precision temperature logs. The resulting uncertainty in temperature prediction averages < 5%, which reveals the excellent temperature prediction capabilities using the presented approach. In conclusion, data and methods are provided to achieve a much more detailed parameterization of thermal models.
N2  - Die thermische Modellierung des geologischen Untergrundes ist ein wichtiges Werkzeug bei der Erkundung und Bewertung tiefliegender Ressourcen sedimentärer Becken (e.g., Kohlenwasserstoffe, Wärme). Die laterale und vertikale Temperaturverteilung im Untergrund wird, neben der Wärmestromdichte und der radiogenen Wärmeproduktion, hauptsächlich durch die Wärmeleitfähigkeit (WLF) der abgelagerten Gesteinsschichten bestimmt. Diese Parameter stellen die wesentlichen Eingangsgrößen für thermische Modelle dar. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bestimmung der Gesteins-WLF auf verschiedenen Skalen. Dies umfasst (1) laborative WLF-Messungen an mesozoischen Bohrkernproben, (2) die Evaluierung und Verbesserung der Prognosefähigkeit von Mischgesetzten zur Berechnung von Matrix- und Gesamt-WLF sedimentärer Gesteine, sowie (3) die Entwicklung neuer Prognosegleichungen unter Nutzung bohrlochgeophysikalischer Messungen und multivariater Analysemethoden im NGB. Im Nordostdeutschen Becken (NEGB) wurden für die wichtigsten geothermischen Reservoire des Mesozoikums (Aalen, Rhät-Lias-Komplex, Stuttgart Formation, Mittlerer Buntsandstein) Bohrkerne geothermischer Tiefbohrungen (bis 2.500 m Tiefe) auf Ihre thermischen und petrophysikalischen Eigenschaften hin untersucht. Die WLF mesozoischer Sandsteine schwankt im Mittel zwischen 2,1 und 3,9 W/(m∙K), die WLF der Gesteinsmatrix hingegen im Mittel zwischen 3,4 und 7,4 W/(m∙K). Neu berechnete Werte zur Oberflächenwärmestromdichte (e.g., 76 mW/m², Stralsund) stehen im Einklang mit den Ergebnissen früherer Studien im NEGB. Erstmals im NDB wurde für das mesozoisch/känozoischen Intervall am Standort Stralsund ein in-situ WLF-Profil berechnet. In-situ Formations-WLF, für als potentielle Modelschichten interessante, stratigraphische Intervalle, variieren im Mittel zwischen 1,5 und 3,1 W/(m∙K) und bilden eine gute Grundlage für kleinskalige (lokale) thermische Modelle. Auf Grund der in aller Regel nur eingeschränkt verfügbaren Bohrkernproben sowie des hohen laborativen Aufwandes zur Bestimmung der WLF waren alternative Methoden gesucht. Die Auswertung petrophysikalischer Bohrlochmessungen mittels mathematischer-statistischer Methoden stellt einen lang genutzten und erprobten Ansatz dar, welcher in seiner Anwendbarkeit jedoch auf die aufgeschlossenen Gesteinsbereiche (Genese, Geologie, Stratigraphie, etc.) beschränkt ist. Daher wurde ein leicht modifizierter Ansatz entwickelt. Die thermophysikalischen Eigenschaften der 15 wichtigsten gesteinsbildenden Minerale (in Sedimentgesteinen) wurden statistisch analysiert und aus variablen Mischungen dieser Basisminerale ein umfangreicher, synthetischer Datensatz generiert. Dieser wurde mittels multivariater Statistik bearbeitet, in dessen Ergebnis Regressionsgleichungen zur Prognose der Matrix-WLF für drei Gesteinsgruppen (klastisch, karbonatisch, evaporitisch) abgeleitet wurden. In einem zweiten Schritt wurden für ein Echtdatenset (laborativ gemessene WLF und Standardbohrlochmessungen) empirische Prognosegleichungen für die Berechnung der Gesamt-WLF entwickelt. Die berechneten WLF zeigen im Vergleich zu gemessenen WLF Fehler zwischen 5% und 11%. Die Anwendung neu entwickelter, sowie in der Literatur publizierter Verfahren auf den NGB-Datensatz zeigt, dass mit den neu aufgestellten Gleichungen stets der geringste Prognosefehler erreicht wird. Die Inversion neu berechneter WLF-Profile erlaubt die Ableitung synthetischer Temperaturprofile, deren Vergleich zu gemessenen Gesteinstemperaturen in einen mittleren Fehler von < 5% resultiert. Im Rahmen geothermischer Berechnungen werden zur Umrechnung zwischen Matrix- und Gesamt-WLF häufig Zwei-Komponenten-Mischmodelle genutzt (Arithmetisches Mittel, Harmonische Mittel, Geometrisches Mittel, Hashin-Shtrikman Mittel, Effektives-Medium Mittel). Ein umfangreicher Datensatz aus trocken- und gesättigt-gemessenen WLF und Porosität erlaubt die Evaluierung dieser Modelle hinsichtlich Ihrer Prognosefähigkeit. Diese variiert für die untersuchten Modelle stark (Fehler: 5 – 53%), wobei das geometrische Mittel die größte, quantitativ aber weiterhin unbefriedigende Übereinstimmungen zeigt. Die Entwicklung und Anwendung mischmodelspezifischer Korrekturgleichungen führt zu deutlich reduzierten Fehlern. Das korrigierte geometrische Mittel zeigt dabei, bei deutlich reduzierter Fehlerstreubreite, erneut die größte Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Werten und scheint ein universell anwendbares Mischmodel für sedimentäre Gesteine zu sein. Die Entwicklung modelunabhängiger, gesteinstypbezogener Konvertierungsgleichungen ermöglicht die Abschätzung der wassergesättigten Gesamt-WLF aus trocken-gemessener WLF und Porosität mit einem mittleren Fehler < 9%. Die präsentierten Daten und die neu entwickelten Methoden erlauben künftig eine detailliertere und präzisere Parametrisierung thermischer Modelle sedimentärer Becken.
KW  - Wärmeleitfähigkeit
KW  - Temperaturfeld
KW  - Nordostdeutsches Becken
KW  - Bohrlochmessungen
KW  - Multivariate Analyse
KW  - Thermal-conductivity
KW  - Well-log analysis
KW  - Northeast German Basin
KW  - temperature field analysis
KW  - Multivariate statistic
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67801
ER  - 
TY  - THES
A1  - Adhikari, Rishi Ram
T1  - Quantification of total microbial biomass and metabolic activity in subsurface sediments
T1  - Quantification of total microbial biomass and metabolic activity in subsurface sediments
N2  - Metabolically active microbial communities are present in a wide range of subsurface environments. Techniques like enumeration of microbial cells, activity measurements with radiotracer assays and the analysis of porewater constituents are currently being used to explore the subsurface biosphere, alongside with molecular biological analyses. However, many of these techniques reach their detection limits due to low microbial activity and abundance. Direct measurements of microbial turnover not just face issues of insufficient sensitivity, they only provide information about a single specific process but in sediments many different process can occur simultaneously. Therefore, the development of a new technique to measure total microbial activity would be a major improvement. A new tritium-based hydrogenase-enzyme assay appeared to be a promising tool to quantify total living biomass, even in low activity subsurface environments. In this PhD project total microbial biomass and microbial activity was quantified in different subsurface sediments using established techniques (cell enumeration and pore water geochemistry) as well as a new tritium-based hydrogenase enzyme assay. By using a large database of our own cell enumeration data from equatorial Pacific and north Pacific sediments and published data it was shown that the global geographic distribution of subseafloor sedimentary microbes varies between sites by 5 to 6 orders of magnitude and correlates with the sedimentation rate and distance from land. Based on these correlations, global subseafloor biomass was estimated to be 4.1 petagram-C and ~0.6 % of Earth's total living biomass, which is significantly lower than previous estimates. Despite the massive reduction in biomass the subseafloor biosphere is still an important player in global biogeochemical cycles. To understand the relationship between microbial activity, abundance and organic matter flux into the sediment an expedition to the equatorial Pacific upwelling area and the north Pacific Gyre was carried out. Oxygen respiration rates in subseafloor sediments from the north Pacific Gyre, which are deposited at sedimentation rates of 1 mm per 1000 years, showed that microbial communities could survive for millions of years without fresh supply of organic carbon. Contrary to the north Pacific Gyre oxygen was completely depleted within the upper few millimeters to centimeters in sediments of the equatorial upwelling region due to a higher supply of organic matter and higher metabolic activity. So occurrence and variability of electron acceptors over depth and sites make the subsurface a complex environment for the quantification of total microbial activity. Recent studies showed that electron acceptor processes, which were previously thought to thermodynamically exclude each other can occur simultaneously. So in many cases a simple measure of the total microbial activity would be a better and more robust solution than assays for several specific processes, for example sulfate reduction rates or methanogenesis. Enzyme or molecular assays provide a more general approach as they target key metabolic compounds. Since hydrogenase enzymes are ubiquitous in microbes, the recently developed tritium-based hydrogenase radiotracer assay is applied to quantify hydrogenase enzyme activity as a parameter of total living cell activity. Hydrogenase enzyme activity was measured in sediments from different locations (Lake Van, Barents Sea, Equatorial Pacific and Gulf of Mexico). In sediment samples that contained nitrate, we found the lowest cell specific enzyme activity around 10^(-5) nmol H_(2) cell^(-1) d^(-1). With decreasing energy yield of the electron acceptor used, cell-specific hydrogenase activity increased and maximum values of up to 1 nmol H_(2) cell^(-1) d^(-1) were found in samples with methane concentrations of >10 ppm. Although hydrogenase activity cannot be converted directly into a turnover rate of a specific process, cell-specific activity factors can be used to identify specific metabolism and to quantify the metabolically active microbial population. In another study on sediments from the Nankai Trough microbial abundance and hydrogenase activity data show that both the habitat and the activity of subseafloor sedimentary microbial communities have been impacted by seismic activities. An increase in hydrogenase activity near the fault zone revealed that the microbial community was supplied with hydrogen as an energy source and that the microbes were specialized to hydrogen metabolism.
N2  - Mikrobielle Gesellschaften und ihre aktiven Stoffwechselprozesse treten in einer Vielzahl von Sedimenten unterschiedlichster Herkunft auf. In der Erforschung dieser tiefen Biosphäre werden derzeit Techniken wie Zellzählungen, Aktivitätsmessungen mit Radiotracer-Versuchen und Analysen der Porenwasserzusammensetzung angewendet, darüber hinaus auch molekularbiologische Analysen. Viele dieser Methoden stoßen an ihre Nachweisgrenze, wenn Sedimente mit geringer Zelldichte und mikrobieller Aktivität untersucht werden. Bei der Untersuchung von Stoffwechselprozessen mit herkömmlichen Techniken kommt dazu, dass von mehreren Prozessen, die zeitgleich ablaufen können, jeweils nur einer erfasst wird. Deswegen wäre die Entwicklung einer neuartigen Messtechnik für die gesamte mikrobielle Aktivität ein wesentlicher Fortschritt für die Erforschung der tiefen Biosphäre. Ein vielversprechender Ansatz, um die gesamte lebende Biomasse auch in Proben mit geringer Aktivität zu bestimmen, ist eine Hydrogenase-Enzym-Versuchsanordnung mit Tritium als quantifizierbarer Messgröße. In dieser Doktorarbeit wurde die gesamte mikrobielle Biomasse und Aktivität von unterschiedlichen Sedimentproben einerseits mit herkömmlichen Methoden (Zellzählungen, Analyse der Porenwasserzusammensetzung) als auch mit einer neu entwickelten Hydrogenase-Enzym-Versuchsanordnung quantifiziert. Mit einer großen Anzahl eigener Zellzählungsdaten von Sedimenten aus dem Äquatorialpazifik und dem Nordpazifik und ergänzenden publizierten Daten konnte gezeigt werden, dass Zellzahlen sich in ihrer globalen geographischen Verteilung je nach Bohrlokation um 5 bis 6 Größenordnungen unterscheiden. Dabei bestehen Korrelationen zur Sedimentationsrate und zur Entfernung zum Land, mit deren Hilfe sich die Gesamtbiomasse in Tiefseesedimenten zu 4,1 Petagramm-C abschätzen lässt. Das entspricht ~0,6 % der Gesamtbiomasse der Erde und ist damit erheblich weniger als in früheren Schätzungen angegeben. Trotz der Korrektur auf diesen Wert spielt die Biomasse der tiefen Biosphäre weiterhin eine erhebliche Rolle in biogeochemischen Kreisläufen. Um die Zusammenhänge zwischen Aktivität der Mikroben, der Häufigkeit ihres Auftretens und Zustrom von organischem Material zu verstehen, wurde eine Expedition ins Auftriebsgebiet des Äquatorialpazifiks und zum nordpazifischen Wirbel durchgeführt. Daten der Sauerstoffaufnahme in Sedimenten des nordpazifischen Wirbels, die mit Sedimentationsraten von 1 mm pro 1000 Jahren abgelagert werden, zeigen, dass mikrobielle Gesellschaften über Millionen von Jahren ohne Zufuhr von frischem organischen Kohlenstoff überleben konnten. Im Gegensatz zum nordpazifischen Wirbel wird in Sedimenten des äquatorialpazifischen Auftriebsgebiets Sauerstoff bei höherer mikrobieller Aktivität und Verfügbarkeit organischer Verbindungen oberflächennah in den ersten Milli- bis Zentimetern komplett umgesetzt. Auftreten und Variabilität von Elektronenakzeptoren nach Tiefe und Bohrlokation machen die tiefe Biosphäre zu einer komplexen Umgebung für die Quantifizierung der gesamten mikrobiellen Aktivität. Aktuelle Studien zeigen das verschiedene Elektronenakzeptorprozesse gleichzeitig ablaufen können, obwohl man bisher davon ausgegangen war, dass diese sich thermodynamisch ausschließen. In vielen Fällen wäre also eine einfache Methode zur Messung der gesamten mikrobiellen Aktivität eine bessere und verlässlichere Lösung aktueller Analyseaufgaben als Messungen mehrerer Einzelprozesse wie beispielsweise Sulfatreduktion und Methanogenese. Enzym-oder Molekular-Versuchsanordnungen sind ein prozessumfassender Ansatz, weil hier Schlüsselkomponenten der Stoffwechselprozesse untersucht werden. Das Hydrogenase-Enzym ist eine solche Schlüsselkomponente und in Mikroben allgegenwärtig. Deshalb kann die Quantifizierung seiner Aktivität mit der neu entwickelten Hydrogenase-Enzym-Versuchsanordnung als Parameter für die gesamte mikrobielle Aktivität der lebenden Zellen verwendet werden. Hydrogenase-Aktivitäten wurden in Sedimenten unterschiedlicher Lokationen (Vansee, Barentssee, Äquatorialpazifik, und Golf von Mexico) gemessen. In Sedimentproben, die Nitrat enthielten, haben wir mit ca. 10^(-5) nmol H_(2) cell^(-1) d^(-1) die geringste zellspezifische Hydrogenase-Aktivität gefunden. Mit geringerem Energiegewinn des genutzten Elektronenakzeptors steigt die zellspezifische Hydrogenase-Aktivität. Maximalwerte von bis zu 1 nmol H_(2) cell^(-1) d^(-1) wurden in Sedimentproben mit >10 ppm Methankonzentration gefunden. Auch wenn die Hydrogenase-Aktivität nicht direkt in die Umsatzrate eines spezifischen Prozesses konvertierbar ist, können zellspezifische Aktivitätsfaktoren verwendet werden, um die metabolisch aktive Mikrobenpopulation zu quantifizieren. In einer weiteren Studie mit Sedimenten des Nankai-Grabens zeigen Daten der Zelldichte und der Hydrogenase-Aktivität einen Einfluss von seismischen Ereignissen auf Lebensraum und Aktivität der mikrobiellen Gesellschaften. Ein Anstieg der Hydrogenase-Aktivität nahe der Verwerfungszone machte deutlich, dass die mikrobiellen Gesellschaften mit Wasserstoff als Energiequelle versorgt wurden und dass die Mikroben auf einen Wasserstoff-Stoffwechsel spezialisiert waren.
KW  - Hydrogenase
KW  - Tritium Versuchsanordnung
KW  - Untergrunduntersuchung der Biosphäre
KW  - Hydrogenase
KW  - Tritium Assay
KW  - Subsurface Biosphere
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67773
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rudolph-Mohr, Nicole
T1  - A novel non-invasive optical method for quantitative visualization of pH and oxygen dynamics in soils
T1  - Entwicklung einer neuen, nicht invasiven, optischen Methode für die quantitative Darstellung von pH und Sauerstoffdynamiken in Böden
N2  - In soils and sediments there is a strong coupling between local biogeochemical processes and the distribution of water, electron acceptors, acids and nutrients. Both sides are closely related and affect each other from small scale to larger scales. Soil structures such as aggregates, roots, layers or macropores enhance the patchiness of these distributions. At the same time it is difficult to access the spatial distribution and temporal dynamics of these parameter. Noninvasive imaging techniques with high spatial and temporal resolution overcome these limitations. And new non-invasive techniques are needed to study the dynamic interaction of plant roots with the surrounding soil, but also the complex physical and chemical processes in structured soils. In this study we developed an efficient non-destructive in-situ method to determine biogeochemical parameters relevant to plant roots growing in soil. This is a quantitative fluorescence imaging method suitable for visualizing the spatial and temporal pH changes around roots. We adapted the fluorescence imaging set-up and coupled it with neutron radiography to study simultaneously root growth, oxygen depletion by respiration activity and root water uptake. The combined set up was subsequently applied to a structured soil system to map the patchy structure of oxic and anoxic zones induced by a chemical oxygen consumption reaction for spatially varying water contents. Moreover, results from a similar fluorescence imaging technique for nitrate detection were complemented by a numerical modeling study where we used imaging data, aiming to simulate biodegradation under anaerobic, nitrate reducing conditions.
N2  - In Böden und Sedimenten sind biogeochemische Prozesse und die Verteilung von Größen wie Wasser, Elektronenakzeptoren, Säuregehalte und Nährstoffe in enger Weise miteinander gekoppelt. Diese wechselseitige Beeinflussung ist skalenübergreifend und reicht von sehr kleinen bis zu größeren Skalen. Die in realen Böden vorhandene Struktur z. Bsp. Aggregate, Pflanzenwurzeln, Schichten und Makroporen bedingen eine starke räumlich Heterogenität und zeitliche Dynamik dieser Größen. Gleichzeitig sind Verteilung und Dynamik sehr schwer zu beobachten, zumindest ohne ihre gleichzeitige Störung. Bildgebende Verfahren bieten eine sehr gute räumliche und zeitliche Auflösung und ermöglichen die Darstellung dieser Größen. Um die dynamische Wechselwirkung zwischen Pflanzenwurzeln und Boden, aber auch die komplexen physikalisch – chemischen Prozesse in Böden zu verstehen, sind neue bildgebende Verfahren notwendig. Ziel dieser Arbeit war es, eine neue nicht-invasive Methode zu entwickeln, die es ermöglicht biogeochemische Parameter in der Wurzelzone zu visualisieren. Innerhalb dieser Studie wurde ein quantitatives bildgebendes Verfahren entwickelt, dass die räumlichen und zeitlichen Dynamiken des pH Wertes in der Rhizosphäre erfasst. Diese auf Fluoreszenzemissionen basierende Methode wurde ebenso für Sauerstoffdetektion entwickelt und mit Neutronen Radiographie kombiniert um gleichzeitig Aussagen über Wurzelwachstum, Sauerstoffzehrung durch Wurzelatmung und Wurzelwasseraufnahme treffen zu können. Die kombinierte bildgebende Methode wurde dann in einem künstlichen Boden genutzt um Nischen und Übergangsbereiche von Sauerstoff bei variierenden Wassergehalten zu charakterisieren. Das große Potential von bildgebenden Verfahren zeigt sich bei Modellierungsstudien. In dieser Studie wurden Bilddaten als Eingabeparameter für die Simulierung von denitrifizierendem biologischem Schadstoffabbau genutzt.
KW  - Optische Sensoren
KW  - pH
KW  - Sauerstoff
KW  - Fluoreszenzbildgebung
KW  - Rhizosphere
KW  - Optical sensor
KW  - pH
KW  - oxygen
KW  - fluorescence imaging
KW  - rhizosphere
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66993
ER  - 
TY  - THES
A1  - Haßler, Sibylle Kathrin
T1  - Saturated hydraulic conductivity in the humid tropics : sources of variability, implications for monitoring and effects on near-surface hydrological flow paths
T1  - Quellen der Variabilität der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit in den humiden Tropen, ihre Bedeutung für die Beprobung der Leitfähigkeit und ihre Auswirkungen auf bodennahe hydrologische Fließpfade
N2  - Large areas in the humid tropics are currently undergoing land-use change. The decrease of tropical rainforest, which is felled for land clearing and timber production, is countered by increasing areas of tree plantations and secondary forests. These changes are known to affect the regional water cycle as a result of plant-specific water demand and by influencing key soil properties which determine hydrological flow paths. One of these key properties sensitive to land-use change is the saturated hydraulic conductivity (Ks) as it governs vertical percolation of water within the soil profile. Low values of Ks in a certain soil depth can form an impeding layer and lead to perched water tables and the development of predominantly lateral flow paths such as overland flow. These processes can induce nutrient redistribution, erosion and soil degradation and thus affect ecosystem services and human livelihoods. Due to its sensitivity to land-use change, Ks is commonly used to assess the associated changes in hydrological flow paths. The objective of this dissertation was to assess the effect of land-use change on hydrological flow paths by analysing Ks as indicator variable. Sources of Ks variability, their implications for Ks monitoring and the relationship between Ks and near-surface hydrological flow paths in the context of land-use change were studied. The research area was located in central Panama, a country widely experiencing the abovementioned changes in land use. Ks is dependent on both static, soil-inherent properties such as particle size and clay mineralogy and dynamic, land use-dependent properties such as organic carbon content. By conducting a pair of studies with one of these influences held constant in each, the importance of static and dynamic properties for Ks was assessed. Applying a space-for-time approach to sample Ks under secondary forests of different age classes on comparable soils, a recovery of Ks from the former pasture use was shown to require more than eight years. The process was limited to the 0−6 cm sampling depth and showed large variability among replicates. A wavelet analysis of a Ks transect crossing different soil map units under comparable land cover, old-growth tropical rainforest, showed large small-scale variability, which was attributed to biotic influences, as well as a possible but non-conclusive influence of soil types. The two results highlight the importance of dynamic, land use-dependent influences on Ks. Monitoring studies can help to quantify land use-induced change of Ks, but there is a variety of sampling designs which differ in efficiency of estimating mean Ks. A comparative study of four designs and their suitability for Ks monitoring is used to give recommendations about designing a Ks monitoring scheme. Quantifying changes in spatial means of Ks for small catchments with a rotational stratified sampling design did not prove to be more efficient than Simple Random Sampling. The lack of large-scale spatial structure prevented benefits of stratification, and large small-scale variability resulting from local biotic processes and artificial effects of destructive sampling caused a lack of temporal consistency in the re-sampling of locations, which is part of the rotational design. The relationship between Ks and near-surface hydrological flow paths is of critical importance when assessing the consequences of land-use change in the humid tropics. The last part of this dissertation aimed at disclosing spatial relationships between Ks and overland flow as influenced by different land cover types. The effects of Ks on overland-flow generation were spatially variable, different between planar plots and incised flowlines and strongly influenced by land-cover characteristics. A simple comparison of Ks values and rainfall intensities was insufficient to describe the observed pattern of overland flow. Likewise, event flow in the stream was apparently not directly related to overland flow response patterns within the catchments. The study emphasises the importance of combining pedological, hydrological, meteorological and botanical measurements to comprehensively understand the land use-driven change in hydrological flow paths. In summary, Ks proved to be a suitable parameter for assessing the influence of land-use change on soils and hydrological processes. The results illustrated the importance of land cover and spatial variability of Ks for decisions on sampling designs and for interpreting overland-flow generation. As relationships between Ks and overland flow were shown to be complex and dependent on land cover, an interdisciplinary approach is required to comprehensively understand the effects of land-use change on soils and near-surface hydrological flow paths in the humid tropics.
N2  - Tropische Regionen sind einem andauernden Landnutzungswandel unterworfen. Einerseits wird tropischer Regenwald für Holz- und Flächengewinnung abgeholzt, andererseits fallen Flächen im Zuge der Urbanisierung brach. Diese werden zum Teil mit Nutzholz-Plantagen aufgeforstet, zum Teil entwickelt sich auf ihnen natürlicher Sekundärwald. Änderungen in der Landnutzung beeinflussen Bodeneigenschaften und dadurch implizit den Wasserkreislauf der Region. Eine dieser wichtigen landnutzungsabhängigen Bodeneigenschaften ist die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit oder Permeabilität, die maßgeblich die Versickerungsrate im Boden bestimmt. Eine niedrige Permeabilität hemmt die (vertikale) Versickerung und kann dazu führen, dass laterale hydrologische Fließpfade wie z.B. Oberflächenabfluss aktiviert werden. Dadurch wird sowohl die Bodenerosion und Nährstoffverlagerung verstärkt als auch die Auffüllung des Grundwasserspeichers verringert. In welchem Maße jedoch die Änderung der Permeabilität während des Landnutzungswandels eine Änderung der hydrologischen Fließpfade nach sich zieht, ist noch unzureichend erforscht. Die Zielstellung der vorliegenden Dissertation war, mit Hilfe der Permeabilität als Indikatorvariable die Auswirkungen des Landnutzungswandels auf bodennahe hydrologische Fließpfade zu beurteilen. Dabei sollten die Quellen der Variabilität der Permeabilität anhand des Einflusses von Bodentyp und Landnutzung eingeschätzt, diese Variabilität in das Design einer Probenahmestrategie für die Permeabilität integriert und die Auswirkungen dieser Einflüsse auf die Aktivierung lateraler Fließpfade untersucht werden. Die Studien wurden in Panama durchgeführt, da dieses Land stark vom Landnutzungswandel betroffen ist, eine gute Forschungsinfrastruktur aufweist und sich durch die hohen Niederschläge des tropischen Klimas Änderungen im Wasserkreislauf besonders stark auswirken. Zwei Teilstudien zu den Quellen der Variabilität der Permeabilität lieferten Hinweise auf einen möglichen Einfluss des Bodentyps, der jedoch durch den lokal stärkeren Einfluss der Landnutzung überprägt wurde. Auf regionaler Skala wurde die Erholung der Permeabilität unter Sekundärwald nach einer vorhergehenden Weidenutzung belegt. Beide Studien deuteten auf einen maßgeblichen Einfluss der Landnutzung und der räumlichen Struktur der Permeabilität auf die untersuchten Prozesse hin. Für die effiziente Abschätzung zeitlicher Veränderungen der Permeabilität, wie sie im Zuge des Landnutzungswandels auftritt, ist die Einbeziehung dieser räumlichen Strukturen in das Design einer Probenahmestrategie für die Permeabilität von großer Bedeutung, wie in einem Vergleich vier verschiedener Designs gezeigt wurde. Der Zusammenhang zwischen der Permeabilität und der Entstehung von Oberflächenabfluss konnte nicht durch einfache Ansätze, wie dem Vergleich der Permeabilität mit Regenintensitäten oder der Betrachtung des Gebietsabflusses, erklärt werden. Vielmehr scheint ein komplexes Zusammenspiel aus meteorologischen, biologischen, bodenkundlichen und hydrologischen Faktoren zu wirken. So wurde die räumliche Struktur des Oberflächenabflusses im Untersuchungsgebiet vermutlich durch eine Kombination aus Landnutzungs- und Permeabilitäts-Einflüssen bedingt, zu deren Aufklärung weitere notwendige Messungen vorgeschlagen werden. Zusammengefasst konnte anhand der Permeabilität der Einfluss des Landnutzungswandels auf die hydrologischen Fließpfade gut aufgezeigt werden. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei der Betrachtung der landnutzungsabhängigen räumlichen Struktur der Permeabilität zu. Für die Prozessaufklärung der Aktivierung lateraler Fließpfade müssen jedoch Messungen aus verschiedenen Disziplinen kombiniert werden.
KW  - Bodenhydrologie
KW  - Landnutzungswandel
KW  - Tropen
KW  - Probenahmestrategie
KW  - hydrologische Fließpfade
KW  - Soil hydrology
KW  - land-use change
KW  - tropics
KW  - monitoring
KW  - hydrological flow paths
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66864
ER  - 
TY  - THES
A1  - Holsten, Anne
T1  - Climate change vulnerability assessments in the regional context
T1  - Studien zur Vulnerabilität gegenüber Klimawandel im regionalen Kontext
N2  - Adapting sectors to new conditions under climate change requires an understanding of regional vulnerabilities. Conceptually, vulnerability is defined as a function of sensitivity and exposure, which determine climate impacts, and adaptive capacity of a system. Vulnerability assessments for quantifying these components have become a key tool within the climate change field. However, there is a disagreement on how to make the concept operational in studies from a scientific perspective. This conflict leads to many still unsolved challenges, especially regarding the quantification and aggregation of the components and their suitable level of complexity. This thesis therefore aims at advancing the scientific foundation of such studies by translating the concept of vulnerability into a systematic assessment structure. This includes all components and implies that for each considered impact (e.g. flash floods) a clear sensitive entity is defined (e.g. settlements) and related to a direction of change for a specific climatic stimulus (e.g. increasing impact due to increasing days with heavy precipitation). Regarding the challenging aggregation procedure, two alternative methods allowing a cross-sectoral overview are introduced and their advantages and disadvantages discussed. This assessment structure is subsequently exemplified for municipalities of the German state North Rhine-Westphalia via an indicator-based deductive approach using information from literature. It can be transferred also to other regions. As for many relevant sectors, suitable indicators to express the vulnerability components are lacking, new quantification methods are developed and applied in this thesis, for example for the forestry and health sector. A lack of empirical data on relevant thresholds is evident, for example which climatic changes would cause significant impacts. Consequently, the multi-sectoral study could only provide relative measures for each municipality, in relation to the region. To fill this gap, an exemplary sectoral study was carried out on windthrow impacts in forests to provide an absolute quantification of the present and future impact. This is achieved by formulating an empirical relation between the forest characteristics and damage based on data from a past storm event. The resulting measure indicating the sensitivity is then combined with wind conditions. Multi-sectoral vulnerability assessments require considerable resources, which often hinders the implementation. Thus, in a next step, the potential for reducing the complexity is explored. To predict forest fire occurrence, numerous meteorological indices are available, spanning over a range of complexity. Comparing their performance, the single variable relative humidity outperforms complex indicators for most German states in explaining the monthly fire pattern. This is the case albeit it is itself an input factor in most indices. Thus, this meteorological factor alone is well suited to evaluate forest fire danger in many Germany regions and allows a resource-efficient assessment. Similarly, the complexity of methods is assessed regarding the application of the ecohydrological model SWIM to the German region of Brandenburg. The inter-annual soil moisture levels simulated by this model can only poorly be represented by simpler statistical approach using the same input data. However, on a decadal time horizon, the statistical approach shows a good performance and a strong dominance of the soil characteristic field capacity. This points to a possibility to reduce the input factors for predicting long-term averages, but the results are restricted by a lack of empirical data on soil water for validation. The presented assessments of vulnerability and its components have shown that they are still a challenging scientific undertaking. Following the applied terminology, many problems arise when implementing it for regional studies. Advances in addressing shortcomings of previous studies have been made by constructing a new systematic structure for characterizing and aggregating vulnerability components. For this, multiple approaches were presented, but they have specific advantages and disadvantages, which should also be carefully considered in future studies. There is a potential to simplify some methods, but more systematic assessments on this are needed. Overall, this thesis strengthened the use of vulnerability assessments as a tool to support adaptation by enhancing their scientific basis.
N2  - Die Anpassung von Sektoren an veränderte klimatische Bedingungen erfordert ein Verständnis von regionalen Vulnerabilitäten. Vulnerabilität ist als Funktion von Sensitivität und Exposition, welche potentielle Auswirkungen des Klimawandels darstellen, und der Anpassungsfähigkeit von Systemen definiert. Vulnerabilitätsstudien, die diese Komponenten quantifizieren, sind zu einem wichtigen Werkzeug in der Klimawissenschaft geworden. Allerdings besteht von der wissenschaftlichen Perspektive aus gesehen Uneinigkeit darüber, wie diese Definition in Studien umgesetzt werden soll. Ausdiesem Konflikt ergeben sich viele Herausforderungen, vor allem bezüglich der Quantifizierung und Aggregierung der einzelnen Komponenten und deren angemessenen Komplexitätsniveaus. Die vorliegende Dissertation hat daher zum Ziel die Anwendbarkeit des Vulnerabilitätskonzepts voranzubringen, indem es in eine systematische Struktur übersetzt wird. Dies beinhaltet alle Komponenten und schlägt für jede Klimaauswirkung (z.B. Sturzfluten) eine Beschreibung des vulnerablen Systems vor (z.B. Siedlungen), welches direkt mit einer bestimmten Richtung eines relevanten klimatischen Stimulus in Verbindung gebracht wird (z.B. stärkere Auswirkungen bei Zunahme der Starkregentage). Bezüglich der herausfordernden Prozedur der Aggregierung werden zwei alternative Methoden, die einen sektorübergreifenden Überblick ermöglichen, vorgestellt und deren Vor- und Nachteile diskutiert. Anschließend wird die entwickelte Struktur einer Vulnerabilitätsstudie mittels eines indikatorbasierten und deduktiven Ansatzes beispielhaft für Gemeinden in Nordrhein-Westfalen in Deutschland angewandt. Eine Übertragbarkeit auf andere Regionen ist dennoch möglich. Die Quantifizierung für die Gemeinden stützt sich dabei auf Informationen aus der Literatur. Da für viele Sektoren keine geeigneten Indikatoren vorhanden waren, werden in dieser Arbeit neue Indikatoren entwickelt und angewandt, beispielsweise für den Forst- oder Gesundheitssektor. Allerdings stellen fehlende empirische Daten bezüglich relevanter Schwellenwerte eine Lücke dar, beispielsweise welche Stärke von Klimaänderungen eine signifikante Auswirkung hervorruft. Dies führt dazu, dass die Studie nur relative Aussagen zum Grad der Vulnerabilität jeder Gemeinde im Vergleich zum Rest des Bundeslandes machen kann. Um diese Lücke zu füllen, wird für den Forstsektor beispielhaft die heutige und zukünftige Sturmwurfgefahr von Wäldern berechnet. Zu diesem Zweck werden die Eigenschaften der Wälder mit empirischen Schadensdaten eines vergangenen Sturmereignisses in Verbindung gebracht. Der sich daraus ergebende Sensitivitätswert wird anschließend mit den Windverhältnissen verknüpft. Sektorübergreifende Vulnerabilitätsstudien erfordern beträchtliche Ressourcen, was oft deren Anwendbarkeit erschwert. In einem nächsten Schritt wird daher das Potential einer Vereinfachung der Komplexität anhand zweier sektoraler Beispiele untersucht. Um das Auftreten von Waldbränden vorherzusagen, stehen zahlreiche meteorologische Indices zur Verfügung, welche eine Spannbreite unterschiedlicher Komplexitäten aufweisen. Bezüglich der Anzahl monatlicher Waldbrände weist die relative Luftfeuchtigkeit für die meisten deutschen Bundesländer eine bessere Vorhersagekraft als komplexere Indices auf. Dies ist er Fall, obgleich sie selbst als Eingangsvariable für die komplexeren Indices verwendet wird. Mit Hilfe dieses einzelnen meteorologischen Faktors kann also die Waldbrandgefahr in deutschen Region ausreichend genau ausgedrückt werden, was die Ressourceneffizienz von Studien erhöht. Die Methodenkomplexität wird auf ähnliche Weise hinsichtlich der Anwendung des ökohydrologischen Modells SWIM für die Region Brandenburg untersucht. Die interannuellen Bodenwasserwerte, welche durch dieses Modell simuliert werden, können nur unzureichend durch ein einfacheres statistisches Modell, welches auf denselben Eingangsdaten aufbaut, abgebildet werden. Innerhalb eines Zeithorizonts von Jahrzehnten, kann der statistische Ansatz jedoch das Bodenwasser zufriedenstellend abbilden und zeigt eine Dominanz der Bodeneigenschaft Feldkapazität. Dies deutet darauf hin, dass die Komplexität im Hinblick auf die Anzahl der Eingangsvariablen für langfristige Berechnungen reduziert werden kann. Allerdings sind die Aussagen durch fehlende beobachtete Bodenwasserwerte zur Validierung beschränkt. Die vorliegenden Studien zur Vulnerabilität und ihren Komponenten haben gezeigt, dass eine Anwendung noch immer wissenschaftlich herausfordernd ist. Folgt man der hier verwendeten Vulnerabilitätsdefinition, treten zahlreiche Probleme bei der Implementierung in regionalen Studien auf. Mit dieser Dissertation wurden Fortschritte bezüglich der aufgezeigten Lücken bisheriger Studien erzielt, indem eine systematische Struktur für die Beschreibung und Aggregierung von Vulnerabilitätskomponenten erarbeitet wurde. Hierfür wurden mehrere Ansätze diskutiert, die jedoch Vor- und Nachteile besitzen. Diese sollten vor der Anwendung von zukünftigen Studien daher ebenfalls sorgfältig abgewogen werden. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass ein Potential besteht einige Ansätze zu vereinfachen, jedoch sind hierfür weitere Untersuchungen nötig. Insgesamt konnte die Dissertation die Anwendung von Vulnerabilitätsstudien als Werkzeug zur Unterstützung von Anpassungsmaßnahmen stärken.
KW  - Klimawandel
KW  - Impakt
KW  - Vulnerabilität
KW  - Forstwirtschaft
KW  - Boden
KW  - climate change
KW  - impact
KW  - vulnerability
KW  - forestry
KW  - soil
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66836
ER  - 
TY  - THES
A1  - Swierczynski, Tina
T1  - A 7000 yr runoff chronology from varved sediments of Lake Mondsee (Upper Austria)
T1  - Eine 7000-jährige Abflusschronologie anhand von warvierten Sedimenten des Mondsees (Oberösterreich)
N2  - The potential increase in frequency and magnitude of extreme floods is currently discussed in terms of global warming and the intensification of the hydrological cycle. The profound knowledge of past natural variability of floods is of utmost importance in order to assess flood risk for the future. Since instrumental flood series cover only the last ~150 years, other approaches to reconstruct historical and pre-historical flood events are needed. Annually laminated (varved) lake sediments are meaningful natural geoarchives because they provide continuous records of environmental changes > 10000 years down to a seasonal resolution. Since lake basins additionally act as natural sediment traps, the riverine sediment supply, which is preserved as detrital event layers in the lake sediments, can be used as a proxy for extreme discharge events. Within my thesis I examined a ~ 8.50 m long sedimentary record from the pre-Alpine Lake Mondsee (Northeast European Alps), which covered the last 7000 years. This sediment record consists of calcite varves and intercalated detrital layers, which range in thickness from 0.05 to 32 mm. Detrital layer deposition was analysed by a combined method of microfacies analysis via thin sections, Scanning Electron Microscopy (SEM), μX-ray fluorescence (μXRF) scanning and magnetic susceptibility. This approach allows characterizing individual detrital event layers and assigning a corresponding input mechanism and catchment. Based on varve counting and controlled by 14C age dates, the main goals of this thesis are (i) to identify seasonal runoff processes, which lead to significant sediment supply from the catchment into the lake basin and (ii) to investigate flood frequency under changing climate boundary conditions. This thesis follows a line of different time slices, presenting an integrative approach linking instrumental and historical flood data from Lake Mondsee in order to evaluate the flood record inferred from Lake Mondsee sediments. The investigation of eleven short cores covering the last 100 years reveals the abundance of 12 detrital layers. Therein, two types of detrital layers are distinguished by grain size, geochemical composition and distribution pattern within the lake basin. Detrital layers, which are enriched in siliciclastic and dolomitic material, reveal sediment supply from the Flysch sediments and Northern Calcareous Alps into the lake basin. These layers are thicker in the northern lake basin (0.1-3.9 mm) and thinner in the southern lake basin (0.05-1.6 mm). Detrital layers, which are enriched in dolomitic components forming graded detrital layers (turbidites), indicate the provenance from the Northern Calcareous Alps. These layers are generally thicker (0.65-32 mm) and are solely recorded within the southern lake basin. In comparison with instrumental data, thicker graded layers result from local debris flow events in summer, whereas thin layers are deposited during regional flood events in spring/summer. Extreme summer floods as reported from flood layer deposition are principally caused by cyclonic activity from the Mediterranean Sea, e.g. July 1954, July 1997 and August 2002. During the last two millennia, Lake Mondsee sediments reveal two significant flood intervals with decadal-scale flood episodes, during the Dark Ages Cold Period (DACP) and the transition from the Medieval Climate Anomaly (MCA) into the Little Ice Age (LIA) suggesting a linkage of transition to climate cooling and summer flood recurrences in the Northeastern Alps. In contrast, intermediate or decreased flood episodes appeared during the MWP and the LIA. This indicates a non-straightforward relationship between temperature and flood recurrence, suggesting higher cyclonic activity during climate transition in the Northeast Alps. The 7000-year flood chronology reveals 47 debris flows and 269 floods, with increased flood activity shifting around 3500 and 1500 varve yr BP (varve yr BP = varve years before present, before present = AD 1950). This significant increase in flood activity shows a coincidence with millennial-scale climate cooling that is reported from main Alpine glacier advances and lower tree lines in the European Alps since about 3300 cal. yr BP (calibrated years before present). Despite relatively low flood occurrence prior to 1500 varve yr BP, floods at Lake Mondsee could have also influenced human life in early Neolithic lake dwellings (5750-4750 cal. yr BP). While the first lake dwellings were constructed on wetlands, the later lake dwellings were built on piles in the water suggesting an early flood risk adaptation of humans and/or a general change of the Late Neolithic Culture of lake-dwellers because of socio-economic reasons. However, a direct relationship between the final abandonment of the lake dwellings and higher flood frequencies is not evidenced.
N2  - Ein verstärktes Auftreten von Hochwassern, sowohl in ihrer Häufigkeit als auch in ihrer Frequenz, wird im Zuge der Klimaerwärmung und einer möglichen Intensivierung des hydrologischen Kreislaufs diskutiert. Die Kenntnis über die natürliche Variabilität von Hochwasserereignissen ist dabei eine grundlegende Voraussetzung, um die Hochwassergefahr für die Zukunft abschätzen zu können. Da instrumentelle Hochwasserzeitreihen meist nur die letzten 150 Jahre abbilden sind andere Methoden erforderlich, um das Auftreten von historischen und prä-historischen Hochwassern festzustellen. Jährlich laminierte (warvierte) Seesedimente sind bedeutende natürliche Archive, denn sie liefern kontinuierliche Zeitreihen > 10000 Jahre mit einer bis zur saisonalen Auflösung. Seebecken stellen natürliche Sedimentfallen dar, wobei eingetragenes Flusssediment in den Seesedimenten als eine distinkte detritische Lage aufgezeichnet wird, und daher zur Rekonstruktion von extremen Abflussereignissen genutzt werden. Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich einen 8.50 m langen Sedimentkern aus dem Mondsee (Nordostalpen) untersucht, welcher die letzten 7000 Jahre abdeckt. Dieser Sedimentkern besteht aus Kalzitwarven und eingeschalteten detritischen Lagen mit einer Mächtigkeit von 0.05-32 mm. Detritische Lagen wurden mit Hilfe einer kombinierten Methode untersucht: Mikrofaziesanalyse, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenfluoreszenzanalyse (µXRF) und magnetische Suszeptibilität. Dieser Ansatz ermöglicht die Charakterisierung der einzelnen detritischen Lagen bezüglich der Eintragsprozesse und die Lokalisierung des Einzugsgebietes. Auf Grundlage der Warvenzählung und 14C Datierungen sind die wichtigsten Ziele dieser Arbeit: (i) die Identifizierung der Eintragsprozesse, welche zu einem Sedimenteintrag vom Einzugsgebiet bis in den See führen und (ii) die Rekonstruktion der Hochwasserfrequenz unter veränderten Klimabedingungen. Diese Arbeit zeigt eine Untersuchung auf verschiedenen Zeitscheiben, wobei instrumentelle und historische Daten genutzt werden, um die Aufzeichnung von pre-historischen Hochwasser in den Mondseesedimenten besser zu verstehen. Innerhalb der letzten 100 Jahre wurden zwölf Abflussereignisse aufgezeichnet. Zwei Typen von detritschen Lagen können anhand von Korngröße, geochemischer Zusammensetzung und des Verteilungsmusters unterschieden werden. Detritische Lagen, welche aus siliziklastischen und dolomitischen Material bestehen, zeigen eine Sedimentherkunft vom Teileinzugsgebiet des Flysch (nördliches Einzugsgebiet) und der Nördlichen Kalkalpen (südliches Teileinzugsgebiet) auf. Diese Lagen sind im Nördlichen Becken mächtiger (0.1-3.9 mm) als im südlichen Seebecken (0.05-1.6 mm). Detritische Lagen, welche nur aus dolomitischem Material bestehen und Turbititlagen aufzeigen (0.65-32 mm), weisen auf eine Herkunft aus den Nördlichen Kalkalpen hin. Im Vergleich mit instrumentellen Zeitreihen, stammen die mächtigeren Lagen von lokalen Murereignissen im Sommer und feinere Eintragslagen von regionalen Frühjahrs- und Sommerhochwassern. Extreme Sommerhochwasser am Mondsee werden hauptsächlich durch Zyklonen vom Mittelmeer ausgelöst, z.B. Juli 1954, Juli 1997 und August 2002. Die Untersuchung des langen Sedimentkerns vom Mondsee zeigt während der letzten 2000 Jahre signifikante Hochwasserintervalle mit dekadischen Hochwasserepisoden während der Völkerwanderungszeit und im Übergang vom Mittelalter in die Kleine Eiszeit. Dies weist auf eine Verknüpfung von Abkühlungsphasen und Sommerhochwassern im Nordostalpenraum hin. Während der Mittelalterlichen Wärmephase und in der Kleinen Eiszeit kam es jedoch zu einer geringeren Hochwasseraktivität. Dies zeigt einen komplexen Zusammenhang von Temperaturentwicklung und Hochwasseraktivität in den Nordostalpen, mit einer erhöhten Zyklonenaktivät in den Übergängen von wärmeren zu kälteren Phasen. Während der letzten 7000 Jahre wurden 47 Muren und 269 Hochwasser aufgezeichnet, wobei es eine signifikante Änderung mit erhöhter Häufigkeit um 3500 und 1500 Warvenjahre v. h. gab (v.h. = vor heute = AD 1950). Diese signifikante Änderung stimmt mit einem langfristigem Abkühlungstrend überein, welcher durch alpine Gletschervorstöße und das Absinken von Baumgrenzen seit etwa 3300 Warvenjahre v.h. berichtet wird. Trotz relativ geringer Hochwasseraktivität um 1500 Warvenjahre v.h., könnte das Auftreten von Hochwasser auch das Leben Menschen in Neolithischen Pfahlbausiedlungen (5750-4750 cal. yr BP) beeinflusst haben. Während die ersten Pfahlbauten noch als Feuchtbodensiedlungen am Land entstanden, wurden spätere Siedlungen eventuell als Anpassung an stark schwankenden Seewasserspiegeln auf Pfählen im Wasser gebaut und/oder zeigen eine allgemeine Veränderung der Siedlungsaktivitäten der Neolithischen Pfahlbaukultur an, aufgrund sozio-ökonomischer Veränderungen. Ein direkter Zusammenhang zwischen dem Verlassen der Pfahlbausiedlungen und einer erhöhten Hochwasseraktivität konnte jedoch nicht festgestellt werden.
KW  - Mondsee
KW  - Paläohochwasser
KW  - Seesedimente
KW  - Warven
KW  - Klimarekonstruktion
KW  - Mondsee
KW  - Paleofloods
KW  - Lake sediments
KW  - Warves
KW  - Climate reconstruction
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66702
ER  - 
TY  - THES
A1  - Amour, Frédéric
T1  - 3-D modeling of shallow-water carbonate systems : a scale-dependent approach based on quantitative outcrop studies
T1  - 3-D Modellierung von Flachwasser-Karbonat-Sytemen : eine skalenabhängige Herangehensweise basierend auf quantitativen Aufschlussstudien
N2  - The study of outcrop modeling is located at the interface between two fields of expertise, Sedimentology and Computing Geoscience, which respectively investigates and simulates geological heterogeneity observed in the sedimentary record. During the last past years, modeling tools and techniques were constantly improved. In parallel, the study of Phanerozoic carbonate deposits emphasized the common occurrence of a random facies distribution along single depositional domain. Although both fields of expertise are intrinsically linked during outcrop simulation, their respective advances have not been combined in literature to enhance carbonate modeling studies. The present study re-examines the modeling strategy adapted to the simulation of shallow-water carbonate systems, based on a close relationship between field sedimentology and modeling capabilities. In the present study, the evaluation of three commonly used algorithms Truncated Gaussian Simulation (TGSim), Sequential Indicator Simulation (SISim), and Indicator Kriging (IK), were performed for the first time using visual and quantitative comparisons on an ideally suited carbonate outcrop. The results show that the heterogeneity of carbonate rocks cannot be fully simulated using one single algorithm. The operating mode of each algorithm involves capabilities as well as drawbacks that are not capable to match all field observations carried out across the modeling area. Two end members in the spectrum of carbonate depositional settings, a low-angle Jurassic ramp (High Atlas, Morocco) and a Triassic isolated platform (Dolomites, Italy), were investigated to obtain a complete overview of the geological heterogeneity in shallow-water carbonate systems. Field sedimentology and statistical analysis performed on the type, morphology, distribution, and association of carbonate bodies and combined with palaeodepositional reconstructions, emphasize similar results. At the basin scale (x 1 km), facies association, composed of facies recording similar depositional conditions, displays linear and ordered transitions between depositional domains. Contrarily, at the bedding scale (x 0.1 km), individual lithofacies type shows a mosaic-like distribution consisting of an arrangement of spatially independent lithofacies bodies along the depositional profile. The increase of spatial disorder from the basin to bedding scale results from the influence of autocyclic factors on the transport and deposition of carbonate sediments. Scale-dependent types of carbonate heterogeneity are linked with the evaluation of algorithms in order to establish a modeling strategy that considers both the sedimentary characteristics of the outcrop and the modeling capabilities. A surface-based modeling approach was used to model depositional sequences. Facies associations were populated using TGSim to preserve ordered trends between depositional domains. At the lithofacies scale, a fully stochastic approach with SISim was applied to simulate a mosaic-like lithofacies distribution. This new workflow is designed to improve the simulation of carbonate rocks, based on the modeling of each scale of heterogeneity individually. Contrarily to simulation methods applied in literature, the present study considers that the use of one single simulation technique is unlikely to correctly model the natural patterns and variability of carbonate rocks. The implementation of different techniques customized for each level of the stratigraphic hierarchy provides the essential computing flexibility to model carbonate systems. Closer feedback between advances carried out in the field of Sedimentology and Computing Geoscience should be promoted during future outcrop simulations for the enhancement of 3-D geological models.
N2  - Das Modellieren von geologischen Aufschlüssen liegt der Schnittstelle zwischen zwei geo-logischen Teildisziplinen, der Sedimentologie und der geologischen Modellierung. Hierbei werden geologische Heterogenitäten untersucht und simuliert, welche im Aufschluss beobachtet wurden. Während der letzten Jahre haben sich die Werkzeuge und die Technik der Modellierung stetig weiter-entwickelt. Parallel dazu hat die Untersuchung der phanerozoischen Karbonatablagerungen ihren Fokus auf gemeinsamen Vorkommen von zufälligen Faziesverteilungen in beiden Ablagerungs-gebieten. Obwohl beide Teildisziplinen durch die Aufschlussmodellierung eigentlich verbunden sind, wurden ihre jeweiligen Vorteile in der Literatur nicht miteinander verbunden, um so eine Verbesserung ähnlicher Studien zu erreichen. Die vorliegende Studie überprüft erneut die Modellierungsstrategie, angepasst an die Simulation von Flachwasser-Karbonat-Systemen und basierend auf einer engen Beziehung zwischen Sedimentologie und Modellierung. Die vorliegende Arbeit behandelt erstmals die Evaluierung der drei am häufigsten verwendeten Algorithmen „Truncated Gaussian Simulation (TGSim)“, „Sequential Indicator Simulation (SISim)“ und „Indicator Kriging (IK)“, um sie visuell und quantitativ mit dem entsprechenden Aufschluss zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Heterogenität von Karbonatgesteinen nicht komplett mit nur einem Algorithmus simuliert werden kann. Die Eigenschaften jedes einzelnen Algorithmus beinhalten Vor- und Nachteile, sodass kein Algorithmus alle Beobachtungen aus dem Aufschluss widerspiegelt. Die zwei Endglieder im Spektrum der Ablagerungsbedingungen von Karbonaten, eine flachwinklige, jurassische Karbonat-Rampe (Hoher Atlas, Marokko) und eine isolierte, triassische Plattform (Dolomiten, Italien), wurden untersucht, um einen kompletten Überblick über die verschiedenen Heterogenitäten in Flachwasser-Karbonat- Systemen zu erhalten. Sedimentologische und statistische Analysen wurden für die verschiedenen Typen, Morphologien, Verteilungen und Assoziationen von Karbonatablagerungen durchgeführt und mit paläogeografischen Rekonstruktionen kombiniert und zeigen ähnliche Ergebnisse. Im Beckenmaßstab zeigen die Faziesassoziationen, bestehend aus Fazieszonen mit ähnlichen Ablagerungsbedingungen, einen linearen und kontinuierlichen Übergang zwischen den einzelnen Ablagerungsbereichen. Im Gegensatz dazu zeigt für einzelne Lithofaziestypen im Maßstab einzelner Schichten eine mosaikartige Verteilung, bestehend aus einer Anordnung räumlich unabhängiger Lithofazieszonen entlang des Ablagerungsprofils. Das Ansteigen der räumlichen Unordnung von der beckenweiten Ablagerung zur Ablagerung einzelner Schichten resultiert aus dem Einfluss autozyklischer Faktoren bei der Ablagerung von Karbonaten. Die Skalenabhängigkeit von Karbonat-Heterogenität ist mit der Auswertung der Algorithmen verknüpft um eine Modellierungsstrategie zu etablieren, welche sowohl die sedimentären Charakteristiken des Aufschlusses als auch die Modellierfähigkeit berücksichtigt. Für die Modellierung der Ablagerungssequenzen wurde ein flächenbasierter Ansatz verwendet. Die Faziesassoziationen wurden durch die Benutzung des TGSim-Algorithmus simuliert, um die regulären Trends zwischen den einzelnen Ablagerungsgebieten zu erhalten. Im Bereich der verschiedenen Lithofazien wurde mit dem SISim-Algorithmus, ein voll stochastischer Ansatz angewendet, um die mosaikartige Verteilung der Lithofazies-Typen zu simulieren. Dieser neue Arbeitsablauf wurde konzipiert, um die Simulierung von Karbonaten auf Basis der einzelnen Heterogenitäten in verschiedenen Größenordnungen zu verbessern. Im Gegensatz zu den in der Literatur angewendeten Simulationsmethoden berücksichtigt diese Studie, dass eine einzelne Modellierungstechnik die natürlichen Ablagerungsmuster und Variabilität von Karbonaten wahrscheinlich nicht korrekt abbildet. Die Einführung verschiedener Techniken, angepasst auf die verschiedenen Ebenen der stratigrafischen Hierarchie, liefert die notwendige Flexibilität um Karbonatsysteme korrekt zu modellieren. Eine enge Verknüpfung zwischen den Fortschritten auf dem Gebieten der Sedimentologie und dem Gebiet der modellierenden Geowissenschaften sollte weiterhin bestehen, um auch zukünftig bei der Simulation von geologischen Gelände-Aufschlüssen eine Verbesserung der 3-D-Modellierung zu erreichen.
KW  - Karbonat
KW  - 3-D Modellierung
KW  - Aufschluss-Modellierung
KW  - Quantitative Daten
KW  - Skala
KW  - Stochastischer Algorithmus
KW  - Carbonate
KW  - 3-D outcrop modeling
KW  - quantitative data
KW  - scale
KW  - stochastic algorithms
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66621
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hintersberger, Esther
T1  - The role of extension during the evolution of the NW Indian Himalaya
T1  - Extension und deren Bedeutung während der Entstehung des Himalajas im NW Indiens
N2  - The evolution of most orogens typically records cogenetic shortening and extension. Pervasive normal faulting in an orogen, however, has been related to late syn- and post-collisional stages of mountain building with shortening focused along the peripheral sectors of the orogen. While extensional processes constitute an integral part of orogenic evolution, the spatiotemporal characteristics and the kinematic linkage of structures related to shortening and extension in the core regions of the orogen are often not well known. Related to the India-Eurasia collision, the Himalaya forms the southern margin of the Tibetan Plateau and constitutes the most prominent Cenozoic type example of a collisional orogen. While thrusting is presently observed along the foothills of the orogen, several generations of extensional structures have been detected in the internal, high-elevation regions, both oriented either parallel or perpendicular to the strike of the orogen. In the NW Indian Himalaya, earthquake focal mechanisms, seismites and ubiquitous normal faulting in Quaternary deposits, and regional GPS measurements reveal ongoing E-W extension. In contrast to other extensional structures observed in the Himalaya, this extension direction is neither parallel nor perpendicular to the NE-SW regional shortening direction. In this study, I took advantage of this obliquity between the trend of the orogen and structures related to E-W oriented extension in order to address the question of the driving forces of different extension directions. Thus, extension might be triggered triggered by processes within the Tibetan Plateau or originates from the curvature of the Himalayan orogen. In order to elaborate on this topic, I present new fault-kinematic data based on systematic measurements of approximately 2000 outcrop-scale brittle fault planes with displacements of up to several centimeters that cover a large area of the NW Indian Himalaya. This new data set together with field observations relevant for relative chronology allows me to distinguish six different deformation styles. One of the main results are that the overall strain pattern derived from this data reflects the regionally important contractional deformation pattern very well, but also reveals significant extensional deformation. In total, I was able to identify six deformation styles, most of which are temporally and spatially linked and represent protracted shortening, but also significant extensional directions. For example, this is the first data set where a succession of both, arc-normal and E-W extension have been documented in the Himalaya. My observations also furnish the basis for a detailed overview of the younger extensional deformation history in the NW Indian Himalaya. Field and remote-sensing based geomorphic analyses, and geochronologic 40Ar/39Ar data on synkinematic muscovites along normal faults help elucidate widespread E-W extension in the NW Indian Himalaya which must have started at approximately 14-16 Ma, if not earlier. In addition, I documented and mapped fault scarps in Quaternary sedimentary deposits using satellite imagery and field inspection. Furthermore, I made field observations of regional normal faults, compiled structures from geological maps and put them in a regional context. Finally, I documented seismites in lake sediments close to the currently most active normal fault in the study area in order to extend the (paleo) seismic record of this particular fault. Taken together, this data sets document that E-W extension is the dominant active deformation style in the internal parts of the orogen. In addition, the combined field, geomorphic and remote-sensing data sets prove that E-W extension occurs in a much more larger region toward the south and west than the seismicity data have suggested. In conclusion, the data presented here reveal the importance of extension in a region, which is still dominated by ongoing collision and shortening. The regional fault distribution and cross-cutting relationships suggest that extension parallel and perpendicular to the strike of the orogen are an integral part of the southward propagation of the active thrust front and the associated lateral growth of the Himalayan arc. In the light of a wide range of models proposed for extension in the Himalaya and the Tibetan plateau, I propose that E-W extension in the NW Indian Himalaya is transferred from the Tibetan Plateau due the inability of the Karakorum fault (KF) to adequately accommodate ongoing E-W extension on the Tibetan Plateau. Furthermore, in line with other observations from Tibet, the onset of E-W normal faulting in the NW Himalaya may also reflect the attainment of high topography in this region, which generated crustal stresses conducive to spatially extensive extension.
N2  - Die Hauptaufgabe von MHC-kodierten Proteinen ist die Erkennung von körperfremden Molekülen sowie das Einleiten einer adäquaten Immunantwort, womit sie eine Schlüsselrolle im Immunsystem der Wirbeltiere einnehmen. Man nimmt an, dass ihre außergewöhnliche Vielfalt eine Antwort auf die sich ständig anpassenden Parasiten und Krankheitserreger ist, durch adaptive Selektion erhalten wird und dass die individuelle Allelausstattung einen Großteil der Parasitenbelastung erklärt, wofür bereits zahlreiche MHC-Studien Hinweise gefunden haben. Trotzdem ist unser Verständnis über die wirkenden Mechanismen teilweise noch lückenhaft. Ein stark vernachlässigter Aspekt hierbei sind z.B. eventuelle Unterschiede in der Genexpression der MHC-Allele und eine geringere Expression wäre gleichbedeutend mit einer geringeren Aktivierung des Immunsystems. Ich habe hierzu zwei frei lebende Kleinsäugerarten (Delomys sublineatus, Apodemus flavicollis) unter natürlichen Selektionsbedingungen untersucht. Dabei habe ich neben der genotypischen Diversität von MHC-Genen auch deren Expression, sowie die Genexpression immunregulativer Zytokine mit in Betracht gezogen und in Relation zur individuellen Belastung mit gastrointestinalen Helminthen Das gleichzeitige Auftreten von Verkürzung und Dehnung (Extension) ist ein charakteristisches Kennzeichen bei der Bildung von Kollisionsgebirgen. Eine bis heute gängige These beinhaltet ein weit verbreitetes Auftreten von bschiebungen jedoch erst in späteren Stadien der Gebirgsbildung, bzw. nach deren Abschluÿ. Verkürzung ist hingegen während der gesamten Gebirgsbildung zu beobachten. Auch wenn Extensionsprozesse einen wesentlichen Bestandteil der Gebirgsbildung darstellen, ist deren räumlichen und zeitlichen Abfolge sowie ihre kinematische Kopplung zu Verkürzungstrukturen nur wenig gesichert. Der Himalaja, durch die Kollision von Indien und Eurasien entstanden, bildet den südlichen Rand des tibetischen Hochplateaus und stellt ein typisches aktives Kollisionsgebilde dar. Während heutzutage an der Gebirgsfront Überschiebungen beobachtet werden, können mehrere Generationen an Extensionsstrukturen in den hochgelegenen Regionen des Himalajas dokumentiert werden, die sowohl parallel als auch senkrecht zur Gebirgsfront verlaufen. Im NW Indiens zeugen Erdbebendaten sowie regionale GPS-Daten von andauernder E-W-Extension. Im Gegensatz zu anderen im Himalaja beschriebenen Extensionsstrukturen ist diese Extensionsrichtung jedoch weder parallel noch senkrecht zur NE-SW orientierten regionalen Verkürzungsrichtung. In der vorliegenden Arbeit nutze ich diesen schiefen Winkel zwischen der Ausrichtung des Gebirges einerseits und den mit E-W-Extension assoziierten Strukturen andererseits, um mögliche Ursachen für verschiedene Extensionsarten differenzieren zu können. So könnte Extension entweder durch Prozesse innerhalb des tibetischen Hochplateaus gesteuert werden, oder durch die Krümmung des Himalajas, der bogenförmig verläuft. Um dies zu untersuchen, verwende ich einen neuen störungskinematischen Datensatz aus systematischen Messungen von ca. 2000 spröden Störungsflächen im Aufschlussmaßstab über den gesamten Bereich des Himalajas in NW Indien. Zusammen mit Geländebeobachtungen, aus denen eine relative Altersabfolge abgeleitet werden konnte, ermöglicht mir dieser Datensatz zwischen sechs einzelnen Deformationsarten zu differenzieren. Die meisten dieser Deformationsarten sind zeitlich und räumlich verbunden und zeigen fortschreitende Verkürzung an, gleichzeitig werden auch signifikante Extensionsrichtungen dokumentiert. Unter anderem kann ich hier zum ersten Mal eine separierte Abfolge von Extension parallel zum Himalaja-Bogen bzw. E-W-Extension dokumentieren. Ein weiteres Ziel dieser Studie ist es, einen detaillierten Überblick über die E-W-Extension im NW indischen Himalaja zu erhalten. Basierend auf Kartierung von jungen Bruchstufen sowie geomorphologische Auswertungen, 40Ar/39Ar-daten von synkinematisch gewachsenen Muskoviten auf Abschiebungen, sowie einer Kompilierung von eigene Geländebeobachtungen gröÿerer Abschiebungen mit schon publizierten Strukturen, konnte ich die räumliche Ausdehnung der E-W-Extension sowie deren zeitliche Einordnung als jüngstes Deformationsereignis belegen. Schlussendlich konnte ich anhand von Deformation in Seeablagerungen in der Nähe der momentan aktivsten Abschiebung im Untersuchungsgebiet den Nachweis an paläoseismologischen Ereignissen entlang dieser Störung ausweiten. Mit diesem Datensatz kann ich nachweisen, dass E-W-Extension in einem wesentlich ausgedehnteren Gebiet nach Süden und Westen hin auftritt, als bisher vorhandene Daten dies vermuten lassen, und dass E-W-Extension vor 14-16 Ma begann, wenn nicht sogar noch früher. Zusammenfassend bezeugen die hier präsentierten Daten die Relevanz von Extension in einer von Verkürzung geprägten Region. Die räumliche Verteilung von Störungen sowie Überschneidungskriterien lassen vermuten, dass Extension sowohl parallel wie auch senkrecht zum Himalaja-Bogen ein essentieller Teil des südwärts gerichteten Wanderns der aktiven Überschiebungsfront und des damit assoziierten lateralen Wachstums des Gebirges ist. Nach Abwägung der groÿen Bandbreite an Modellen für Extension im Himalaja und im tibetischen Hochplateau, bin ich der Meinung, dass E-W-Extension im NW indischen Himalaja ihren Ursprung im tibetischen Hochplateau hat. Grund dafür ist, dass die Bewegung entlang der Karakorum-Störung nicht ausreichend ist, um die fortdauernde E-W-Extension im tibetischen Hochplateau zu kompensieren. In Übereinstimmung mit anderen Beobachtungen in Tibet ist es auÿerdem möglich, dass das Einsetzen von E-W-Extension im NW Himalaja ebenfalls Erreichen der hohen Topographie in dieser Gegend widerspiegelt, durch die krustale Prozesse in Gang gesetzt werden, die wiederum zu räumlich ausgedehnten Extensionsprozessen führen können.. Anhand von Leber und Milzproben beider Arten habe ich die Methode der ‚real-time PCR‘ zur relativen Quantifizierung von mRNA im Labor etabliert. Bereits für die Labormaus etablierte PCR-Primersysteme wurden an beiden Arten getestet und so konnten stabile Referenzgene gefunden werden, die Grundvoraussetzung für zuverlässige Genexpressionsmessungen. Für D. sublineatus konnte gezeigt werden, dass Helminthenbefall eine typische Th2 Immunantwort induziert, und dass der Zytokin Il4 Gehalt mit Befallsintensität strongyler Nematoden zunimmt. Es wurde für D. sublineatus kein signifikanter Zusammenhang zwischen MHC Expression oder anderen Zytokinen mit Helminthenbefall gefunden. In A. flavicollis wurde ein negativer Zusammenhang zwischen haptischer MHC-Expression und dem parasitären Nematoden Heligmosomoides polygyrus festgestellt, was auf eine Immunvermeidungsstrategie des Nematoden hindeutet. Ich fand typische positive und negative Assoziationen zwischen MHC-Allelen und anderen Helminthenarten, sowie Zeichen eines positiven Selektionsdruckes auf den MHC-Sequenzen, was sich durch eine erhöhte Rate aminosäureverändernder Mutationen zeigte. Diese nicht-synonymen Veränderungen waren auf Positionen innerhalb des zweiten Exons des DRB-Genes beschränkt, wohingegen die untersuchten Bereiche des ersten und dritten Exons stark konserviert vorlagen. Diese variablen Positionen kodieren Schlüsselstellen im Bereich der Antigenbindungsstelle im MHC Molekül. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Genexpressionsstudien auch an Wildtieren durchgeführt und verlässliche Daten erzeugt werden können. Zusätzlich zur strukturellen Vielfalt sollten zukünftig auch mögliche Genexpressionsunterschiede bei MHC-Studien berücksichtigt werden, um ein kompletteres Bild der koevolutiven Wirt-Parasiten-Beziehungen zeichnen zu können. Dies ist vor allem dann von evolutiver Bedeutung, wenn die Parasiten in der Lage sind die MHC Expression aktiv zu beeinflussen. Die Studien konnten nicht die exakte Bedeutung von MHC-Genexpression in der antagonistischen Koevolution definieren, aber sie konnten zeigen dass diese Bedeutung stark von den jeweils beteiligten Partnern abzuhängen vermag.
KW  - NW Himalaja
KW  - Extension
KW  - Paläo-Strain-Berechnung
KW  - Neotektonik
KW  - NW Himalaya
KW  - extension
KW  - paleo-strain calculation
KW  - neotectonics
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66179
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TY  - THES
A1  - Czymzik, Markus
T1  - Mid- to Late Holocene flood reconstruction from two varved sediment profiles of pre-alpine Lake Ammersee (Southern Germany)
T1  - Mittel- bis Spätholozäne Hochwasserrekonstruktion aus zwei warvierten Sedimentkernen des Ammersees
N2  - Climate is the principal driving force of hydrological extremes like floods and attributing generating mechanisms is an essential prerequisite for understanding past, present, and future flood variability. Successively enhanced radiative forcing under global warming enhances atmospheric water-holding capacity and is expected to increase the likelihood of strong floods. In addition, natural climate variability affects the frequency and magnitude of these events on annual to millennial time-scales. Particularly in the mid-latitudes of the Northern Hemisphere, correlations between meteorological variables and hydrological indices suggest significant effects of changing climate boundary conditions on floods. To date, however, understanding of flood responses to changing climate boundary conditions is limited due to the scarcity of hydrological data in space and time. Exploring paleoclimate archives like annually laminated (varved) lake sediments allows to fill this gap in knowledge offering precise dated time-series of flood variability for millennia. During river floods, detrital catchment material is eroded and transported in suspension by fluid turbulence into downstream lakes. In the water body the transport capacity of the inflowing turbidity current successively diminishes leading to the deposition of detrital layers on the lake floor. Intercalated into annual laminations these detrital layers can be dated down to seasonal resolution. Microfacies analyses and X-ray fluorescence scanning (µ-XRF) at 200 µm resolution were conducted on the varved Mid- to Late Holocene interval of two sediment profiles from pre-alpine Lake Ammersee (southern Germany) located in a proximal (AS10prox) and distal (AS10dist) position towards the main tributary River Ammer. To shed light on sediment distribution within the lake, particular emphasis was (1) the detection of intercalated detrital layers and their micro-sedimentological features, and (2) intra-basin correlation of these deposits. Detrital layers were dated down to the season by microscopic varve counting and determination of the microstratigraphic position within a varve. The resulting chronology is verified by accelerator mass spectrometry (AMS) 14C dating of 14 terrestrial plant macrofossils. Since ~5500 varve years before present (vyr BP), in total 1573 detrital layers were detected in either one or both of the investigated sediment profiles. Based on their microfacies, geochemistry, and proximal-distal deposition pattern, detrital layers were interpreted as River Ammer flood deposits. Calibration of the flood layer record using instrumental daily River Ammer runoff data from AD 1926 to 1999 proves the flood layer succession to represent a significant time-series of major River Ammer floods in spring and summer, the flood season in the Ammersee region. Flood layer frequency trends are in agreement with decadal variations of the East Atlantic-Western Russia (EA-WR) atmospheric pattern back to 200 yr BP (end of the used atmospheric data) and solar activity back to 5500 vyr BP. Enhanced flood frequency corresponds to the negative EA-WR phase and reduced solar activity. These common links point to a central role of varying large-scale atmospheric circulation over Europe for flood frequency in the Ammersee region and suggest that these atmospheric variations, in turn, are likely modified by solar variability during the past 5500 years. Furthermore, the flood layer record indicates three shifts in mean layer thickness and frequency of different manifestation in both sediment profiles at ~5500, ~2800, and ~500 vyr BP. Combining information from both sediment profiles enabled to interpret these shifts in terms of stepwise increases in mean flood intensity. Likely triggers of these shifts are gradual reduction of Northern Hemisphere orbital summer forcing and long-term solar activity minima. Hypothesized atmospheric response to this forcing is hemispheric cooling that enhances equator-to-pole temperature gradients and potential energy in the troposphere. This energy is transferred into stronger westerly cyclones, more extreme precipitation, and intensified floods at Lake Ammersee. Interpretation of flood layer frequency and thickness data in combination with reanalysis models and time-series analysis allowed to reconstruct the flood history and to decipher flood triggering climate mechanisms in the Ammersee region throughout the past 5500 years. Flood frequency and intensity are not stationary, but influenced by multi-causal climate forcing of large-scale atmospheric modes on time-scales from years to millennia. These results challenge future projections that propose an increase in floods when Earth warms based only on the assumption of an enhanced hydrological cycle.
N2  - Globale Klimamodelle prognostizieren eine Zunahme von Starkhochwassern infolge der Klimaerwärmung. Weiterhin werden natürliche Klimafaktoren die Intensität und Häufigkeit solcher Ereignisse auf Zeitskalen von Jahren bis Jahrtausenden beeinflussen. Für ein umfassendes Verständnis hochwassergenerierender Klimamechanismen müssen daher lange Zeiträume und regionale Muster in Betracht gezogen werden. Aufgrund der Limitierung der meisten instrumentellen Abflusszeitreihen auf die letzten 100 Jahre, bieten diese nur einen sehr begrenzten Einblick in das Spektrum möglicher Klima-Hochwasser Zusammenhänge. Die Nutzung natürlicher Hochwasserarchive, wie warvierter Seesedimente, erlaubt die Untersuchung von Hochwasseraktivität auf Zeitskalen von Jahrtausenden. Durch Hochwasser in einen See eingetragenes detritisches Material bildet, eingeschaltet in den jährlichen Sedimentationszyklus, eine charakteristische Abfolge von Hochwasserlagen auf dem Seeboden. Das Zählen jährlicher Laminierungen und die Position innerhalb eines jährlichen Sedimentationszyklus ermöglichen die Datierung von Hochwasserlagen mit saisonaler Genauigkeit. Der Ammersee bildet ein ideales Archiv zur Rekonstruktion von Hochwassern. Detritisches Material wird durch nur einen Hauptzufluss, die Ammer, in das rinnenförmige Becken transportiert. Die warvierten Sedimente erlauben eine zuverlässige Detektion und Datierung selbst mikroskopischer Hochwasserlagen. An zwei warvierten Sedimentprofilen des Ammersees sind hochauflösende Mikrofazies und Röntgenfluoreszenz (µ-XRF) Analysen durchgeführt worden. Zum besseren Verständnis der Sedimentverteilung im See lag der Fokus der Untersuchungen auf der Detektion detritischer Lagen anhand ihrer sedimentologischen und geochemischen Eigenschaften und der Korrelation dieser Lagen zwischen beiden Sedimentprofilen. Die Datierung der detritschen Lagen erfolgte durch Warvenzählung und wurde durch AMS Radiokarbondatierungen bestätigt. In den Sedimenten der letzten 5500 Jahre wurden 1573 detritische Lagen gefunden. Aufgrund ihrer Eigenschaften lassen sich diese Lagen als Ammerhochwasserlagen interpretieren: (1) Die Mikrofazies deutet auf eine Ablagerung nach Starkabflussereignissen hin. (2) Die geochemische Zusammensetzung beweist die terrestrische Herkunft des Materials. (3) Das proximal-distale Ablagerungsmuster deutet auf die Ammer als Eintragsquelle des Materials hin. Eine Kalibrierung mit instrumentellen Hochwasserdaten der Ammer im Zeitraum von AD 1926 bis 1999 bestätigt die Sukzession der detritischen Lagen als eine Zeitreihe starker Ammerhochwasser im Frühling und Sommer, der Hochwassersaison am Ammersee. Die Häufigkeit der Hochwasserlagen in den letzten 5500 Jahren weist eine deutliche dekadische Variabilität auf. Trends in der Häufigkeit von Hochwasserlagen korrelieren negativ mit dem Index der East Atlantic-Western Russia Oszillation (EA-WR) während der letzten 250 Jahre (Zeitraum der durch die genutzten atmosphärischen Daten abgedeckt ist) und der solaren Aktivität während des kompletten Zeitraums. Diese Übereinstimmungen deuten möglicherweise auf einen solaren Einfluss auf die atmosphärische Zirkulation über Europa und damit auf die Häufigkeit von Hochwassern am Ammersee hin. Weiterhin weist die Zeitreihe der Hochwasserlagen drei Veränderungen der durchschnittlichen Lagenhäufigkeit und -mächtigkeit vor etwa 5500, 2800 und 500 Jahren auf. Die Kombination der Daten beider Sedimentprofile ermöglicht es, diese Veränderungen als schrittweise Anstiege der Hochwasserintensität zu interpretieren. Vermutliche Auslöser sind graduelle Reduktion der solaren Insolation in der Nordhemisphäre und langfristige Minima der solaren Aktivität. Die wahrscheinliche atmosphärische Reaktion auf dieses Klimaforcing ist ein verstärkter Temperaturgradient zwischen den niederen und hohen Breiten, der zu einer Erhöhung der potenziellen Energie in der Atmosphäre und verstärkter Baroklinität führt. Diese Energie wird transferiert in eine Verstärkung der zyklonalen Westwindzirkulation, extremere Niederschläge und eine Intensivierung der Hochwasser am Ammersee. Die Interpretation der Häufigkeit und Mächtigkeit von Hochwasserlagen in den Sedimenten des Ammersees ermöglicht eine Rekonstruktion der Hochwassergeschichte und die Identifizierung hochwasserauslösender Klimafaktoren in der Ammerseeregion während der letzten 5500 Jahre. Hochwasserhäufigkeit und -intensität sind nicht stationär, sondern durch komplexe Veränderungen im Klimasystem auf Zeitskalen von Jahren bis Jahrtausenden geprägt. In diesem Zusammenhang erscheinen die Resultate globaler Klimamodelle, die einen Anstieg des Hochwasserrisikos allein auf Basis eines thermodynamisch intensivierten hydrologischen Kreislaufs infolge der Klimaerwärmung prognostizieren, als stark simplifiziert.
KW  - paleofloods
KW  - lake sediments
KW  - varves
KW  - climate dynamics
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65098
ER  - 
TY  - THES
A1  - Conradt, Tobias
T1  - Challenges of regional hydrological modelling in the Elbe River basin : investigations about model fidelity on sub-catchment level
T1  - Herausforderungen für die regionale hydrologische Modellierung im Flußeinzugsgebiet der Elbe : Forschungen zur Modellgüte auf der Ebene der Teileinzugsgebiete
N2  - Within a research project about future sustainable water management options in the Elbe River basin, quasi-natural discharge scenarios had to be provided. The semi-distributed eco-hydrological model SWIM was utilised for this task. According to scenario simulations driven by the stochastical climate model STAR, the region would get distinctly drier. However, this thesis focuses on the challenge of meeting the requirement of high model fidelity even for smaller sub-basins. Usually, the quality of the simulations is lower at inner points than at the outlet. Four research paper chapters and the discussion chapter deal with the reasons for local model deviations and the problem of optimal spatial calibration. Besides other assessments, the Markov Chain Monte Carlo method is applied to show whether evapotranspiration or precipitation should be corrected to minimise runoff deviations, principal component analysis is used in an unusual way to evaluate local precipitation alterations by land cover changes, and remotely sensed surface temperatures allow for an independent view on the evapotranspiration landscape. The overall insight is that spatially explicit hydrological modelling of such a large river basin requires a lot of local knowledge. It probably needs more time to obtain such knowledge as is usually provided for hydrological modelling studies.
N2  - Innerhalb eines Forschungsprojekts zu zukünftigen nachhaltigen Optionen der Wasserwirtschaft im Elbe-Einzugsgebiet mußten quasi-natürliche Abflußszenarien bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck wurde das räumlich diskretisierte ökohydrologische Modell SWIM eingesetzt. Nach den von dem stochastischen Klimamodell STAR angetriebenen Szenariosimulationen würde die Region deutlich trockener werden. Allerdings ist das Hauptthema dieser Dissertation die Herausforderung, die Ansprüche an hohe Modelltreue auch für kleinere Teileinzugsgebiete zu erfüllen. Normalerweise ist die Qualität der Simulationen für innere Punkte geringer als am Gebietsauslaß. Vier Fachartikel-Kapitel und das Diskussionskapitel beschäftigen sich mit den Gründen für lokale Modellabweichungen und dem Problem optimaler räumlicher Kalibrierung. Unter anderem wird die Markovketten-Monte-Carlo-Methode angewendet, um zu zeigen, ob Verdunstung oder Niederschlag korrigiert werden sollte, um Abweichungen des Abflusses zu minimieren, die Hauptkomponentenanalyse wird auf eine unübliche Weise benutzt, um lokale Niederschlagsänderungen aufgrund von Landnutzungsänderungen zu untersuchen, und fernerkundete Oberflächentemperaturen erlauben eine unabhängige Sicht auf die Verdunstungslandschaft. Die grundlegende Erkenntnis ist, daß die räumlich explizite hydrologische Modellierung eines so großen Flußeinzugsgebiets eine Menge Vor-Ort-Wissen erfordert. Wahrscheinlich wird mehr Zeit benötigt, solches Wissen zu erwerben, als üblicherweise für hydrologische Modellstudien zur Verfügung steht.
KW  - ökohydrologische Modellierung
KW  - räumliche Kalibrierung
KW  - Fehlerquellen der Modellierung
KW  - Landschaftseffekte
KW  - Fernerkundung
KW  - eco-hydrological modelling
KW  - spatial calibration
KW  - modelling error sources
KW  - landscape effects
KW  - remote sensing
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65245
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ambili, Anoop
T1  - Lake sediments as climate and tectonic archives in the Indian summer monsoon domain
T1  - Seesedimente als Klima- und Tektonikarchive im Einflussbereich des Indischen Sommermonsuns
N2  - The Indian summer monsoon (ISM) is one of the largest climate systems on earth and impacts the livelihood of nearly 40% of the world’s population. Despite dedicated efforts, a comprehensive picture of monsoon variability has proved elusive largely due to the absence of long term high resolution records, spatial inhomogeneity of the monsoon precipitation, and the complex forcing mechanisms (solar insolation, internal teleconnections for e.g., El Niño-Southern Oscillation, tropical-midlatitude interactions). My work aims to improve the understanding of monsoon variability through generation of long term high resolution palaeoclimate data from climatically sensitive regions in the ISM and westerlies domain. To achieve this aim I have (i) identified proxies (sedimentological, geochemical, isotopic, and mineralogical) that are sensitive to environmental changes; (ii) used the identified proxies to generate long term palaeoclimate data from two climatically sensitive regions, one in NW Himalayas (transitional westerlies and ISM domain in the Spiti valley and one in the core monsoon zone (Lonar lake) in central India); (iii) undertaken a regional overview to generate “snapshots” of selected time slices; and (iv) interpreted the spatial precipitation anomalies in terms of those caused by modern teleconnections. This approach must be considered only as the first step towards identifying the past teleconnections as the boundary conditions in the past were significantly different from today and would have impacted the precipitation anomalies. As the Spiti valley is located in the in the active tectonic orogen of Himalayas, it was essential to understand the role of regional tectonics to make valid interpretations of catchment erosion and detrital influx into the lake. My approach of using integrated structural/morphometric and geomorphic signatures provided clear evidence for active tectonics in this area and demonstrated the suitability of these lacustrine sediments as palaleoseismic archives. The investigations on the lacustrine outcrops in Spiti valley also provided information on changes in seasonality of precipitation and occurrence of frequent and intense periods (ca. 6.8-6.1 cal ka BP) of detrital influx indicating extreme hydrological events in the past. Regional comparison for this time slice indicates a possible extended “break-monsoon like” mode for the monsoon that favors enhanced precipitation over the Tibetan plateau, Himalayas and their foothills. My studies on surface sediments from Lonar lake helped to identify environmentally sensitive proxies which could also be used to interpret palaeodata obtained from a ca. 10m long core raised from the lake in 2008. The core encompasses the entire Holocene and is the first well dated (by 14C) archive from the core monsoon zone of central India. My identification of authigenic evaporite gaylussite crystals within the core sediments provided evidence of exceptionally drier conditions during 4.7-3.9 and 2.0-0.5 cal ka BP. Additionally, isotopic investigations on these crystals provided information on eutrophication, stratification, and carbon cycling processes in the lake.
N2  - Der Indische Sommer Monsun (ISM) ist eines der bedeutendsten Klimaphänomene auf der Erde und hat großen Einfluss auf die Lebensbedingungen und -grundlagen von nahezu 40% der Weltbevölkerung. Trotz großer Bemühungen ist es bisher nicht gelungen ein genaues und umfassendes Verständnis der Monsun-Variabilität zu gewinnen. Hauptgründe dafür sind das Fehlen von langjährigen und hochaufgelösten Klimazeitreihen, räumlichen Inhomogenitäten in den Niederschlagsverteilungen und die Komplexität der treibenden klimatischen Mechanismen (Sonneneinstrahlung, interne Wechselwirkungen des Klimasystems, wie z.B. zwischen Tropen und mittleren Breiten oder die Auswirkungen der El Niño Oszillation). Die Zielsetzung der hier vorgestellten Arbeit ist ein verbessertes Verständnis der Monsun-Variabilität zu entwickeln, auf Basis von hochaufgelösten und weit reichenden Paläoklimazeitreihen aus klimasensitiven Regionen des ISM und der Westwindzone. Um die Zielsetzung umzusetzen habe ich: (i) Proxys identifiziert (sedimentologische, geochemische, isotopische, und mineralogische), die empfindlich auf Umweltveränderungen reagieren; (ii) die identifizierten Proxys zur Erzeugung von langjährigen Paläoklima-Daten für zwei klimasensible Regionen verwendet, eine im NW des Himalaja (Übergangs-Westwindzone und ISM Gebiet von Spity Valley) und eine in der Kernzone des Monsun (Lonar-See) in Zentralindien; (iii) Übersichts-"Momentaufnahmen" der regionalen klimatischen Bedingungen für ausgewählte Zeitpunkte der Vergangenheit erzeugt; und (iv) räumliche Niederschlagsanomalien in Hinblick auf heutige Wechselbeziehungen im Klimasystem interpretiert. Dieser Ansatz stellt allerdings nur einen ersten Schritt zur Identifizierung von paläoklimatischen Wechselbeziehungen im Monsunsystem dar, da sich die Randbedingungen in der Vergangenheit deutlich von den heutigen unterscheiden und diese einen signifikanten Einfluss auf die Niederschlagsanomalien haben. Da das Spity Valley im tektonisch aktiven Himalaja-Orogen lokalisiert ist, ist es von entscheidender Bedeutung die regionalen tektonischen Prozesse zu verstehen, um Erosionsvorgänge des Einzugsgebiets und die Einfuhr von Detritus in den See korrekt interpretieren zu können. Mein Ansatz der Nutzung kombinierter strukturell/morphometrischer und geomorphologischer Charakteristiken lieferte klare Beweise für aktive Tektonik im untersuchten Gebiet und demonstrierte damit die Eignung dieser lakustrinen Sedimente als paläoseismisches Archiv. Die Untersuchung lakustriner Aufschlüsse in Spity Valley lieferte auch Informationen saisonale Änderung der Niederschlagsverteilung sowie das Auftreten von häufigen und intensiven Perioden (ca. 6,8-6,1 cal ka BP) detritischer Einfuhr, welche auf extreme hydrologische Ereignisse in der Vergangenheit schließen lässt. Ein regionaler Vergleich dieser Periode deutet auf einen möglicherweise erweiterten „break-monsoon-like“ Modus für den Monsun hin, welcher hohe Niederschläge über dem Tibetischen Plateau, dem Himalaja und seinen Gebirgsausläufern begünstigt. Meine Studien an den Oberflächensedimenten des Lonar-Sees haben dazu beigetragen umweltsensitive Proxys zu identifizieren, die auch zur Interpretation von Paläodaten von einem ca. 10 m langen Sedimentkern genutzt wurden, der 2008 erbohrt wurde. Der Kern umfasst das gesamte Holozän und stellt das erste gut 14C-datierte Archiv aus der Kernmonsunzone Zentralindiens dar. Die Identifizierung von authigenen Evaporit-Kristallen (Gaylussite) innerhalb der Sedimente liefert einen Beweis für ungewöhnlich trockene Bedingungen in den Perioden zwischen 4,7-3,9 und 2,0-0,5 cal ka BP. Darüber hinaus lieferten Isotopen-Untersuchungen dieser Kristalle Informationen zur Eutrophierung, Stratifikation und zum Kohlenstoff-Kreislauf des Sees.
KW  - Gaylussite
KW  - Indische Sommer Monsun
KW  - Seesediment
KW  - Spity Valley
KW  - Lonarsee
KW  - Gaylussite
KW  - Indian summer monsoon
KW  - Lake sediments
KW  - Spiti valley
KW  - Lonar lake
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64799
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bayer, Anita
T1  - Methodological developments for mapping soil constituents using imaging spectroscopy
T1  - Methodische Entwicklungen zur Kartierung von Bodenparametern mittels Abbildender Spektroskopie
N2  - Climatic variations and human activity now and increasingly in the future cause land cover changes and introduce perturbations in the terrestrial carbon reservoirs in vegetation, soil and detritus. Optical remote sensing and in particular Imaging Spectroscopy has shown the potential to quantify land surface parameters over large areas, which is accomplished by taking advantage of the characteristic interactions of incident radiation and the physico-chemical properties of a material. The objective of this thesis is to quantify key soil parameters, including soil organic carbon, using field and Imaging Spectroscopy. Organic carbon, iron oxides and clay content are selected to be analyzed to provide indicators for ecosystem function in relation to land degradation, and additionally to facilitate a quantification of carbon inventories in semiarid soils. The semiarid Albany Thicket Biome in the Eastern Cape Province of South Africa is chosen as study site. It provides a regional example for a semiarid ecosystem that currently undergoes land changes due to unadapted management practices and furthermore has to face climate change induced land changes in the future. The thesis is divided in three methodical steps. Based on reflectance spectra measured in the field and chemically determined constituents of the upper topsoil, physically based models are developed to quantify soil organic carbon, iron oxides and clay content. Taking account of the benefits limitations of existing methods, the approach is based on the direct application of known diagnostic spectral features and their combination with multivariate statistical approaches. It benefits from the collinearity of several diagnostic features and a number of their properties to reduce signal disturbances by influences of other spectral features. In a following step, the acquired hyperspectral image data are prepared for an analysis of soil constituents. The data show a large spatial heterogeneity that is caused by the patchiness of the natural vegetation in the study area that is inherent to most semiarid landscapes. Spectral mixture analysis is performed and used to deconvolve non-homogenous pixels into their constituent components. For soil dominated pixels, the subpixel information is used to remove the spectral influence of vegetation and to approximate the pure spectral signature coming from the soil. This step is an integral part when working in natural non-agricultural areas where pure bare soil pixels are rare. It is identified as the largest benefit within the multi-stage methodology, providing the basis for a successful and unbiased prediction of soil constituents from hyperspectral imagery. With the proposed approach it is possible (1) to significantly increase the spatial extent of derived information of soil constituents to areas with about 40 % vegetation coverage and (2) to reduce the influence of materials such as vegetation on the quantification of soil constituents to a minimum. Subsequently, soil parameter quantities are predicted by the application of the feature-based soil prediction models to the maps of locally approximated soil signatures. Thematic maps showing the spatial distribution of the three considered soil parameters in October 2009 are produced for the Albany Thicket Biome of South Africa. The maps are evaluated for their potential to detect erosion affected areas as effects of land changes and to identify degradation hot spots in regard to support local restoration efforts. A regional validation, carried out using available ground truth sites, suggests remaining factors disturbing the correlation of spectral characteristics and chemical soil constituents. The approach is developed for semiarid areas in general and not adapted to specific conditions in the study area. All processing steps of the developed methodology are implemented in software modules, where crucial steps of the workflow are fully automated. The transferability of the methodology is shown for simulated data of the future EnMAP hyperspectral satellite. Soil parameters are successfully predicted from these data despite intense spectral mixing within the lower spatial resolution EnMAP pixels. This study shows an innovative approach to use Imaging Spectroscopy for mapping of key soil constituents, including soil organic carbon, for large areas in a non-agricultural ecosystem and under consideration of a partially vegetation coverage. It can contribute to a better assessment of soil constituents that describe ecosystem processes relevant to detect and monitor land changes. The maps further provide an assessment of the current carbon inventory in soils, valuable for carbon balances and carbon mitigation products.
N2  - Klimatische und anthropogene Faktoren verursachen bereits jetzt und verstärkt in Zukunft Änderungen der Landbedeckung und Landnutzung natürlicher Ökosysteme, die sich direkt auf die terrestrischen Kohlenstoffspeicher in Vegetation, Böden und biogenen Resten auswirken. Optische Fernerkundung und im Besonderen die Abbildende Spektroskopie sind etablierte Methoden, die basierend auf der charakteristischen Wechselwirkung der Sonnenstrahlung mit physikalisch-chemischen Materialeigenschaften eine quantitative Abschätzung degradationsrelevanter Parameter der Landoberfläche erlauben. Das Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung maßgeblicher Bodeninhaltsstoffe unter Verwendung von Feld- und abbildender Spektroskopie. Dabei stehen organischer Kohlenstoff, Eisenoxide und Ton im Fokus der Betrachtung, da ihre Gehalte im Boden als Indikatoren für Landoberflächenveränderungen verwendet werden können und ihre Analyse gleichzeitig eine direkte Abschätzung des bodengebundenen Kohlenstoffreservoirs ermöglicht. Das semiaride Albany Thicket in der östlichen Kapprovinz Südafrikas wurde als Arbeitsgebiet ausgewählt. Es steht beispielhaft für einen Naturraum, der sich gegenwärtig durch nicht angepasste Landnutzung verändert und der voraussichtlich auch in Zukunft hochfrequenten, durch den Klimawandel bedingten, Schwankungen unterliegen wird. Die Arbeit ist in drei methodische Schritte untergliedert. Die einzelnen Prozessierungsschritte der entwickelten Methodik sind in Softwaremodulen umgesetzt, in denen die wichtigsten Schritte voll automatisiert sind. Unter Verwendung von im Feld gemessenen Reflektanzspektren und chemisch bestimmten Gehalten der obersten Bodenschicht wird ein Modell zur Bestimmung der drei ausgewählten Bodenparameter erstellt. Der gewählte Ansatz basiert auf der direkten Verwendung bekannter spektraler Merkmale in Verbindung mit multivariaten Verfahren. In nächsten Schritt werden die großflächig aufgenommenen Hyperspektraldaten vorbereitet, die die für semiaride Räume typischen kleinräumigen Landbedeckungsänderungen wiederspiegeln. Auf subpixel-Basis erlaubt eine spektrale Entmischungsanalyse die Zerlegung nicht homogener Bildspektren in ihre spektralen Bestandteile. Dadurch kann für Pixel, die signifikante Anteile an unbedecktem Boden aufweisen, die reine spektrale Signatur des Bodens in Näherung bestimmt werden. Diese Vorgehensweise kennzeichnet einen wesentlichen Gewinn, da er eine Anwendung auf heterogene Naturräume abseits landwirtschaftlicher Flächen erlaubt, die Ausdehnung des Gültigkeitsbereichs, für den Bodeneigenschaften vorhergesagt werden können, deutlich steigert und den Einfluss von Fremdmaterialien wie Vegetation auf eine Bestimmung minimiert. Daran anknüpfend erfolgt die Vorhersage von Bodeninhaltsstoffen. Die räumliche Verteilung von organischem Kohlenstoff, Eisenoxiden und der Tongehalte wie sie sich im Oktober 2009 im südafrikanischen Albany Thicket darstellte, wurde in thematischen Karten erfasst. Sie wurden hinsichtlich ihres Potentials ausgewertet, Bereiche zu erkennen, die in Folge von Landbedeckungsänderungen von Erosion betroffen sind. Die vorliegende Arbeit zeigt einen innovativen Ansatz zur Verwendung Abbildender Spektroskopie zur Kartierung wichtiger Bodeneigenschaften in einem semiariden Naturraum. Die Methodik liefert einen Beitrag zur verbesserten Abschätzung ökosystemrelevanter Bodeneigenschaften sowie eine direkte Abschätzung vorhandener Kohlenstoffspeicher im Boden, Parameter, die zur Erkennung und Überwachung von Landbedeckungsänderungen verwendet werden können.
KW  - Bodenparameter
KW  - Abbildende Spektroskopie
KW  - organischer Kohlenstoff
KW  - Regressionsanalyse
KW  - lineare spektrale Entmischung
KW  - Imaging spectroscopy
KW  - soil constituents mapping
KW  - soil organic carbon
KW  - regression analysis
KW  - spectral unmixing
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64399
ER  - 
TY  - THES
A1  - Waha, Katharina
T1  - Climate change impacts on agricultural vegetation in sub-Saharan Africa
T1  - Auswirkungen von Klimaänderungen auf die landwirtschaftliche Vegetation in Afrika südlich der Sahara
N2  - Agriculture is one of the most important human activities providing food and more agricultural goods for seven billion people around the world and is of special importance in sub-Saharan Africa. The majority of people depends on the agricultural sector for their livelihoods and will suffer from negative climate change impacts on agriculture until the middle and end of the 21st century, even more if weak governments, economic crises or violent conflicts endanger the countries’ food security. The impact of temperature increases and changing precipitation patterns on agricultural vegetation motivated this thesis in the first place. Analyzing the potentials of reducing negative climate change impacts by adapting crop management to changing climate is a second objective of the thesis. As a precondition for simulating climate change impacts on agricultural crops with a global crop model first the timing of sowing in the tropics was improved and validated as this is an important factor determining the length and timing of the crops´ development phases, the occurrence of water stress and final crop yield. Crop yields are projected to decline in most regions which is evident from the results of this thesis, but the uncertainties that exist in climate projections and in the efficiency of adaptation options because of political, economical or institutional obstacles have to be considered. The effect of temperature increases and changing precipitation patterns on crop yields can be analyzed separately and varies in space across the continent. Southern Africa is clearly the region most susceptible to climate change, especially to precipitation changes. The Sahel north of 13° N and parts of Eastern Africa with short growing seasons below 120 days and limited wet season precipitation of less than 500 mm are also vulnerable to precipitation changes while in most other part of East and Central Africa, in contrast, the effect of temperature increase on crops overbalances the precipitation effect and is most pronounced in a band stretching from Angola to Ethiopia in the 2060s. The results of this thesis confirm the findings from previous studies on the magnitude of climate change impact on crops in sub-Saharan Africa but beyond that helps to understand the drivers of these changes and the potential of certain management strategies for adaptation in more detail. Crop yield changes depend on the initial growing conditions, on the magnitude of climate change, and on the crop, cropping system and adaptive capacity of African farmers which is only now evident from this comprehensive study for sub-Saharan Africa. Furthermore this study improves the representation of tropical cropping systems in a global crop model and considers the major food crops cultivated in sub-Saharan Africa and climate change impacts throughout the continent.
N2  - Landwirtschaft ist eine der wichtigsten menschlichen Aktivitäten, sie stellt Nahrungsmittel und andere landwirtschaftliche Produkte für weltweit 7 Milliarden Menschen zur Verfügung und ist in den Ländern Afrikas südlich der Sahara von besonderer Bedeutung. Die Mehrheit der afrikanischen Bevölkerung bestreitet ihren Lebensunterhalt in der Landwirtschaft und wird von Klimaänderungen stark betroffen sein. Die Doktorarbeit ist durch die Frage motiviert, wie sich von Klimamodellen vorhergesagte Temperaturerhöhungen und sich verändernde Niederschlagsverteilungen auf die landwirtschaftliche Vegetation auswirken werden. Die Forschungsfragen in diesem Kontext beschäftigen sich mit regionalen Unterschieden von Klimaänderungen und ihren Auswirkungen auf die Landwirtschaft und mit möglichen Anpassungsstrategien die mit geringem technischem Aufwand genutzt werden können. In diesem Zusammenhang wird schnell deutlich, dass Daten über die komplexen landwirtschaftlichen Systeme in Afrika südlich der Sahara häufig nur selten vorhanden sind, aus fragwürdigen Quellen stammen oder von schlechter Qualität sind. Die Methoden und Modelle zur Untersuchung der Auswirkungen von Klimaänderungen auf die Landwirtschaft werden zudem ausschließlich in Europa oder Nordamerika entwickelt and häufig in den temperierten Breiten aber seltener in tropischen Gebieten angewendet. Vor allem werden globale, dynamische Vegetationsmodelle in Kombination mit Klimamodellen eingesetzt um Änderungen in der landwirtschaftlichen Produktion auf Grund von Klimaänderungen in der zweiten Hälfte des 21.Jahrhunderts abzuschätzen. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen einen mittleren Ertragsrückgang für die wichtigsten landwirtschaftlichen Pflanzen um 6% bis 24% bis 2090 je nach Region, Klimamodell und Anpassungsstrategie. Dieses Ergebnis macht deutlich, dass Landwirte die negativen Folgen von Klimaänderungen abschwächen können, wenn sie die Wahl der Feldfrucht, die Wahl des Anbausystems und den Aussaattermin an geänderte Klimabedingungen anpassen. Die Arbeit stellt methodische Ansätze zur Berechung des Aussaattermins in temperierten und tropischen Gebieten (Kapitel 2) sowie zur Simulation von Mehrfachanbausystemen in den Tropen vor (Kapitel 3). Dabei werden wichtige Parameter für das globale, dynamische Vegetationsmodell LPJmL überprüft und neu berechnet. Es zeigt sich, dass das südliche Afrika und die Sahelregion die am stärksten betroffenen Regionen sind, vor allem aufgrund von Niederschlagsänderungen, weniger aufgrund von Temperaturerhöhungen. In den meisten anderen Teilen, vor allem Zentral- und Ostafrikas bedingen Temperaturerhöhungen Rückgänge der Erträge (Kapitel 4). Diese Arbeit leistet einen wichtigen und umfassenden Beitrag zum Verständnis der Auswirkung von Klimaänderung auf die landwirtschaftliche Vegetation und damit zu einem großen Teil auf die Lebensgrundlage von afrikanischen Landwirten.
KW  - Klimawandel
KW  - Anpassung
KW  - Afrika
KW  - Pflanzenwachstum
KW  - Landwirtschaft
KW  - climate change
KW  - Africa
KW  - crop modeling
KW  - adapation
KW  - agriculture
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64717
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TY  - THES
A1  - Gassner, Alexandra Carina
T1  - The character of the core-mantle boundary : a systematic study using PcP
N2  - Assuming that liquid iron alloy from the outer core interacts with the solid silicate-rich lower mantle the influence on the core-mantle reflected phase PcP is studied. If the core-mantle boundary is not a sharp discontinuity, this becomes apparent in the waveform and amplitude of PcP. Iron-silicate mixing would lead to regions of partial melting with higher density which in turn reduces the velocity of seismic waves. On the basis of the calculation and interpretation of short-period synthetic seismograms, using the reflectivity and Gauss Beam method, a model space is evaluated for these ultra-low velocity zones (ULVZs). The aim of this thesis is to analyse the behaviour of PcP between 10° and 40° source distance for such models using different velocity and density configurations. Furthermore, the resolution limits of seismic data are discussed. The influence of the assumed layer thickness, dominant source frequency and ULVZ topography are analysed. The Gräfenberg and NORSAR arrays are then used to investigate PcP from deep earthquakes and nuclear explosions. The seismic resolution of an ULVZ is limited both for velocity and density contrasts and layer thicknesses. Even a very thin global core-mantle transition zone (CMTZ), rather than a discrete boundary and also with strong impedance contrasts, seems possible: If no precursor is observable but the PcP_model /PcP_smooth amplitude reduction amounts to more than 10%, a very thin ULVZ of 5 km with a first-order discontinuity may exist. Otherwise, if amplitude reductions of less than 10% are obtained, this could indicate either a moderate, thin ULVZ or a gradient mantle-side CMTZ. Synthetic computations reveal notable amplitude variations as function of the distance and the impedance contrasts. Thereby a primary density effect in the very steep-angle range and a pronounced velocity dependency in the wide-angle region can be predicted. In view of the modelled findings, there is evidence for a 10 to 13.5 km thick ULVZ 600 km south-eastern of Moscow with a NW-SE extension of about 450 km. Here a single specific assumption about the velocity and density anomaly is not possible. This is in agreement with the synthetic results in which several models create similar amplitude-waveform characteristics. For example, a ULVZ model with contrasts of -5% VP , -15% VS and +5% density explain the measured PcP amplitudes. Moreover, below SW Finland and NNW of the Caspian Sea a CMB topography can be assumed. The amplitude measurements indicate a wavelength of 200 km and a height of 1 km topography, previously also shown in the study by Kampfmann and Müller (1989). Better constraints might be provided by a joined analysis of seismological data, mineralogical experiments and geodynamic modelling.
N2  - Unter der Annahme, dass flüssiges Eisen aus dem äußeren Erdkern mit dem festen, silikat-reichen Unteren Mantel reagiert, wird eine Einflussnahme auf die Kern-Mantel Reflexionsphase PcP erwartet. Ist die Kern-Mantel Grenze aufgeweicht, und nicht wie bislang angenommen ein diskreter Übergang, so zeichnet sich dies in der Wellenform und Amplitude von PcP ab. Die Interaktion mit Eisen führt zu teilweise aufgeschmolzenen Bereichen höherer Dichte, welche die seismischen Wellengeschwindigkeiten herabsetzen. Basierend auf den Berechnungen von kurzperiodischen synthetischen Seismogrammen, mittels der Reflektivitäts- und Gauss Beam Methode, soll ein möglicher Modellraum dieser Niedriggeschwindigkeitszonen ermittelt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es das Verhalten von PcP im Distanzbereich von 10° bis 40° unter dem Einfluss dieser Modelle mit diversen Geschwindigkeits- und Dichtekontrasten zu untersuchen. Ferner wird das Auflösungsvermögen hinsichtlich seismischer Daten diskutiert. Entscheidende Parameter wie Anomaliedicke, Quellfrequenz und Topographie werden hierbei analysiert. Tiefe Erdbeben und Kernexplosionen, die sich im entsprechenden Entfernungsbereich zum Gräfenberg und NORSAR Array befinden, werden anschließend im Hinblick auf PcP ausgewertet. Das seismische Auflösungsvermögen von Niedriggeschwindigkeitszonen ist stark begrenzt sowohl in Bezug auf Geschwindigkeits- und Dichtekontraste als auch hinsichtlich der Mächtigkeit. Es besteht sogar die Möglichkeit einer dünnen, globalen Kern-Mantel Übergangszone, selbst mit großen Impedanzkontrasten, ohne dass dies mit seismologischen Methoden detektiert werden könnte: Wird kein precursor zu PcP beobachtet aber das PcPmodel /PcPsmooth Amplitudenverhältnis zeigt gleichzeitig eine Reduktion von mehr als 10%, dann könnte eine sehr dünne Niedriggeschwindigkeitszone von ca. 5 km Mächtigkeit und einer Diskontinuität erster Ordnung vorliegen. Andererseits, ist PcP um weniger als 10% reduziert, könnte dies entweder auf eine dünne, moderate Niedriggeschwindigkeitszone oder einen graduellen Kern-Mantel Übergang hindeuten. Die synthetischen Berechnungen ergeben starke Amplitudenvariationen als Funktion der Distanz, welche auf den Impedanzkontrast zurückzuführen sind. Dabei ergibt sich ein primärer Dichteeffekt im extremen Steilwinkelbereich und ein maßgeblicher Geschwindigkeitseinfluss im Weitwinkelbereich. Im Hinblick auf die modellierten Resultate lässt sich eine 10 - 13.5 km mächtige Niedriggeschwindigkeitszone 600 km südöstlich von Moskau mit einer NW-SE Ausdehnung von mindestens 450 km folgern, wobei eine exakte Aussage über Geschwindigkeiten und Dichte nicht möglich ist. Dies ist im Konsens mit den synthetischen Berechnungen, wonach viele unterschiedliche Modelle ähnliche Amplituden- und Wellenformcharakteristiken erzeugen. Zum Beispiel erklärt ein Modell mit Kontrasten von -5% VP , -15% VS and +5% Dichte die gemessenen PcP Amplituden. Darüber hinaus können unterhalb des südwestlichen Finnlands und nord-nordwestlich des Kaspischen Meeres Undulationen an der Kern-Mantel Grenze selbst vermutet werden. Unter Berücksichtigung früherer Studien, z. B. von Kampfmann and Müller (1989), deuten die Messergebnisse auf eine laterale Topographie von 200 km und eine Höhe von 1 km hin. Eine Eingrenzung der potentiellen Anomaliemodelle kann nur durch eine gemeinsame Auswertung mit mineralogischen Experimenten und geodynamischen Modellierungen erfolgen.
KW  - Kern-Mantel Grenze
KW  - Seismologie
KW  - Ultra-Niedriggeschwindigkeitszonen
KW  - Steilwinkel-Analyse von PcP
KW  - Tiefbeben und Kernexplosionen
KW  - core-mantle boundary
KW  - seismology
KW  - ultra-low velocity zones
KW  - steep-angle analysis of PcP
KW  - deep earthquakes and nuclear explosions
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63590
ER  - 
TY  - THES
A1  - König, Hannes Jochen
T1  - Operationalising sustainability impact assessment of land use scenarios in developing countries : a stakeholder-based approach with case studies in China, India, Indonesia, Kenya, and Tunisia
T1  - Nachhaltigkeitsbewertung von Landnutzungsszenarien in Entwicklungsländern : ein Akteurs-basierter Ansatz mit Fallstudien in China, Indien, Indonesien, Kenia und Tunesien
N2  - Growing populations, continued economic development, and limited natural resources are critical factors affecting sustainable development. These factors are particularly pertinent in developing countries in which large parts of the population live at a subsistence level and options for sustainable development are limited. Therefore, addressing sustainable land use strategies in such contexts requires that decision makers have access to evidence-based impact assessment tools that can help in policy design and implementation. Ex-ante impact assessment is an emerging field poised at the science-policy interface and is used to assess the potential impacts of policy while also exploring trade-offs between economic, social and environmental sustainability targets. The objective of this study was to operationalise the impact assessment of land use scenarios in the context of developing countries that are characterised by limited data availability and quality. The Framework for Participatory Impact Assessment (FoPIA) was selected for this study because it allows for the integration of various sustainability dimensions, the handling of complexity, and the incorporation of local stakeholder perceptions. FoPIA, which was originally developed for the European context, was adapted to the conditions of developing countries, and its implementation was demonstrated in five selected case studies. In each case study, different land use options were assessed, including (i) alternative spatial planning policies aimed at the controlled expansion of rural-urban development in the Yogyakarta region (Indonesia), (ii) the expansion of soil and water conservation measures in the Oum Zessar watershed (Tunisia), (iii) the use of land conversion and the afforestation of agricultural areas to reduce soil erosion in Guyuan district (China), (iv) agricultural intensification and the potential for organic agriculture in Bijapur district (India), and (v) land division and privatisation in Narok district (Kenya). The FoPIA method was effectively adapted by dividing the assessment into three conceptual steps: (i) scenario development; (ii) specification of the sustainability context; and (iii) scenario impact assessment. A new methodological approach was developed for communicating alternative land use scenarios to local stakeholders and experts and for identifying recommendations for future land use strategies. Stakeholder and expert knowledge was used as the main sources of information for the impact assessment and was complemented by available quantitative data. Based on the findings from the five case studies, FoPIA was found to be suitable for implementing the impact assessment at case study level while ensuring a high level of transparency. FoPIA supports the identification of causal relationships underlying regional land use problems, facilitates communication among stakeholders and illustrates the effects of alternative decision options with respect to all three dimensions of sustainable development. Overall, FoPIA is an appropriate tool for performing preliminary assessments but cannot replace a comprehensive quantitative impact assessment, and FoPIA should, whenever possible, be accompanied by evidence from monitoring data or analytical tools. When using FoPIA for a policy oriented impact assessment, it is recommended that the process should follow an integrated, complementary approach that combines quantitative models, scenario techniques, and participatory methods.
N2  - Bevölkerungswachstum und wirtschaftliche Entwicklung in Kombination mit begrenzt verfügbaren, natürlichen Ressourcen sind kritische Faktoren für eine nachhaltige Entwicklung. Diese Situation ist besonders in Entwicklungsländern anzutreffen, in denen große Teile der Bevölkerung am Existenzminimum leben und es oft wenig Spielraum für eine nachhaltige Entwicklung gibt. Entscheidungsträger fragen daher verstärkt wissenschafts-basierte Instrumente zur Vorab- (ex-ante) Folgenabschätzung (Impact assessment) für die Konzeption und Umsetzung nachhaltiger Strategien nach. So genannte ex-ante Methoden zielen hierbei auf die Beurteilung der zukünftigen Folgen von Szenarien (z.B. alternative Politikmaßnahmen) und Konflikte zwischen ökonomischen, sozialen und ökologischen Nachhaltigkeitszielen ab. Ziel dieser Arbeit war es, die Folgenabschätzungen von Landnutzungsszenarien auf die nachhaltige Entwicklung in Entwicklungsländern zu ermöglichen. Eine besondere Schwierigkeit stellt dabei die oft mangelhafte Verfügbarkeit von Daten dar, die quantitative Analysen bzw. den Einsatz von computergestützten Modellen meist nur sehr begrenzt möglich macht. Um mit diesen Schwierigkeiten umzugehen, wurde die ursprünglich für die Europäische Union entwickelte ‚Framework for Participatory Impact Assessment‘ (FoPIA)-Methode an die Bedingungen in Entwicklungsländern angepasst und in fünf regionalen Fallstudien angewendet. Die analysierten Landnutzungsszenarien umfassten dabei (i) alternative Raumplanungsmaßnahmen zur kontrollierten Stadt-Land-Entwicklung in Yogyakarta, Indonesien; (ii) die Umsetzung von boden- und wasserkonservierenden Maßnahmen zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktion im Oum Zessar Wassereinzugsgebiet, Tunesien; (iii) Landumwandlung und Aufforstungsmaßnahmen zur Eindämmung von Bodenerosion in Guyuan, China; (iv) landwirtschaftliche Intensivierung und Potenziale des ökologischen Landbaus in Bijapur, Indien; sowie (v) Landteilung und -privatisierung in Narok, Kenia. Die angepasste FoPIA Methode wurde in drei konzeptionelle Schritte unterteilt: (i) die Szenarienentwicklung, (ii) die Spezifikation des Nachhaltigkeitskontexts, und (iii) die Szenariofolgenabschätzung. Ein neuer methodischer Ansatz lag in der Entwicklung alternativer Landnutzungsszenarien mit regionalen Akteuren und auf der Ableitung von Handlungsempfehlungen für zukünftige Landnutzungsstrategien. Für die Szenario-folgenabschätzung wurde primär das Wissen regionaler Experten und Akteure genutzt und durch quantitative Daten, sofern verfügbar, ergänzt. Auf der Grundlage der in den fünf Regionen gewonnenen Erkenntnisse lässt sich schlussfolgern, dass die angepasste FoPIA Methode dazu geeignet ist, eine Szenariofolgenabschätzung zu strukturieren und ein hohes Maß an Transparenz zu gewährleisten. Sie ermöglicht kausale Zusammenhänge von Landnutzungsproblemen zu diagnostizieren, die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Akteuren und Experten zu verbessern sowie mögliche Konflikte zwischen ökonomischen, sozialen und ökologischen Nachhaltigkeitszielen zu erkennen und darzustellen. Insgesamt sollte die FoPIA Methode jedoch nicht als isolierte Methode zur Folgenabschätzung verstanden werden, sondern, sofern die Datenverfügbarkeit dies zulässt, durch weiterführende Analysen ergänzt werden. Für die Anwendung der FoPIA Methode im Rahmen der Politikfolgenabschätzung wird ein integrierter, komplementärer Ansatz empfohlen, der quantitative Modelle, Szenariotechniken und partizipative Methoden kombiniert.
KW  - Landnutzung
KW  - nachhaltige Entwicklung
KW  - Folgenabschätzung
KW  - Entwicklungsländer
KW  - land use
KW  - sustainable development
KW  - impact assessment
KW  - developing countries
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63672
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wang, Yongbo
T1  - Late glacial to Holocene climate and vegetation changes on the Tibetan Plateau inferred from fossil pollen records in lacustrine sediments
T1  - Pollenanalytische Ableitung der spätglazialen und holozänen Klima- und Vegetationsveränderungen auf dem tibetischen Hochland anhand von Seesedimenten
N2  - The past climate in central Asia, and especially on the Tibetan Plateau (TP), is of great importance for an understanding of global climate processes and for predicting the future climate. As a major influence on the climate in this region, the Asian Summer Monsoon (ASM) and its evolutionary history are of vital importance for accurate predictions. However, neither the evolutionary pattern of the summer monsoon nor the driving mechanisms behind it are yet clearly understood. For this research, I first synthesized previously published Late Glacial to Holocene climatic records from monsoonal central Asia in order to extract the general climate signals and the associated summer monsoon intensities. New climate and vegetation sequences were then established using improved quantitative methods, focusing on fossil pollen records recovered from Tibetan lakes and also incorporating new modern datasets. The pollen-vegetation and vegetation-climate relationships on the TP were also evaluated in order to achieve a better understanding of fossil pollen records. The synthesis of previously published moisture-related palaeoclimate records in monsoonal central Asia revealed generally different temporal patterns for the two monsoonal subsystems, i.e. the Indian Summer Monsoon (ISM) and East Asian Summer Monsoon (EASM). The ISM appears to have experienced maximum wet conditions during the early Holocene, while many records from the area affected by the EASM indicate relatively dry conditions at that time, particularly in north-central China where the maximum moisture levels occurred during the middle Holocene. A detailed consideration of possible driving factors affecting the summer monsoon, including summer solar insolation and sea surface temperatures, revealed that the ISM was primarily driven by variations in northern hemisphere solar insolation, and that the EASM may have been constrained by the ISM resulting in asynchronous patterns of evolution for these two subsystems. This hypothesis is further supported by modern monsoon indices estimated using the NCEP/NCAR Reanalysis data from the last 50 years, which indicate a significant negative correlation between the two summer monsoon subsystems. By analogy with the early Holocene, intensification of the ISM during coming decades could lead to increased aridification elsewhere as a result of the asynchronous nature of the monsoon subsystems, as can already be observed in the meteorological data from the last 15 years. A quantitative climate reconstruction using fossil pollen records was achieved through analysis of sediment core recovered from Lake Donggi Cona (in the north-eastern part of the TP) which has been dated back to the Last Glacial Maximum (LGM). A new data-set of modern pollen collected from large lakes in arid to semi-arid regions of central Asia is also presented herein. The concept of "pollen source area" was introduced to modern climate calibration based on pollen from large lakes, and was applied to the fossil pollen sequence from Lake Donggi Cona. Extremely dry conditions were found to have dominated the LGM, and a subsequent gradually increasing trend in moisture during the Late Glacial period was terminated by an abrupt reversion to a dry phase that lasted for about 1000 years and coincided with the first Heinrich Event of the northern Atlantic region. Subsequent periods corresponding to the warm Bølling-Allerød period and the Younger Dryas cold event were followed by moist conditions during the early Holocene, with annual precipitation of up to about 400 mm. A slightly drier trend after 9 cal ka BP was then followed by a second wet phase during the middle Holocene that lasted until 4.5 cal ka BP. Relatively steady conditions with only slight fluctuations then dominated the late Holocene, resulting in the present climatic conditions. In order to investigate the relationship between vegetation and climate, temporal variations in the possible driving factors for vegetation change on the northern TP were examined using a high resolution late Holocene pollen record from Lake Kusai. Moving-window Redundancy Analyses (RDAs) were used to evaluate the correlations between pollen assemblages and individual sedimentary proxies. These analyses have revealed frequent fluctuations in the relative abundances of alpine steppe and alpine desert components, and in particular a decrease in the total vegetation cover at around 1500 cal a BP. The climate was found to have had an important influence on vegetation changes when conditions were relatively wet and stable. However, after the 1500 cal a BP threshold in vegetation cover was crossed the vegetation appears to have been affected more by extreme events such as dust storms or fluvial erosion than by the general climatic trends. In addition, pollen spectra over the last 600 years have been revealed by Procrustes analysis to be significantly different from those recovered from older samples, which is attributed to an increased human impact that resulted in unprecedented changes to the composition of the vegetation. Theoretical models that have been developed and widely applied to the European area (i.e. the Extended R-Value (ERV) model and the Regional Estimates of Vegetation Abundance from Large Sites (REVEALS) model) have been applied to the high alpine TP ecosystems in order to investigate the pollen-vegetation relationships, as well as for quantitative reconstructions of vegetation abundance. The modern pollen–vegetation relationships for four common pollen species on the TP have been investigated using Poaceae as the reference taxa. The ERV Submodel 2 yielded relatively high PPEs for the steppe and desert taxa (Artemisia Chenopodiaceae), and low PPEs for the Cyperaceae that are characteristic of the alpine Kobresia meadows. The plant abundances on the central and north-eastern TP were quantified by applying these PPEs to four post-Late Glacial fossil pollen sequences. The reconstructed vegetation assemblages for the four pollen sequences always yielded smaller compositional species turnovers than suggested by the pollen spectra, indicating that the strength of the previously-reported vegetation changes may therefore have been overestimated. In summary, the key findings of this thesis are that (a) the two ASM subsystems show asynchronous patterns during both the Holocene and modern time periods, (b) fossil pollen records from large lakes reflect regional signals for which the pollen source areas need to be taken into account, (c) climate is not always the main driver for vegetation change, and (d) previously reported vegetation changes on the TP may have been overestimated because they ignored inter-species variations in pollen productivity.
N2  - Das Paläoklima in Zentralasien, besonders in der Hochebene von Tibet (HT), ist von großer Bedeutung um globale Klimaprozesse zu verstehen und mögliche Voraussagung für die zukunft zu treffen. Als wichtigstes Klimaphänomen nehmen der asiatische Sommermonsun (ASM) und seine Entwicklungsgeschichte eine Schlüsselposition ein. Dennoch sind derzeit weder das Entwicklungsschema noch der antreibende Vorgang ausreichend verstanden. Dies gilt insbesondere für das Holozän, für welches große Kimaschwankungen und regionale Diskrepanzen weithin belegt sind. Deshalb habe ich zuerst holozäne Klimadaten zusammengefasst. Bereits veröffentlichte Publikationen aus den Monsungebieten Zentralasiens dienten als Grundlage, um die wichtigsten Klimasignale und die zugehörigen Intensitäten des Sommermonsuns heraus zu arbeiten. Anhand von Pollensequenzen aus tibetischen Seen erzeugte ich neue Klima- und Vegetationssequenzen, welche auf verbesserten quantitativen Methoden und rezenten Datensätzen beruhen. Außerdem wurden die Verhältnisse Pollen-Vegetation und Vegetation-Klima bewertet, um Schlussfolgerungen fossiler Pollensequenzen zu verbessern. Die Zusammenfassung der zuvor veröffentlichten, niederschlagsbezogenen Paläoklimadaten im Monsungebiet Zentralasiens ergab generell unterschiedliche Muster für die zwei Teilsysteme des ASMs, den Indischen Sommermonsun (ISM) und den Ostasiatischen Sommermonsun (OASM). Der ISM weist maximale feuchte Bedingungen während des frühen Holozöns auf, während viele Datensätze aus dem Gebiet des OASMs einen relativ trockenen Zustand anzeigen, besonders im nördlichen Zentralchina, wo maximale Niederschläge während des mittleren Holozäns registriert wurden. Genaue Betrachtungen der Antriebsfaktoren des Sommermonsuns ergaben, dass der ISM hauptsächlich durch Veränderungen der Sonneneinstrahlung auf der Nordhemisphäre angetrieben wird, während der OASM potentiell durch den ISM beherrscht wird - dies führt zu asynchronen Entwicklungen. Diese Hypothese wird durch rezente Monsunindizes gestützt. Sie weisen eine signifikant negative Korrelation zwischen den beiden Sommermonsun-Teilsystemen auf. Für die quantitative Klimarekonstruktion von Pollensequenzen wurde ein Sedimentkern aus dem See Donggi Cona im Nordosten der HT analysiert, der bis zum letzten glazialen Maximum (LGM) zurückdatiert wurde. Aufgrund der Tatsache, dass Donggi Cona ein relativ großer See ist, wird hiermit ein neuer Pollen-Klima-Kalibrierungsdatensatz auf Grundlage großer Seen in ariden und semiariden Regionen Zentralasiens vorgelegt. Das Konzept des Pollenherkunftsgebietes wurde in diese rezente, pollenbasierte Klimakalibrierung eingebracht und auf die Pollensequenz von Donggi Cona angewendet. Die Auswertung ergab, dass extrem trockene Bedingungen während des LGM (ca. 100 mm/yr) vorherrschten. Ein ansteigender Trend von Niederschlägen während des späten Glazials wurde durch einen abrupten Rückgang zu einer etwa 1000-jährigen Trockenphase beendet, welche mit Heinrich-Ereignis 1 in der Nordatlantik-Region übereinstimmt. Danach entsprechen die Klimaperioden dem warmen Bølling/Allerød und dem Kälteereignis der Jüngeren Dryas. Anschließend herrschten feuchte Bedingungen im frühen Holozän (bis zu 400 mm/yr). Ein etwas trockenerer Trend nach dem Holozänen Klimaoptimum wurde dann von einer zweiten Feuchtphase abgelöst, welche bis 4,5 cal. ka vor heute andauerte. Relativ gleichmäßige Bedingungen dominierten das späte Holozän bis heute. Die Klimadynamik seit dem LGM wurde vor allem durch Entgletscherung und Intensitätsschwankungen des ASM bestimmt. Bei der Betrachtung des Vegetation-Klima-Verhältnisses habe ich die zeitlichen Variationen der bestimmenden Faktoren hinsichtlich der Vegetationsdynamik auf der nördlichen HT untersucht. Dabei wurden hochauflösende holozäne Pollendaten des Kusai-Sees verwendet. Eine Redundanzanalyse (RDA) wurde angewendet um die Korrelation zwischen Pollenvergesellschaftungen und individuellen sedimentären Klimaanzeigern als auch die damit verbundene Signifikanz zu bewerten. Es stellte sich heraus, dass das Klima einen wichtigen Einfluss auf den Veränderungen in der Vegetation besaß, wenn die Bedingungen relativ warm und feucht waren. Trotzdem scheint es, dass, dass die Vegetation bei zu geringer Bedeckung stärker durch Extremereignisse wie Staubstürme oder fluviale Erosion beeinflusst wurde. Pollenspektren der vergangen 600 Jahre erwiesen sich als signifikant unterschiedlich verglichen mit den älterer Proben, was auf verstärkten anthropogenen Einfluss hindeutet. Dieser resultierte in einem beispiellosen Wandel in der Zusammensetzung der Vegetation. In Hinsicht auf das Pollen-Vegetation-Verhältnis und der quantitativen Rekonstruktion der Vegetationshäufigkeit habe ich theoretische Modelle, welche für europäische Regionen entwickelt und weithin angewendet wurden, respektive die Modelle "Extended R-Value" (ERV) sowie "Regional Estimates of Vegetation Abundance from Large Sites" (REVEALS), auf die hochalpinen Ökosysteme der HT überführt. Dafür wurden rezente Pollen-Vegetations-Verhältnisse von vier weit verbreiteten Pollen-Arten der HT überprüft. Poaceae wurden als Referenztaxa verwendet. Bei der Anwendung dieser Verhältnisse auf vier Pollensequenzen, welche die Paläoumweltbedingungen seit dem letzten Glazial widerspiegeln, wurden die Häufigkeiten von Pflanzen auf der zentralen und nordöstlichen HT quantifiziert. Anteile von Artimisia und Chenopodiaceae waren dabei im Vergleich zu ihren ursprünglichen Pollenprozenten deutlich verringert. Cyperaceae hingegen wies eine relative Zunahme in dieser Vegetationsrekonstruktion auf. Die rekonstruierten Vegetationsvergesellschaftungen an den Standorten der vier Pollensequenzen ergaben stets geringere Umwälzungen in der Artenzusammensetzung, als durch die Pollenspektren zu vermuten gewesen wäre. Dies kann ein Hinweis darauf sein, dass die Intensität der bislang angenommenen Vegetationsveränderungen überschätzt worden ist. Zusammengefasst sind die Hauptresultate dieser Dissertation, dass (a) die zwei ASM Teilsysteme asynchrone Muster während des Holozäns und heute aufweisen, dass (b) fossile Pollensequenzen großer Seen regionale Klimasignale widerspiegeln sofern die Herkunftsgebiete der Pollen berücksichtigt werden, dass (c) Klima nicht immer der Haupteinflussfaktor für Vegetationswandel ist und dass (d) das Ausmaß von Vegetationsveränderungen in zuvor veröffentlichten Studien auf der Hochebene von Tibet überschätzt worden sein kann, weil Diskrepanzen der Pollenproduktivität zwischen den Arten nicht einbezogen wurden.
KW  - Asiatischer Sommermonsun
KW  - ASM
KW  - Holozän
KW  - Seesedimente
KW  - Pollen
KW  - Hochland von Tibet
KW  - Asian Summer Monsoon
KW  - Holocene
KW  - Lake sediments
KW  - Pollen
KW  - Tibetan Plateau
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63155
ER  - 
TY  - THES
A1  - Chen, Xiaoming
T1  - Two-dimensional constrained anisotropic inversion of magnetotelluric data
T1  - Zweidimensionale constrained anisotrope Inversion von magnetotellurischen Daten
N2  - Tectonic and geological processes on Earth often result in structural anisotropy of the subsurface, which can be imaged by various geophysical methods. In order to achieve appropriate and realistic Earth models for interpretation, inversion algorithms have to allow for an anisotropic subsurface. Within the framework of this thesis, I analyzed a magnetotelluric (MT) data set taken from the Cape Fold Belt in South Africa. This data set exhibited strong indications for crustal anisotropy, e.g. MT phases out of the expected quadrant, which are beyond of fitting and interpreting with standard isotropic inversion algorithms. To overcome this obstacle, I have developed a two-dimensional inversion method for reconstructing anisotropic electrical conductivity distributions. The MT inverse problem represents in general a non-linear and ill-posed minimization problem with many degrees of freedom: In isotropic case, we have to assign an electrical conductivity value to each cell of a large grid to assimilate the Earth's subsurface, e.g. a grid with 100 x 50 cells results in 5000 unknown model parameters in an isotropic case; in contrast, we have the sixfold in an anisotropic scenario where the single value of electrical conductivity becomes a symmetric, real-valued tensor while the number of the data remains unchanged. In order to successfully invert for anisotropic conductivities and to overcome the non-uniqueness of the solution of the inverse problem it is necessary to use appropriate constraints on the class of allowed models. This becomes even more important as MT data is not equally sensitive to all anisotropic parameters. In this thesis, I have developed an algorithm through which the solution of the anisotropic inversion problem is calculated by minimization of a global penalty functional consisting of three entries: the data misfit, the model roughness constraint and the anisotropy constraint. For comparison, in an isotropic approach only the first two entries are minimized. The newly defined anisotropy term is measured by the sum of the square difference of the principal conductivity values of the model. The basic idea of this constraint is straightforward. If an isotropic model is already adequate to explain the data, there is no need to introduce electrical anisotropy at all. In order to ensure successful inversion, appropriate trade-off parameters, also known as regularization parameters, have to be chosen for the different model constraints. Synthetic tests show that using fixed trade-off parameters usually causes the inversion to end up by either a smooth model with large RMS error or a rough model with small RMS error. Using of a relaxation approach on the regularization parameters after each successful inversion iteration will result in smoother inversion model and a better convergence. This approach seems to be a sophisticated way for the selection of trade-off parameters. In general, the proposed inversion method is adequate for resolving the principal conductivities defined in horizontal plane. Once none of the principal directions of the anisotropic structure is coincided with the predefined strike direction, only the corresponding effective conductivities, which is the projection of the principal conductivities onto the model coordinate axes direction, can be resolved and the information about the rotation angles is lost. In the end the MT data from the Cape Fold Belt in South Africa has been analyzed. The MT data exhibits an area (> 10 km) where MT phases over 90 degrees occur. This part of data cannot be modeled by standard isotropic modeling procedures and hence can not be properly interpreted. The proposed inversion method, however, could not reproduce the anomalous large phases as desired because of losing the information about rotation angles. MT phases outside the first quadrant are usually obtained by different anisotropic anomalies with oblique anisotropy strike. In order to achieve this challenge, the algorithm needs further developments. However, forward modeling studies with the MT data have shown that surface highly conductive heterogeneity in combination with a mid-crustal electrically anisotropic zone are required to fit the data. According to known geological and tectonic information the mid-crustal zone is interpreted as a deep aquifer related to the fractured Table Mountain Group rocks in the Cape Fold Belt.
N2  - Tektonische und geologische Prozesse verursachen häufig eine strukturelle Anisotropie des Untergrundes, welche von verschiedenen geophysikalischen Methoden beobachtet werden kann. Zur Erstellung und Interpretation geeigneter, realistischer Modelle der Erde sind Inversionsalgorithmen notwendig, die einen anisotropen Untergrund einbeziehen können. Für die vorliegende Arbeit habe ich einen magnetotellurischen (MT) Datensatz vom Cape Fold Gürtel in Südafrika untersucht. Diese Daten weisen auf eine ausgeprägte Anisotropie der Kruste hin, da z.B. die MT Phasen außerhalb des erwarteten Quadranten liegen und nicht durch standardisierte isotrope Inversionsalgorithmen angepasst und ausgewertet werden können. Um dieses Problem zu beheben, habe ich eine zweidimensionale Inversionsmethode entwickelt, welche eine anisotrope elektrische Leitfähigkeitsverteilungen in den Modellen zulässt. Die MT Inversion ist im allgemeinen ein nichtlineares, schlecht gestelltes Minimierungsproblem mit einer hohen Anzahl an Freiheitsgraden. Im isotropen Fall wird jeder Gitterzelle eines Modells ein elektrischer Leitfähigkeitswert zugewiesen um den Erduntergrund nachzubilden. Ein Modell mit beispielsweise 100 x 50 Zellen besitzt 5000 unbekannte Modellparameter. Im Gegensatz dazu haben wir im anisotropen Fall die sechsfache Anzahl, da hier aus dem einfachen Zahlenwert der elektrischen Leitfähigkeit ein symmetrischer, reellwertiger Tensor wird, wobei die Anzahl der Daten gleich bleibt. Für die erfolgreiche Inversion von anisotropen Leitfähigkeiten und um die Nicht-Eindeutigkeit der Lösung des inversen Problems zu überwinden, ist eine geeignete Einschränkung der möglichen Modelle absolut notwendig. Dies wird umso wichtiger, da die Sensitivität von MT Daten nicht für alle Anisotropieparameter gleich ist. In der vorliegenden Arbeit habe ich einen Algorithmus entwickelt, welcher die Lösung des anisotropen Inversionsproblems unter Minimierung einer globalen Straffunktion berechnet. Diese besteht aus drei Teilen: der Datenanpassung, den Zusatzbedingungen an die Glätte des Modells und die Anisotropie. Im Gegensatz dazu werden beim isotropen Fall nur die ersten zwei Parameter minimiert. Der neu definierte Anisotropieterm wird mit Hilfe der Summe der quadratischen Abweichung der Hauptleitfähigkeitswerte des Modells gemessen. Die grundlegende Idee dieser Zusatzbedingung ist einfach. Falls ein isotropes Modell die Daten ausreichend gut anpassen kann, wird keine elektrische Anisotropie zusätzlich in das Modell eingefügt. Um eine erfolgreiche Inversion zu garantieren müssen geeignete Regularisierungsparameter für die verschiedenen Nebenbedingungen an das Modell gewählt werden. Tests mit synthetischen Modellen zeigen, dass bei festgesetzten Regularisierungsparametern die Inversion meistens entweder in einem glatten Modell mit hohem RMS Fehler oder einem groben Modell mit kleinem RMS Fehler endet. Die Anwendung einer Relaxationsbedingung auf die Regularisierung nach jedem Iterationsschritt resultiert in glatteren Inversionsmodellen und einer höheren Konvergenz und scheint ein ausgereifter Weg zur Wahl der Parameter zu sein. Die vorgestellte Inversionsmethode ist im allgemeinen in der Lage die Hauptleitfähigkeiten in der horizontalen Ebene zu finden. Wenn keine der Hauptrichtungen der Anisotropiestruktur mit der vorgegebenen Streichrichtung übereinstimmt, können nur die dazugehörigen effektiven Leitfähigkeiten, welche die Projektion der Hauptleitfähigkeiten auf die Koordinatenachsen des Modells darstellen, aufgelöst werden. Allerdings gehen die Informationen über die Rotationswinkel verloren. Am Ende meiner Arbeit werden die MT Daten des Cape Fold Gürtels in Südafrika analysiert. Die MT Daten zeigen in einem Abschnitt des Messprofils (> 10 km) Phasen über 90 Grad. Dieser Teil der Daten kann nicht mit herkömmlichen isotropen Modellierungsverfahren angepasst und daher mit diesen auch nicht vollständig ausgewertet werden. Die vorgestellte Inversionsmethode konnte die außergewöhnlich hohen Phasenwerte nicht wie gewünscht im Inversionsergebnis erreichen, was mit dem erwähnten Informationsverlust der Rotationswinkel begründet werden kann. MT Phasen außerhalb des ersten Quadranten können für gewöhnlich bei Anomalien mit geneigter Streichrichtung der Anisotropie gemessen werden. Um diese auch in den Inversionsergebnissen zu erreichen ist eine Weiterentwicklung des Algorithmus notwendig. Vorwärtsmodellierungen des MT Datensatzes haben allerdings gezeigt, dass eine hohe Leitfähigkeitsheterogenität an der Oberfläche in Kombination mit einer Zone elektrischer Anisotropie in der mittleren Kruste notwendig sind um die Daten anzupassen. Aufgrund geologischer und tektonischer Informationen kann diese Zone in der mittleren Kruste als tiefer Aquifer interpretiert werden, der im Zusammenhang mit den zerrütteten Gesteinen der Table Mountain Group des Cape Fold Gürtels steht.
KW  - Magnetotellurik
KW  - Anisotrope Inversion
KW  - Regularisierung
KW  - Anisotropie der Leitfähigkeit
KW  - magnetotelluric
KW  - anisotropic inversion
KW  - regularization
KW  - conductivity anisotropy
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63163
ER  - 
TY  - THES
A1  - Morgenstern, Anne
T1  - Thermokarst and thermal erosion : degradation of Siberian ice-rich permafrost
T1  - Thermokarst und Thermoerosion : Degradation von sibirischem eisreichem Permafrost
N2  - Current climate warming is affecting arctic regions at a faster rate than the rest of the world. This has profound effects on permafrost that underlies most of the arctic land area. Permafrost thawing can lead to the liberation of considerable amounts of greenhouse gases as well as to significant changes in the geomorphology, hydrology, and ecology of the corresponding landscapes, which may in turn act as a positive feedback to the climate system. Vast areas of the east Siberian lowlands, which are underlain by permafrost of the Yedoma-type Ice Complex, are particularly sensitive to climate warming because of the high ice content of these permafrost deposits. Thermokarst and thermal erosion are two major types of permafrost degradation in periglacial landscapes. The associated landforms are prominent indicators of climate-induced environmental variations on the regional scale. Thermokarst lakes and basins (alasses) as well as thermo-erosional valleys are widely distributed in the coastal lowlands adjacent to the Laptev Sea. This thesis investigates the spatial distribution and morphometric properties of these degradational features to reconstruct their evolutionary conditions during the Holocene and to deduce information on the potential impact of future permafrost degradation under the projected climate warming. The methodological approach is a combination of remote sensing, geoinformation, and field investigations, which integrates analyses on local to regional spatial scales. Thermokarst and thermal erosion have affected the study region to a great extent. In the Ice Complex area of the Lena River Delta, thermokarst basins cover a much larger area than do present thermokarst lakes on Yedoma uplands (20.0 and 2.2 %, respectively), which indicates that the conditions for large-area thermokarst development were more suitable in the past. This is supported by the reconstruction of the development of an individual alas in the Lena River Delta, which reveals a prolonged phase of high thermokarst activity since the Pleistocene/Holocene transition that created a large and deep basin. After the drainage of the primary thermokarst lake during the mid-Holocene, permafrost aggradation and degradation have occurred in parallel and in shorter alternating stages within the alas, resulting in a complex thermokarst landscape. Though more dynamic than during the first phase, late Holocene thermokarst activity in the alas was not capable of degrading large portions of Pleistocene Ice Complex deposits and substantially altering the Yedoma relief. Further thermokarst development in existing alasses is restricted to thin layers of Holocene ice-rich alas sediments, because the Ice Complex deposits underneath the large primary thermokarst lakes have thawed completely and the underlying deposits are ice-poor fluvial sands. Thermokarst processes on undisturbed Yedoma uplands have the highest impact on the alteration of Ice Complex deposits, but will be limited to smaller areal extents in the future because of the reduced availability of large undisturbed upland surfaces with poor drainage. On Kurungnakh Island in the central Lena River Delta, the area of Yedoma uplands available for future thermokarst development amounts to only 33.7 %. The increasing proximity of newly developing thermokarst lakes on Yedoma uplands to existing degradational features and other topographic lows decreases the possibility for thermokarst lakes to reach large sizes before drainage occurs. Drainage of thermokarst lakes due to thermal erosion is common in the study region, but thermo-erosional valleys also provide water to thermokarst lakes and alasses. Besides these direct hydrological interactions between thermokarst and thermal erosion on the local scale, an interdependence between both processes exists on the regional scale. A regional analysis of extensive networks of thermo-erosional valleys in three lowland regions of the Laptev Sea with a total study area of 5,800 km² found that these features are more common in areas with higher slopes and relief gradients, whereas thermokarst development is more pronounced in flat lowlands with lower relief gradients. The combined results of this thesis highlight the need for comprehensive analyses of both, thermokarst and thermal erosion, in order to assess past and future impacts and feedbacks of the degradation of ice-rich permafrost on hydrology and climate of a certain region.
N2  - Die gegenwärtige Klimaerwärmung wirkt sich auf arktische Regionen stärker aus als auf andere Gebiete der Erde. Das hat weitreichende Konsequenzen für Permafrost, der weite Teile der terrestrischen Arktis unterlagert. Das Tauen von Permafrost kann zur Freisetzung erheblicher Mengen an Treibhausgasen sowie zu gravierenden Änderungen in der Geomorphologie, Hydrologie und Ökologie betroffener Landschaften führen, was wiederum als positive Rückkopplung auf das Klimasystem wirken kann. Ausgedehnte Gebiete der ostsibirischen Tiefländer, die mit Permafrost des Yedoma Eiskomplex unterlagert sind, gelten aufgrund des hohen Eisgehalts dieser Permafrostablagerungen als besonders empfindlich gegenüber Klimaerwärmungen. Thermokarst und Thermoerosion sind zwei Hauptformen der Permafrostdegradation in periglazialen Landschaften. Die zugehörigen Landschaftsformen sind auf der regionalen Skala bedeutende Indikatoren klimainduzierter Umweltvariationen. Thermokarstseen und senken (Alasse) sowie Thermoerosionstäler sind in den Küstentiefländern der Laptewsee weit verbreitet. Die vorliegende Dissertation untersucht die räumliche Verbreitung und die morphometrischen Eigenschaften dieser Degradationsformen mit dem Ziel, ihre Entwicklungsbedingungen während des Holozäns zu rekonstruieren und Hinweise auf potenzielle Auswirkungen zukünftiger Permafrostdegradation im Zuge der erwarteten Klimaerwärmung abzuleiten. Der methodische Ansatz ist eine Kombination aus Fernerkundungs-, Geoinformations- und Geländeuntersuchungen, die Analysen auf lokalen bis regionalen räumlichen Skalen integriert. Thermokarst und Thermoerosion haben die Untersuchungsregion tiefgreifend geprägt. Im Eiskomplexgebiet des Lena-Deltas nehmen Thermokarstsenken eine weitaus größere Fläche ein als Thermokarstseen auf Yedoma-Hochflächen (20,0 bzw. 2,2 %), was darauf hin deutet, dass die Bedingungen für die Entwicklung von großflächigem Thermokarst in der Vergangenheit wesentlich günstiger waren als heute. Die Rekonstruktion der Entwicklung eines einzelnen Alas im Lena-Delta belegt eine andauernde Phase hoher Thermokarstaktivität seit dem Übergang vom Pleistozän zum Holozän, die zur Entstehung einer großen und tiefen Senke führte. Nach der Drainage des primären Thermokarstsees im mittleren Holozän erfolgten Permafrostaggradation und degradation parallel und in kürzeren abwechselnden Etappen innerhalb des Alas und führten zu einer komplexen Thermokarstlandschaft. Trotzdem die spätholozäne Thermokarstentwicklung im Alas dynamischer ablief als die erste Entwicklungsphase, resultierte sie nicht in der Degradation großer Teile pleistozäner Eiskomplexablagerungen und einer wesentlichen Veränderung des Yedoma-Reliefs. Weitere Thermokarstentwicklung in bestehenden Alassen ist begrenzt auf geringmächtige Lagen holozäner eisreicher Alas-Sedimente, da die Eiskomplexablagerungen unter den großen primären Thermokarstseen vollständig getaut waren und die unterlagernden Sedimente aus eisarmen, fluvialen Sanden bestehen. Thermokarstprozesse auf ungestörten Yedoma-Hochflächen wirken am stärksten verändernd auf Eiskomplexablagerungen, werden aber in Zukunft auf geringere Ausmaße begrenzt sein, da die Verfügbarkeit großer ungestörter, schwach drainierter Yedoma-Hochflächen abnimmt. Auf der Insel Kurungnakh im zentralen Lena-Delta beträgt der für zukünftige Thermokarstentwicklung verfügbare Anteil an Yedoma-Hochflächen nur 33,7 %. Die zunehmende Nähe von sich entwickelnden Thermokarstseen auf Yedoma-Hochflächen zu bestehenden Degradationsstrukturen und anderen negativen Reliefformen verringert die Möglichkeit der Thermokarstseen, große Ausmaße zu erreichen bevor sie drainieren. Die Drainage von Thermokarstseen durch Thermoerosion ist in der Untersuchungsregion weit verbreitet, aber Thermoerosionstäler versorgen Thermokarstseen und –senken auch mit Wasser. Neben diesen direkten hydrologischen Wechselwirkungen zwischen Thermokarst und Thermoerosion auf der lokalen Ebene existiert auch eine Interdependenz zwischen beiden Prozessen auf der regionalen Ebene. Eine regionale Analyse weitreichender Netze von Thermoerosionstälern in drei Tieflandgebieten der Laptewsee mit einer Fläche von insgesamt 5800 km² zeigte, dass diese Formen häufiger in Gebieten mit höheren Geländeneigungen und Reliefgradienten auftreten, während Thermokarstentwicklung stärker in flachen Tiefländern mit geringeren Reliefgradienten ausgeprägt ist. Die kombinierten Ergebnisse dieser Dissertation zeigen die Notwendigkeit von umfassenden Analysen beider Prozesse und Landschaftsformen, Thermokarst und Thermoerosion, im Hinblick auf die Abschätzung vergangener und zukünftiger Auswirkungen der Degradation eisreichen Permafrosts auf Hydrologie und Klima der betrachteten Region und deren Rückkopplungen.
KW  - Fernerkundung
KW  - GIS
KW  - räumliche Analyse
KW  - periglaziale Landschaften
KW  - Arktis
KW  - remote sensing
KW  - GIS
KW  - spatial analyses
KW  - periglacial landscapes
KW  - Arctic
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62079
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jagdhuber, Thomas
T1  - Soil parameter retrieval under vegetation cover using SAR polarimetry
T1  - Bestimmung von Bodenparametern unter Vegetation mit Hilfe von SAR Polarimetrie
N2  - Soil conditions under vegetation cover and their spatial and temporal variations from point to catchment scale are crucial for understanding hydrological processes within the vadose zone, for managing irrigation and consequently maximizing yield by precision farming. Soil moisture and soil roughness are the key parameters that characterize the soil status. In order to monitor their spatial and temporal variability on large scales, remote sensing techniques are required. Therefore the determination of soil parameters under vegetation cover was approached in this thesis by means of (multi-angular) polarimetric SAR acquisitions at a longer wavelength (L-band, lambda=23cm). In this thesis, the penetration capabilities of L-band are combined with newly developed (multi-angular) polarimetric decomposition techniques to separate the different scattering contributions, which are occurring in vegetation and on ground. Subsequently the ground components are inverted to estimate the soil characteristics. The novel (multi-angular) polarimetric decomposition techniques for soil parameter retrieval are physically-based, computationally inexpensive and can be solved analytically without any a priori knowledge. Therefore they can be applied without test site calibration directly to agricultural areas. The developed algorithms are validated with fully polarimetric SAR data acquired by the airborne E-SAR sensor of the German Aerospace Center (DLR) for three different study areas in Germany. The achieved results reveal inversion rates up to 99% for the soil moisture and soil roughness retrieval in agricultural areas. However, in forested areas the inversion rate drops significantly for most of the algorithms, because the inversion in forests is invalid for the applied scattering models at L-band. The validation against simultaneously acquired field measurements indicates an estimation accuracy (root mean square error) of 5-10vol.% for the soil moisture (range of in situ values: 1-46vol.%) and of 0.37-0.45cm for the soil roughness (range of in situ values: 0.5-4.0cm) within the catchment. Hence, a continuous monitoring of soil parameters with the obtained precision, excluding frozen and snow covered conditions, is possible. Especially future, fully polarimetric, space-borne, long wavelength SAR missions can profit distinctively from the developed polarimetric decomposition techniques for separation of ground and volume contributions as well as for soil parameter retrieval on large spatial scales.
N2  - Zur Verbesserung der hydrologischen Abflussmodellierung, der Flutvorhersage, der gezielten Bewässerung von landwirtschaftlichen Nutzflächen und zum Schutz vor Ernteausfällen ist die Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit von grosser Bedeutung. Aufgrund der hohen zeitlichen sowie räumlichen Dynamik dieser Bodenparameter ist eine flächenhafte Erfassung mit hoher Auflösung und in kurzen zeitlichen Abständen notwendig. In situ Messtechniken stellen eine sehr zeit- und personalaufwändige Alternative dar, deshalb werden innovative Fernerkundungsverfahren mit aktivem Radar erprobt. Diese Aufnahmetechniken sind von Wetter- und Beleuchtungsverhältnissen unabhängig und besitzen zudem die Möglichkeit, abhängig von der Wellenlänge, in Medien einzudringen. Mit dem in dieser Arbeit verwendeten polarimetrischen Radar mit synthetischer Apertur (PolSAR) werden die Veränderungen der Polarisationen ausgewertet, da diese aufgrund der physikalischen Eigenschaften der reflektierenden Medien objektspezifisch verändert und gestreut werden. Es kann dadurch ein Bezug zwischen der empfangenen Radarwelle und den dielektrischen Eigenschaften (Feuchtegehalt) sowie der Oberflächengeometrie (Rauhigkeit) des Bodens hergestellt werden. Da vor allem in den gemässigten Klimazonen die landwirtschaftlichen Nutzflächen die meiste Zeit des Jahres mit Vegetation bestanden sind, wurden in dieser Dissertation Verfahren entwickelt, um die Bodenfeuchte und die Bodenrauhigkeit unter der Vegetation erfassen zu können. Um die einzelnen Rückstreubeiträge der Vegetation und des Bodens voneinander zu trennen, wurde die Eindringfähigkeit von längeren Wellenlängen (L-band, lambda=23cm) mit neu entwickelten (multi-angularen) polarimetrischen Dekompositionstechniken kombiniert, um die Komponente des Bodens zu extrahieren und auszuwerten. Für die Auswertung wurden polarimetrische Streumodelle benutzt, um die Bodenkomponente zu modellieren und dann mit der extrahierten Bodenkomponente der aufgenommenen Daten zu vergleichen. Die beste Übereinstimmung von Modell und Daten wurde als die gegebene Bodencharakteristik gewertet und dementsprechend invertiert. Die neu entwickelten, polarimetrischen Dekompositionstechniken für langwelliges polarimetrisches SAR basieren auf physikalischen Prinzipien, benötigen wenig Rechenzeit, erfordern keine Kalibrierung und sind ohne Verwendung von a priori Wissen analytisch lösbar. Um die entwickelten Algorithmen zu testen, wurden in drei verschiedenen Untersuchungsgebieten in Deutschland mit dem flugzeuggetragenen E-SAR Sensor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) polarimetrische SAR Daten aufgenommen. Die Auswertungen der PolSAR Daten haben bestätigt, dass die besten Invertierungsergebnisse mit langen Wellenlängen erzielt werden können (L-Band). Des Weiteren konnten bei der Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit hohe Inversionsraten erreicht werden (bis zu 99% der Untersuchungsfläche). Es hat sich gezeigt, dass die polarimetrischen Streumodelle bei der gegebenen Wellenlänge nicht für bewaldete Gebiete geeignet sind, was die Anwendbarkeit des Verfahrens auf landwirtschaftliche Nutzflächen einschränkt. Die Validierung mit Bodenmessungen in den Untersuchungsgebieten, die zeitgleich zu den PolSAR Aufnahmen durchgeführt wurden, hat ergeben, dass eine kontinuierliche Beobachtung des Bodenzustandes (ausgenommen in Zeiten mit gefrorenem oder Schnee bedecktem Boden) mit einer Genauigkeit (Wurzel des mittleren quadratischen Fehlers) von 5-10vol.% für die Bodenfeuchte (in situ Messbereich: 1-46vol.%) und von 0.37-0.45cm für die Bodenrauhigkeit (in situ Messbereich: 0.5-4.0cm) möglich ist. Besonders künftige Fernerkundungsmissionen mit langwelligem, voll polarimetrischem SAR können von den entwickelten Dekompositionstechniken profitieren, um die Vegetationskomponente von der Bodenkomponente zu trennen und die Charakteristik des Oberbodens flächenhaft zu bestimmen.
KW  - SAR
KW  - Polarimetrie
KW  - Bodenfeuchte
KW  - polarimetrische Dekompositionen
KW  - Fernerkundung
KW  - SAR
KW  - Polarimetry
KW  - soil moisture
KW  - polarimetric decompositions
KW  - remote sensing
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60519
ER  - 
TY  - THES
A1  - Huang, Shaochun
T1  - Modelling of environmental change impacts on water resources and hydrological extremes in Germany
T1  - Modellierung der Auswirkungen von Umweltveränderungen auf Wasserressourcen und Extremereignisse in Deutschland
N2  - Water resources, in terms of quantity and quality, are significantly influenced by environmental changes, especially by climate and land use changes. The main objective of the present study is to project climate change impacts on the seasonal dynamics of water fluxes, spatial changes in water balance components as well as the future flood and low flow conditions in Germany. This study is based on the modeling results of the process-based eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model) driven by various regional climate scenarios on one hand. On the other hand, it is supported by statistical analysis on long-term trends of observed and simulated time series. In addition, this study evaluates the impacts of potential land use changes on water quality in terms of NO3-N load in selected sub-regions of the Elbe basin. In the context of climate change, the actual evapotransipration is likely to increase in most parts of Germany, while total runoff generation may decrease in south and east regions in the scenario period 2051-2060. Water discharge in all six studied large rivers (Ems, Weser, Saale, Danube, Main and Neckar) would be 8 – 30% lower in summer and autumn compared to the reference period (1961 – 1990), and the strongest decline is expected for the Saale, Danube and Neckar. The 50-year low flow is likely to occur more frequently in western, southern and central Germany after 2061 as suggested by more than 80% of the model runs. The current low flow period (from August to September) may be extended until the late autumn at the end of this century. Higher winter flow is expected in all of these rivers, and the increase is most significant for the Ems (about 18%). No general pattern of changes in flood directions can be concluded according to the results driven by different RCMs, emission scenarios and multi-realizations. An optimal agricultural land use and management are essential for the reduction in nutrient loads and improvement of water quality. In the Weiße Elster and Unstrut sub-basins (Elbe), an increase of 10% in the winter rape area can result in 12-19% more NO3-N load in rivers. In contrast, another energy plant, maize, has a moderate effect on the water environment. Mineral fertilizers have a much stronger effect on the NO3-N load than organic fertilizers. Cover crops, which play an important role in the reduction of nitrate losses from fields, should be maintained on cropland. The uncertainty in estimating future high flows and, in particular, extreme floods remain high due to different RCM structures, emission scenarios and multi-realizations. In contrast, the projection of low flows under warmer climate conditions appears to be more pronounced and consistent. The largest source of uncertainty related to NO3-N modelling originates from the input data on the agricultural management.
N2  - Wasserressourcen werden in Quantität und Qualität von Veränderungen in der Umwelt, insbesondere von Änderungen des Klimas und der Landnutzung, in signifikantem Maße beeinflusst. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen von Klimavariabilität und Klimawandel auf die Wasserressourcen und Extremereignisse wie Hoch- und Niedrigwasser in Deutschland untersucht. Die Analyse erfolgte auf der einen Seite modellgestützt, wobei die Ergebnisse aus verschiedenen regionalen Klimamodellen durch ein ökohydrologisches Modell in Änderungen in den hydrologischen Prozessen transformiert wurden, zum anderen aber auch datengestützt, z.B. durch die statistische Interpretation von beobachteten und simulierten Zeitreihen. Zusätzlich wurden die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf Umsatz von Stickstoff in der Landschaft und im Wasser untersucht, wobei dasselbe ökohydrologische Modell zum Einsatz kam. Im Rahmen des Klimawandels wird zur Mitte dieses Jahrhunderts die aktuelle Evapotranspiration in den meisten Teilen Deutschlands mit großer Wahrscheinlichkeit zunehmen. Die täglichen Abflussmengen der fünf größten Flussgebiete in Deutschland (Ems, Weser, Elbe, Obere Donau und Rhein) werden dieser Untersuchung zur Folge im Sommer und Herbst um 8%-30% geringer sein als in der Referenzperiode (1961-1990). 80% der Szenariensimulationen stimmen darin überein, dass die 50-jährigen Niedrigwasserereignisse zum Ende dieses Jahrhunderts mit großer Wahrscheinlichkeit häufiger in den westlichen, den südlichen und den zentralen Teilen Deutschlands auftreten werden. Die gegenwärtige Niedrigwasserperiode (August-September) könnte sich zudem dann bis in den späten Herbst ausweiten. Für alle Flüsse werden höhere Winterabflüsse erwartet, wobei diese Zunahme für die Ems am stärksten ausfällt (ca. 18%). Mit größerer Unsicherheit sind dagegen die Aussagen zur Entwicklung der Hochwasser behaftet. Aus den Ergebnissen, die durch unterschiedliche regionale Klimamodelle und Szenarien getrieben wurden, kann jedoch kein allgemeingültiges Muster für die Änderungen der 50-jährigen Hochwässer ausgemacht werden. Eine optimierte Landnutzung und ein optimiertes Landmanagement sind für die Reduzierung der NO3-Einträge in die Oberflächengewässer essentiell. In den Einzusgebieten der Weißen Elster und der Unstrut (Elbe) kann eine Zunahme von 10% in der Anbaufläche von Winterraps zu einer 12-19% höheren NO3 Fracht führen. Mais, eine weitere Energiepflanze, hat hingegen einen mäßigeren Effekt auf die Oberflächengewässer. Die Höhe der Gabe von mineralischen Düngern beeinflußt zudem in starkem Maße die Nitratbelastung von Flüssen. Zwischenfrüchte können den NO3-Austrag im Sommer zusätzlich erheblich verringern. Insgesamt bleibt die Unsicherheit in der Vorhersage von Spitzenabflüssen und im Besonderen von Extrem-Hochwässern als Folge unterschiedlicher regionaler Klimamodelle, Emissionsszenarien und Realisationen sehr hoch. Im Gegensatz dazu erscheinen die Projektionen zu den Niedrigwasserereignissen unter wärmeren Bedingungen sehr viel deutlicher und einheitlicher. Die größte Unsicherheit in der Modellierung von NO3 dagegen sind die Eingangsdaten z.B. für das lokale landwirtschaftliche Management.
KW  - Climate change
KW  - Land use change
KW  - Water resources
KW  - Hydrological extremes
KW  - Germany
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59748
ER  - 
TY  - THES
A1  - Cunha Costa, Alexandre
T1  - Analyzing and modelling of flow transmission processes in river-systems with a focus on semi-arid conditions
T1  - Wassertransferprozesse in Flusssystemen mit einem Schwerpunkt auf semi-ariden Bedingungen
N2  - One of the major problems for the implementation of water resources planning and management in arid and semi-arid environments is the scarcity of hydrological data and, consequently, research studies. In this thesis, the hydrology of dryland river systems was analyzed and a semi-distributed hydrological model and a forecasting approach were developed for flow transmission processes in river-systems with a focus on semi-arid conditions. Three different sources of hydrological data (streamflow series, groundwater level series and multi-temporal satellite data) were combined in order to analyze the channel transmission losses of a large reach of the Jaguaribe River in NE Brazil. A perceptual model of this reach was derived suggesting that the application of models, which were developed for sub-humid and temperate regions, may be more suitable for this reach than classical models, which were developed for arid and semi-arid regions. Summarily, it was shown that this river reach is hydraulically connected with groundwater and shifts from being a losing river at the dry and beginning of rainy seasons to become a losing/gaining (mostly losing) river at the middle and end of rainy seasons. A new semi-distributed channel transmission losses model was developed, which was based primarily on the capability of simulation in very different dryland environments and flexible model structures for testing hypotheses on the dominant hydrological processes of rivers. This model was successfully tested in a large reach of the Jaguaribe River in NE Brazil and a small stream in the Walnut Gulch Experimental Watershed in the SW USA. Hypotheses on the dominant processes of the channel transmission losses (different model structures) in the Jaguaribe river were evaluated, showing that both lateral (stream-)aquifer water fluxes and ground-water flow in the underlying alluvium parallel to the river course are necessary to predict streamflow and channel transmission losses, the former process being more relevant than the latter. This procedure not only reduced model structure uncertainties, but also reported modelling failures rejecting model structure hypotheses, namely streamflow without river-aquifer interaction and stream-aquifer flow without groundwater flow parallel to the river course. The application of the model to different dryland environments enabled learning about the model itself from differences in channel reach responses. For example, the parameters related to the unsaturated part of the model, which were active for the small reach in the USA, presented a much greater variation in the sensitivity coefficients than those which drove the saturated part of the model, which were active for the large reach in Brazil. Moreover, a nonparametric approach, which dealt with both deterministic evolution and inherent fluctuations in river discharge data, was developed based on a qualitative dynamical system-based criterion, which involved a learning process about the structure of the time series, instead of a fitting procedure only. This approach, which was based only on the discharge time series itself, was applied to a headwater catchment in Germany, in which runoff are induced by either convective rainfall during the summer or snow melt in the spring. The application showed the following important features: • the differences between runoff measurements were more suitable than the actual runoff measurements when using regression models; • the catchment runoff system shifted from being a possible dynamical system contaminated with noise to a linear random process when the interval time of the discharge time series increased; • and runoff underestimation can be expected for rising limbs and overestimation for falling limbs. This nonparametric approach was compared with a distributed hydrological model designed for real-time flood forecasting, with both presenting similar results on average. Finally, a benchmark for hydrological research using semi-distributed modelling was proposed, based on the aforementioned analysis, modelling and forecasting of flow transmission processes. The aim of this benchmark was not to describe a blue-print for hydrological modelling design, but rather to propose a scientific method to improve hydrological knowledge using semi-distributed hydrological modelling. Following the application of the proposed benchmark to a case study, the actual state of its hydrological knowledge and its predictive uncertainty can be determined, primarily through rejected hypotheses on the dominant hydrological processes and differences in catchment/variables responses.
N2  - Die Bewirtschaftung von Wasserressourcen in ariden und semiariden Landschaften ist mit einer Reihe besonderer Probleme konfrontiert. Eines der größten Probleme für die Maßnahmenplanung und für das operationelle Management ist der Mangel an hydrologischen Daten und damit zusammenhängend auch die relativ kleine Zahl wissenschaftlicher Arbeiten zu dieser Thematik. In dieser Arbeit wurden 1) die grundlegenden hydrologischen Bedingungen von Trockenflusssystemen analysiert, 2) ein Modellsystem für Flüsse unter semiariden Bedingungen, und 3) ein nichtparametrisches Vorhersage-verfahren für Abflussvorgänge in Flüssen entwickelt. Der Wasserverlust in einem großen Abschnitt des Jaguaribe Flusses im nordöstlichen Brasilien wurde auf Basis von Daten zu Abflussraten, Grundwasserflurabstände und mit Hilfe multitemporaler Satellitendaten analysiert. Dafür wurde zuerst ein konzeptionelles hydrologisches Modell über die Mechanismen der Transferverluste in diesem Abschnitt des Trockenflusses erstellt. Dabei ergab sich, dass der Flussabschnitt mit dem Grundwasser hydraulisch verbunden ist. Der Flussabschnitt weist in der Trockenenzeit und am Anfang der Regenzeit nur Wasserverlust (Sickerung) zum Grundwasser auf. Im Laufe der Regenzeit findet auch ein gegenseitiger Austausch vom Grundwasser mit dem Flusswasser statt. Aufgrund dieser hydraulischen Kopplung zwischen Flusswasser und Grundwasser sind für diesen Flussabschnitt hydrologische Modellansätze anzuwenden, die generell für gekoppelte Fluss-Grundwassersysteme, v.a. in feuchtgemäßigten Klimaten, entwickelt wurden. Es wurde ein neuartiges hydrologisches Simulationsmodell für Transferverluste in Trockenflüssen entwickelt. Dieses Modell ist für unterschiedliche aride und semiaride Landschaften anwendbar und hat eine flexible Modellstruktur, wodurch unterschiedliche Hypothesen zur Relevanz einzelner hydrologische Prozesse getestet werden können. Es wurde für den zuvor genannten großen Abschnitt des Jaguaribe Flusses im nordöstlichen Brasilien und für einen kleinen Flussabschnitt im „Walnut Gulch Experimental Watershed“ (WGEW) in Arizona, Südwest-USA, angewendet. Für die eine prozess-orientierte Simulation von Abflussbedingungen und Transferverlusten im Einzugsgebiet des Jaguaribe hat sich gezeigt, dass die am besten geeignete Modellstruktur sowohl den Austausch zwischen Flusswasser und Grundwasser (senkrecht zur Fließrichtung des Flusses) als auch die parallel zum Fluss verlaufende Grundwasserströmung enthält. Die Simulationsexperimente mit unterschiedlichen Modellstrukturen („Hypothesentest“) reduzierte nicht nur die Modellstrukturunsicherheit, sondern quantifizierte auch die Qualität der Modellergebnisse bei folgenden Varianten der Modellstruktur: a) Abflluss im Fluss ohne Interaktion mit dem Grundwasser (keine Transferverluste) und b) Interaktion zwischen Fluss und Grundwasser ohne parallelen Grundwasserstrom zum Flussstrom. Durch die Anwendung auf die beiden unterschiedlichen Trockenflusssysteme wurden neue Erkenntnisse über die Sensitivität des Modells unter verschiedenen Bedingungen erworben. Beispielsweise waren die Parameter der ungesättigten Zone, die von hoher Relevanz für den kleinen Flussabschnitt im WGEW waren, viel sensitiver als die Parameter der gesättigten Zone, die besonders relevant für den Jaguaribe Flussabschnitt in Brasilien waren. Die Ursache für diese sehr unterschiedliche Sensitivität liegt darin, dass beim WGEW das Flusswasser nur mit der ungesättigten Zone in Kontakt steht, da sich in diesem Gebiet, welche im Vergleich zur Jaguaribe-Region noch deutlich trockener ist, kein Grund-wasserleiter bildet. Letztlich wurde ein nicht-parametrisches Verfahren, zur Simulation der deterministischen Evolution und stochastischen Fluktuation der Abflussdynamik entwickelt. Im Unterschied zu prozessbasiertem Modellsystemen basiert dieses Verfahren nicht auf Modellkalibrierung sondern auf einem Lernprozess, basierend auf Zeitreihendaten. Als Anwendungsbeispiel wurde ein mesoskaliges Einzugsgebiet im Erzgebirge, NO-Deutschland gewählt, in dem starke Abflussereignisse entweder durch konvektive Niederschlagsereignisse oder durch Schneeschmelze generiert werden. Die folgenden wichtigsten Ergebnisse wurden erzielt: • Regressionsmodellansätze basierend auf den zeitlichen Änderungen der Abflüsse liefern bessere Ergebnisse gegenüber Ansätzen basierend auf direkten Abflussdaten; • mit zunehmendem Vorhersagehorizont wandelt sich das hydrologische System von einem mit Zufallsanteilen verrauschten dynamischen System zu einem linearen probabilistischen Zufallsprozess; • Bei zunehmendem Abfluss (ansteigenden Ganglinie) erfolgt meist eine Abflussunterschätzung, bei abnehmendem Abfluss (fallende Ganglinie) erfolgt meist eine Abflussüberschätzung. Dieses nichtparametrische Verfahren ergibt im Vergleich mit einem prozess-orientierten und flächenverteilten hydrologischen Hochwasservorhersagemodell bis zu einem Vorhersagezeitraum von 3 Stunden Ergebnisse von vergleichbar guter Qualität. Letztendlich wurde ein Vorgehen bzgl. künftiger Forschungen zu hydrologischer Modellierung vorgeschlagen. Das Ziel dabei war ein wissenschaftliches Verfahren zur Verbesserung des hydrologischen Wissens über ein Einzugsgebiet. Diese Verfahren basiert auf einem Hypothesentest zu den relevanten hydrologischen Prozessen und der Untersuchung der Sensitivitäten der hydrologischen Variablen bei unterschiedlichen Einzugsgebieten.
KW  - Trockenflüsse
KW  - Transferverluste in Flüssen
KW  - Hochwasservorhersage
KW  - Unsicherheitsanalyse
KW  - hydrologische Modellierung
KW  - Dryland Rivers
KW  - Channel Transmission Losses
KW  - Flood Forecasting
KW  - Uncertainty Analysis
KW  - Hydrological Modelling
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59694
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lauterbach, Stefan
T1  - Lateglacial to Holocene climatic and environmental changes in Europe : multi-proxy studies on lake sediments along a transect from northern Italy to northeastern Poland
T1  - Spätglaziale und holozäne Klima- und Umweltveränderungen in Europa : Multiproxy-Untersuchungen an Seesedimenten entlang eines Transekts zwischen Norditalien und Nordostpolen
N2  - Sediment records of three European lakes were investigated in order to reconstruct the regional climate development during the Lateglacial and Holocene, to investigate the response of local ecosystems to climatic fluctuations and human impact and to relate regional peculiarities of past climate development to climatic changes on a larger spatial scale. The Lake Hańcza (NE Poland) sediment record was studied with a focus on reconstructing the early Holocene climate development and identifying possible differences to Western Europe. Following the initial Holocene climatic improvement, a further climatic improvement occurred between 10 000 and 9000 cal. a BP. Apparently, relatively cold and dry climate conditions persisted in NE Poland during the first ca. 1500 years of the Holocene, most likely due to a specific regional atmospheric circulation pattern. Prevailing anticyclonic circulation linked to a high-pressure cell above the remaining Scandinavian Ice Sheet (SIS) might have blocked the eastward propagation of warm and moist Westerlies and thus attenuated the early Holocene climatic amelioration in this region until the final decay of the SIS, a pattern different from climate development in Western Europe. The Lateglacial sediment record of Lake Mondsee (Upper Austria) was investigated in order to study the regional climate development and the environmental response to rapid climatic fluctuations. While the temperature rise and environmental response at the onset of the Holocene took place quasi-synchronously, major leads and lags in proxy responses characterize the onset of the Lateglacial Interstadial. In particular, the spread of coniferous woodlands and the reduction of detrital flux lagged the initial Lateglacial warming by ca. 500–750 years. Major cooling at the onset of the Younger Dryas took place synchronously with a change in vegetation, while the increase of detrital matter flux was delayed by about 150–300 years. Complex proxy responses are also detected for short-term Lateglacial climatic fluctuations. In summary, periods of abrupt climatic changes are characterized by complex and temporally variable proxy responses, mainly controlled by ecosystem inertia and the environmental preconditions. A second study on the Lake Mondsee sediment record focused on two small-scale climate deteriorations around 8200 and 9100 cal. a BP, which have been triggered by freshwater discharges to the North Atlantic, causing a shutdown of the Atlantic meridional overturning circulation (MOC). Combining microscopic varve counting and AMS 14C dating yielded a precise duration estimate (ca. 150 years) and absolute dating of the 8.2 ka cold event, both being in good agreement with results from other palaeoclimate records. Moreover, a sudden temperature overshoot after the 8.2 ka cold event was identified, also seen in other proxy records around the North Atlantic. This was most likely caused by enhanced resumption of the MOC, which also initiated substantial shifts of oceanic and atmospheric front systems. Although there is also evidence from other proxy records for pronounced recovery of the MOC and atmospheric circulation changes after the 9.1 ka cold event, no temperature overshoot is seen in the Lake Mondsee record, indicating the complex behaviour of the global climate system. The Holocene sediment record of Lake Iseo (northern Italy) was studied to shed light on regional earthquake activity and the influence of climate variability and anthropogenic impact on catchment erosion and detrital flux into the lake. Frequent small-scale detrital layers within the sediments reflect allochthonous sediment supply by extreme surface runoff events. During the early to mid-Holocene, increased detrital flux coincides with periods of cold and wet climate conditions, thus apparently being mainly controlled by climate variability. In contrast, intervals of high detrital flux during the late Holocene partly also correlate with phases of increased human impact, reflecting the complex influences on catchment erosion processes. Five large-scale event layers within the sediments, which are composed of mass-wasting deposits and turbidites, are supposed to have been triggered by strong local earthquakes. While the uppermost of these event layers is assigned to a documented adjacent earthquake in AD 1222, the four other layers are supposed to be related to previously undocumented prehistorical earthquakes.
N2  - Sedimente aus drei europäischen Seen wurden untersucht um die regionale Klimaentwicklung während des Spätglazials und Holozäns und die Reaktion der Ökosysteme auf Klimaschwankungen und menschlichen Einfluss zu rekonstruieren sowie die regionalen Besonderheiten der spätquartären Klimaveränderungen in einen überregionalen Kontext zu setzen. Die Sedimente des Jezioro Hańcza (Nordostpolen) wurden im Hinblick auf die frühholozäne Klimaentwicklung und die Identifikation möglicher Unterschiede gegenüber Westeuropa untersucht. Im Anschluss an die Erwärmung zu Beginn des Holozäns konnte eine weitere Verbesserung der Klimabedingungen zwischen 10 000 und 9000 Jahren vor heute nachgewiesen werden. Offensichtlich herrschten in Nordostpolen während der ersten 1500 Jahre des Holozäns noch relative kalte und trockene Klimabedingungen, höchstwahrscheinlich als Resultat besonderer regionaler atmosphärischer Zirkulationsverhältnisse. Eine antizyklonale Zirkulationszelle als Resultat eines Hochdruckgebiets über dem Rest des Skandinavischen Eisschilds verhinderte wahrscheinlich das Vordringen warmer und feuchter Luftmassen aus Westen und verursachte damit eine Abschwächung der frühholozänen Klimaverbesserung in dieser Region bis zum endgültigen Zerfall des Eisschilds, was grundsätzlich von der frühholozänen Klimaentwicklung in Westeuropa abweicht. Die spätglazialen Sedimente des Mondsees (Oberösterreich) wurden im Hinblick auf die regionale Klimaentwicklung und die Reaktion des Ökosystems auf abrupte Klimaschwankungen untersucht. Während die Erwärmung zu Beginn des Holozäns von einer zeitgleichen Reaktion des Ökosystems begleitet wurde, war die Reaktion des Ökosystems auf die Erwärmung zu Beginn des Spätglazials deutlich verzögert. Insbesondere die Ausbreitung von Nadelwäldern und die Reduktion des klastischen Eintrags folgten der spätglazialen Erwärmung erst mit einer Verzögerung von ca. 500–750 Jahren. Die Abkühlung zu Beginn der Jüngeren Dryas war durch eine deutliche Synchronizität zwischen Temperatur- und Vegetationsänderung gekennzeichnet, wohingegen der Anstieg des klastischen Eintrags erst 150–300 Jahre verzögert folgte. Eine komplexe Reaktion des Ökosystems zeigt sich auch während kurzfristiger spätglazialer Klimaschwankungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass abrupte Klimaveränderungen durch komplexe und zeitlich variable Reaktionsmuster des Ökosystems gekennzeichnet sind, die hauptsächlich von dessen Klimasensitivität und den ökologischen Ausgangsbedingungen abhängen. Eine zweite Studie an den Sedimenten des Mondsees konzentrierte sich auf zwei Klimaschwankungen vor ca. 8200 und 9100 Jahren, für die Schmelzwassereintrag in den Nordatlantik und ein damit verbundenes Zusammenbrechen der thermohalinen Zirkulation als Ursache angesehen wird. Durch Warvenzählungen und 14C-Datierungen konnten sowohl die Dauer (ca. 150 Jahre) als auch das absolute Alter der Kältephase vor ca. 8200 Jahren zuverlässig bestimmt werden, welche in guter Übereinstimmung mit Resultaten aus anderen Paläoklimaarchiven stehen. Darüber hinaus wurde eine kurze Warmphase direkt im Anschluss an das Abkühlungsereignis identifiziert, die auch in anderen Klimaarchiven im nordatlantischen Raum nachweisbar ist. Diese wurde wahrscheinlich durch ein Wiedererstarken der thermohalinen Zirkulation verursacht, welches darüber hinaus eine Verschiebung ozeanischer und atmosphärischer Frontsysteme zur Folge hatte. Obwohl andere Klimaarchive auch nach dem Abkühlungsereignis vor ca. 9100 Jahren auf ein Wiedererstarken der thermohalinen Zirkulation hindeuten, finden sich in den Sedimenten des Mondsees keine Anzeichen für eine solche Wärmeperiode, was die Komplexität des globalen Klimasystems verdeutlicht. Die holozänen Sedimente des Lago d’Iseo (Norditalien) wurden im Hinblick auf die regionale Erdbebenaktivität und den Einfluss von Klima und Mensch auf Erosionsprozesse im Einzugsgebiet und den klastischen Eintrag in den See untersucht. Zahlreiche kleinere detritische Lagen in den Sedimenten spiegeln Eintrag durch extreme Oberflächenabflussereignisse wieder. Während des Früh- und Mittelholozäns zeigt sich eine deutliche Übereinstimmung zwischen erhöhtem klastischen Eintrag und kühleren und feuchteren Klimaverhältnissen, was auf einen dominanten Einfluss der natürlichen Klimavariabilität hindeutet. Im Gegensatz dazu zeigen Phasen erhöhten klastischen Eintrags während des Spätholozäns teilweise auch eine Korrelation mit erhöhter Siedlungsaktivität, was die Komplexität der Einflüsse auf Erosionsprozesse im Einzugsgebiet verdeutlicht. Darüber hinaus konnten auch fünf größere Ereignislagen nachgewiesen werden, welche durch Rutschmassen und Turbidite gekennzeichnet sind und für die lokale Erdbeben als Ursache vermutet werden. Die jüngste Ereignislage kann mit einem historisch dokumentierten proximalen Erdbeben im Jahr AD 1222 korreliert werden. Für die anderen vier Ereignislagen werden bisher undokumentierte prähistorische Erdbeben als Ursache angenommen.
KW  - Spätglazial
KW  - Holozän
KW  - Seesedimente
KW  - Paläoklima
KW  - Europa
KW  - Lateglacial
KW  - Holocene
KW  - lake sediments
KW  - palaeoclimate
KW  - Europe
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-58157
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sietz, Diana
T1  - Dryland vulnerability : typical patterns and dynamics in support of vulnerability reduction efforts
T1  - Vulnerabilität in Trockengebieten: typische Muster und Dynamiken als Beitrag für Ansätze zur Verminderung von Vulnerabilität
N2  - The pronounced constraints on ecosystem functioning and human livelihoods in drylands are frequently exacerbated by natural and socio-economic stresses, including weather extremes and inequitable trade conditions. Therefore, a better understanding of the relation between these stresses and the socio-ecological systems is important for advancing dryland development. The concept of vulnerability as applied in this dissertation describes this relation as encompassing the exposure to climate, market and other stresses as well as the sensitivity of the systems to these stresses and their capacity to adapt. With regard to the interest in improving environmental and living conditions in drylands, this dissertation aims at a meaningful generalisation of heterogeneous vulnerability situations. A pattern recognition approach based on clustering revealed typical vulnerability-creating mechanisms at global and local scales. One study presents the first analysis of dryland vulnerability with global coverage at a sub-national resolution. The cluster analysis resulted in seven typical patterns of vulnerability according to quantitative indication of poverty, water stress, soil degradation, natural agro-constraints and isolation. Independent case studies served to validate the identified patterns and to prove the transferability of vulnerability-reducing approaches. Due to their worldwide coverage, the global results allow the evaluation of a specific system’s vulnerability in its wider context, even in poorly-documented areas. Moreover, climate vulnerability of smallholders was investigated with regard to their food security in the Peruvian Altiplano. Four typical groups of households were identified in this local dryland context using indicators for harvest failure risk, agricultural resources, education and non-agricultural income. An elaborate validation relying on independently acquired information demonstrated the clear correlation between weather-related damages and the identified clusters. It also showed that household-specific causes of vulnerability were consistent with the mechanisms implied by the corresponding patterns. The synthesis of the local study provides valuable insights into the tailoring of interventions that reflect the heterogeneity within the social group of smallholders. The conditions necessary to identify typical vulnerability patterns were summarised in five methodological steps. They aim to motivate and to facilitate the application of the selected pattern recognition approach in future vulnerability analyses. The five steps outline the elicitation of relevant cause-effect hypotheses and the quantitative indication of mechanisms as well as an evaluation of robustness, a validation and a ranking of the identified patterns. The precise definition of the hypotheses is essential to appropriately quantify the basic processes as well as to consistently interpret, validate and rank the clusters. In particular, the five steps reflect scale-dependent opportunities, such as the outcome-oriented aspect of validation in the local study. Furthermore, the clusters identified in Northeast Brazil were assessed in the light of important endogenous processes in the smallholder systems which dominate this region. In order to capture these processes, a qualitative dynamic model was developed using generalised rules of labour allocation, yield extraction, budget constitution and the dynamics of natural and technological resources. The model resulted in a cyclic trajectory encompassing four states with differing degree of criticality. The joint assessment revealed aggravating conditions in major parts of the study region due to the overuse of natural resources and the potential for impoverishment. The changes in vulnerability-creating mechanisms identified in Northeast Brazil are well-suited to informing local adjustments to large-scale intervention programmes, such as “Avança Brasil”. Overall, the categorisation of a limited number of typical patterns and dynamics presents an efficient approach to improving our understanding of dryland vulnerability. Appropriate decision-making for sustainable dryland development through vulnerability reduction can be significantly enhanced by pattern-specific entry points combined with insights into changing hotspots of vulnerability and the transferability of successful adaptation strategies.
N2  - Die Grenzen ökologischer Funktionen und menschlicher Lebensweisen in Trockengebieten werden häufig durch natürlichen und sozio-ökonomischen Stress, wie extreme Wetterereignisse und ungerechte Handelsbedingungen, weiter verengt. Zur Förderung der Entwicklung in Trockengebieten ist es daher wichtig, die Beziehung zwischen den Stressfaktoren und den sozio-ökologischen Systemen besser zu verstehen. Das Konzept der Vulnerabilität, welches in der vorliegenden Dissertation angewandt wird, beschreibt dieses Verhältnis durch die Exposition, Sensitivität und Anpassungsfähigkeit von Systemen im Hinblick auf Klima-, Markt- und anderen Stress. Bezüglich des Interesses, die Umwelt- und Lebensbedingungen in Trockengebieten zu verbessern, zielt diese Dissertation darauf ab, die vielschichtigen Ursachen und Veränderungen von Vulnerabilität sinnvoll zu verallgemeinern. Eine clusterbasierte Mustererkennung zeigte typische Mechanismen auf, welche Vulnerabilität auf globaler und lokaler Ebene verursachen. Dabei stellt die globale Studie die erste flächendeckende Untersuchung von Vulnerabilität in Trockengebieten mit sub-nationaler Auflösung dar. Die Clusteranalyse identifizierte sieben typische Muster basierend auf der quantitativen Beschreibung von Armut, Wasserknappheit, Bodendegradation, natürlichen Produktionshemmnissen und Isolation. Die Gültigkeit der ermittelten Cluster und die Übertragbarkeit von Anpassungsmaßnahmen innerhalb ähnlicher Gebiete wurden anhand unabhängiger Fallstudien belegt. Die flächendeckende Erfassung erlaubt es, die Vulnerabilität eines Systems in seinem größeren Kontext zu bewerten, auch in weniger gut durch Fallstudien dokumentierten Gebieten. Weiterhin wurde die Klimavulnerabilität von Kleinbauern bezüglich ihrer Nahrungsmittelsicherung im peruanischen Altiplano untersucht. In diesem lokalen Kontext wurden vier Cluster von Haushalten gemäß ihrer Produktionsrisiken, landwirtschaftlichen Ressourcen, der Bildung und ihres nicht-landwirtschaftlichen Einkommens unterschieden. Eine erweiterte Gültigkeitsprüfung unter Nutzung unabhängig erhobener Informationen stellte heraus, dass wetterbedingte Schäden mit den ermittelten Clustern korrelieren und dass haushaltsspezifische Schadensursachen mit den durch die Muster angezeigten Mechanismen übereinstimmen. Die lokale Studie liefert wertvolle Hinweise auf bedarfsgerechte Eingriffe unter Beachtung der Heterogenität innerhalb der sozialen Gruppe der Kleinbauern. Die notwendigen Bedingungen zur Erkennung typischer Muster ergaben fünf methodische Schritte. Ihre Darlegung soll die Anwendung der gewählten Methode in zukünftigen Vulnerabilitätsstudien anregen und erleichtern. Die fünf Schritte umfassen die Ableitung relevanter Ursache-Wirkungs-Hypothesen, die Quantifizierung der Mechanismen, die Bewertung von Robustheit und Gültigkeit sowie die Ordnung der ermittelten Muster nach dem Grad der Vulnerabilität. Dabei ist die genaue Beschreibung der Hypothesen eine wesentliche Voraussetzung für die Quantifizierung der grundlegenden Prozesse sowie eine einheitliche Interpretation, Gültigkeitsprüfung und Ordnung der ermittelten Muster. Besondere Beachtung finden skalenbedingte Aspekte, wie beispielsweise die ergebnisorientierte Gültigkeitsprüfung in der lokalen Studie. Weiterhin wurden die in Nordostbrasilien ermittelten Cluster im Hinblick auf wichtige endogene Prozesse in den dort vorherrschenden kleinbäuerlichen Nutzungssystemen untersucht. Diese Prozesse umfassen die Aufteilung der Arbeitskraft, die landwirtschaftliche Produktion sowie Einkommens- und Ressourcendynamiken. Sie wurden in einem qualitativen dynamischen Modell erfasst, welches eine zyklische Trajektorie mit vier unterschiedlich problematischen Entwicklungszuständen ergab. Als besonders problematischer Aspekt verschärfte sich die Vulnerabilität in weiten Teilen des Untersuchungsgebietes durch die Übernutzung natürlicher Ressourcen und die Möglichkeit weiterer Verarmung. Die in Nordostbrasilien gezeigten Veränderungen sind dazu geeignet, groß angelegte Entwicklungsprogramme, wie zum Beispiel “Avança Brasil”, angemessen an lokale Gegebenheiten anzupassen. Insgesamt ermöglicht es die Kategorisierung einer begrenzten Anzahl typischer Muster und Veränderungen, die Vulnerabilität in Trockengebieten besser zu verstehen. Eine nachhaltige Entwicklung von Trockengebieten basierend auf der Minderung von Vulnerabilität kann durch musterspezifische Ansätze zusammen mit Hinweisen zu Veränderungen im Schweregrad und zur Übertragbarkeit erfolgreicher Anpassungsstrategien wirkungsvoll unterstützt werden.
KW  - Kausalstruktur
KW  - Archetyp
KW  - mehrfache Stressfaktoren
KW  - ländliche Entwicklung
KW  - räumlich explizit
KW  - Causal structure
KW  - archetype
KW  - multiple stress factors
KW  - rural development
KW  - spatially explicit
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-58097
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wolff, Christian Michael
T1  - East African monsoon variability since the last glacial
T1  - Ostafrikanische Monsunvariabilität seit dem letztem Glazial
N2  - The impact of global warming on human water resources is attracting increasing attention. No other region in this world is so strongly affected by changes in water supply than the tropics. Especially in Africa, the availability and access to water is more crucial to existence (basic livelihoods and economic growth) than anywhere else on Earth. In East Africa, rainfall is mainly influenced by the migration of the Inter-Tropical Convergence Zone (ITCZ) and by the El Niño Southern Oscillation (ENSO) with more rain and floods during El Niño and severe droughts during La Niña. The forecasting of East African rainfall in a warming world requires a better understanding of the response of ENSO-driven variability to mean climate. Unfortunately, existing meteorological data sets are too short or incomplete to establish a precise evaluation of future climate. From Lake Challa near Mount Kilimanjaro, we report records from a laminated lake sediment core spanning the last 25,000 years. Analyzing a monthly cleared sediment trap confirms the annual origin of the laminations and demonstrates that the varve-thicknesses are strongly linked to the duration and strength of the windy season. Given the modern control of seasonal ITCZ location on wind and rain in this region and the inverse relation between the two, thicker varves represent windier and thus drier years. El Niño (La Niña) events are associated with wetter (drier) conditions in east Africa and decreased (increased) surface wind speeds. Based on this fact, the thickness of the varves can be used as a tool to reconstruct a) annual rainfall b) wind season strength, and c) ENSO variability. Within this thesis, I found evidence for centennialscale changes in ENSO-related rainfall variability during the last three millennia, abrupt changes in variability during the Medieval Climate Anomaly and the Little Ice Age, and an overall reduction in East African rainfall and its variability during the Last Glacial period. Climate model simulations support forward extrapolation from these lake-sediment data, indicating that a future Indian Ocean warming will enhance East Africa’s hydrological cycle and its interannual variability in rainfall. Furthermore, I compared geochemical analyses from the sediment trap samples with a broad range of limnological, meteorological, and geological parameters to characterize the impact of sedimentation processes from the in-situ rocks to the deposited sediments. As a result an excellent calibration for existing μXRF data from Lake Challa over the entire 25,000 year long profile was provided. The climate development during the last 25,000 years as reconstructed from the Lake Challa sediments is in good agreement with other studies and highlights the complex interactions between long-term orbital forcing, atmosphere, ocean and land surface conditions. My findings help to understand how abrupt climate changes occur and how these changes correlate with climate changes elsewhere on Earth.
N2  - Änderungen des Klimas in einer sich erwärmenden Erde haben große Auswirkungen auf den globalen und lokalen Wasserhaushalt und rücken anhand starker Extremereignisse immer häufiger in den Fokus der Öffentlichkeit. Besonders die Regionen der Tropen sind von derartigen Einschnitten stark gefährdet. Der jährliche Niederschlag in Ostafrika ist stark mit der saisonalen Wanderung der ITCZ (Innertropischen Konvergenzzone) sowie mit dem El Niño/Southern Oscillation (ENSO) Phänomen verbunden. Extreme Regenfälle und Überschwemmungen während El Niño Jahren stehen Trockenheit und Dürren in La Niña Jahren gegenüber. Prognosen über zukünftige Veränderungen der ostafrikanischen Niederschläge erfordern ein verbessertes Verständnis der ENSO antreibenden Faktoren. Unglücklicherweise sind die vorhandenen meteorologischen Datenreihen nicht lang genug oder besitzen nicht die benötigte Homogenität. Einen hilfreichen Beitrag können jährlich geschichtete Seesedimente des am Fuße des Kilimandscharo gelegenen Lake Challa leisten. Anhand einer monatlich aufgelösten Sedimentfalle konnte ich nachweisen, dass die rund 25.000 Jahre zurückreichenden Sedimente eine jährliche Struktur besitzen sowie die Dicke dieser jährlichen Schichtung (Warve) stark mit der Dauer und Intensität der saisonal windreichen/trockenen Jahreszeit verbunden ist. Dickere Warven repräsentieren windige/trockene Jahre, wohingegen dünnere Warven für windschwache und feuchte Jahre stehen. Stärkere Winde und kaum Niederschläge treten oft im Zusammenhang mit einem La Niña Ereignis in Ostafrika auf, wohingegen während eines El Niño Ereignisses häufig extreme Niederschläge mit wenig Wind zu beobachten sind. Anhand der Vermessung der Warven kann man verschiedene Klimaparameter rekonstruieren: a) den jährlichen Niederschlag b) jährliche Windgeschwindigkeiten und ihre Intensitäten sowie c) ENSO Variabilitäten. Die in meiner Arbeit gewonnenen klimatischen Informationen zeigen starke Änderungen der ENSO Variabilität innerhalb der letzten 3.000 Jahre mit starken Unterschieden während der Kleinen Eiszeit und während der Mittelalterlichen Warmzeit sowie deutlich trockene und windige Bedingungen mit sehr geringen ENSO Aktivitäten im glazialem Zeitraum (18.500 und 21.000 Jahren). Modellberechnungen unterstützen diese Ergebnisse einer Zunahme von Extremereignissen und feuchteren Bedingungen im Zuge einer Erwärmung des Indischen Ozeans. Mittels geochemischer Analysen der Sedimentfallenproben sowie die daraus resultierende Verknüpfung mit limnologischen und meteorologischen Parametern, konnte ich einen entscheidenden Beitrag zur erfolgreichen Interpretation der existierenden 25.000 Jahre langen μXRF Datensätze leisten. Der Anteil an allochthonem und autochthonem Eintrag kann so genau klassifiziert werden. Das dadurch gewonnene Bild der Klimaentwicklung der letzten 25.000 Jahre deckt sich hervorragend mit anderen Studien und ermöglicht Einblicke in das komplexe Zusammenspiel zwischen Ozean-Atmosphäre und Umwelt auf dem afrikanischen Kontinent. Besonders die für die Ostafrikaforschung extrem hohe Auflösung der Daten wird helfen, die abrupten Klimawechsel und Interaktionen besser verstehen zu können.
KW  - Lake Challa
KW  - Sedimentfalle
KW  - Warve
KW  - ENSO
KW  - Monsun
KW  - Lake Challa
KW  - sediment trap
KW  - varve
KW  - ENSO
KW  - monsoon
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-58079
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wulf, Hendrik
T1  - Seasonal precipitation, river discharge, and sediment flux in the western Himalaya
T1  - Saisonaler Niederschlag, Wasserabfluss und Sedimentationsfluss im westlichen Himalaya
N2  - Rainfall, snow-, and glacial melt throughout the Himalaya control river discharge, which is vital for maintaining agriculture, drinking water and hydropower generation. However, the spatiotemporal contribution of these discharge components to Himalayan rivers is not well understood, mainly because of the scarcity of ground-based observations. Consequently, there is also little known about the triggers and sources of peak sediment flux events, which account for extensive hydropower reservoir filling and turbine abrasion. We therefore lack basic information on the distribution of water resources and controls of erosion processes. In this thesis, I employ various methods to assess and quantify general characteristics of and links between precipitation, river discharge, and sediment flux in the Sutlej Valley. First, I analyze daily precipitation data (1998-2007) from 80 weather stations in the western Himalaya, to decipher the distribution of rain- and snowfall. Rainfall magnitude frequency analyses indicate that 40% of the summer rainfall budget is attributed to monsoonal rainstorms, which show higher variability in the orogenic interior than in frontal regions. Combined analysis of rainstorms and sediment flux data of a major Sutlej River tributary indicate that monsoonal rainfall has a first order control on erosion processes in the orogenic interior, despite the dominance of snowfall in this region. Second, I examine the contribution of rainfall, snow and glacial melt to river discharge in the Sutlej Valley (s55,000 km2), based on a distributed hydrological model, which covers the period 2000-2008. To achieve high spatial and daily resolution despite limited ground-based observations the hydrological model is forced by daily remote sensing data, which I adjusted and calibrated with ground station data. The calibration shows that the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) 3B42 rainfall product systematically overestimates rainfall in semi-arid and arid regions, increasing with aridity. The model results indicate that snowmelt-derived discharge (74%) is most important during the pre-monsoon season (April to June) whereas rainfall (56%) and glacial melt (17%) dominate the monsoon season (July-September). Therefore, climate change most likely causes a reduction in river discharge during the pre-monsoon season, which especially affects the orogenic interior. Third, I investigate the controls on suspended sediment flux in different parts of the Sutlej catchments, based on daily gauging data from the past decade. In conjunction with meteorological data, earthquake records, and rock strength measurements I find that rainstorms are the most frequent trigger of high-discharge events with peaks in suspended sediment concentrations (SSC) that account for the bulk of the suspended sediment flux. The suspended sediment flux increases downstream, mainly due to increases in runoff. Pronounced erosion along the Himalayan Front occurs throughout the monsoon season, whereas efficient erosion of the orogenic interior is confined to single extreme events. The results of this thesis highlight the importance of snow and glacially derived melt waters in the western Himalaya, where extensive regions receive only limited amounts of monsoonal rainfall. These regions are therefore particularly susceptible to global warming with major implications on the hydrological cycle. However, the sediment discharge data show that infrequent monsoonal rainstorms that pass the orographic barrier of the Higher Himalaya are still the primary trigger of the highest-impact erosion events, despite being subordinate to snow and glacially–derived discharge. These findings may help to predict peak sediment flux events and could underpin the strategic development of preventative measures for hydropower infrastructures.
N2  - Regen, Schnee- und Gletscherschmelze speisen die Flüsse des Himalajas, die eine große Bedeutung für die Landwirtschaft, Trinkwasserversorgung und Wasserkraftnutzung in Südasien aufweisen. Welchen Anteil die einzelnen Abflusskomponenten am Gesamtabfluss in Raum und Zeit besitzen, ist jedoch kaum quantifiziert, da es in der entlegenen Region an Bodenmessstationen mangelt. Aus diesem Grund ist auch wenig über die Auslöser und Herkunftsgebiete von hohen Sedimentaustragsereignissen bekannt, die im erheblichen Maße dazu beitragen, dass die Kapazität vonWasserkraftreservoiren abnimmt undWasserkraftturbinen abradieren. Daher fehlen bisher grundlegende Informationen zur räumlichen Verteilung von Wasserressourcen und zu den Ursachen von Erosionsprozessen. In dieser Arbeit benutze ich verschiedene Methoden um die Eigenschaften von und die Beziehungen zwischen Niederschlag, Abflussmenge und Sedimentaustrag im Sutlej-Tal zu untersuchen. In einer ersten Studie analysiere ich Tagesniederschläge (1998-2007) von 80 Wetterstationen aus dem westlichen Himalaja, um die räumliche Verteilung von Regen- und Schneeniederschlägen zu charakterisieren. Die weitere Analyse der Magnituden-Häufigkeitsverteilung von Regenfällen zeigt, dass 40% der sommerlichen Niederschläge auf monsunale Starkregenereignisse zurückgehen, die eine höhere Variabilität im Gebirgsinneren aufweisen als an der Gebirgsfront. Die Kombination von Niederschlagsdaten mit Sedimentaustragsdaten für einen der größten Zuflüsse des Sutlejs zeigt, dass monsunaler Niederschlag der primäre Auslöser von Erosionsprozessen im Gebirgsinneren ist, ungeachtet größerer Abflussmengen durch Schnee- und Gletscherschmelze. In einer zweiten Studie untersuche ich den Beitrag von Regen, Schnee- und Gletscherschmelze zur Abflussmenge im Sutlej-Tal (s55.000 km2) mit Hilfe eines hydrologischen Modells für den Jahreszeitraum 2000-2008. Um trotz der begrenzten Bodenmessungen eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung zu erzielen, basiert das Modell auf täglichen Fernerkundungsdaten, die ich mit allen verfügbaren Bodenstationsdaten kalibriert und an diese angepasst habe. Die Kalibrierung zeigt, dass das Regenniederschlagsprodukt 3B42 der „Tropical Rainfall Measuring Mission“ (TRMM) den Bodenniederschlag in den semi-ariden bis ariden Gebirgsregionen mit zunehmender Trockenheit systematisch überschätzt. Die Modellierungsergebnisse verdeutlichen, dass die Schneeschmelze den bedeutendsten Beitrag zur Abflussmenge (74 %) zwischen April und Juni aufbringt, während Regen (56%) und Gletscherschmelze (17%) die Monsunsaison (Juli-September) prägen. Daher ist anzunehmen, dass der Klimawandel zu einer Verringerung der Abflussmenge zwischen April und Juni führen wird, was sich besonders auf das Gebirgsinnere auswirkt. In einer dritten Studie untersuche ich mit Hilfe von täglichen Messdaten der letzten Dekade die Ursachen und Eigenschaften des Sedimentaustrags in verschiedenen Bereichen des Sutlej-Einzugsgebietes. Auf der Grundlage von meteorologischen Daten, Erdbebenaufzeichnungen und Gesteinsfestigkeitsmessungen identifiziere ich Starkregenereignisse als häufigste Ursache für extreme Erosionsereignisse, die einen Großteil des gesamten Sedimentaustrags ausmachen. Großräumig betrachtet nimmt der Sedimentaustrag flussabwärts zu, was hauptsächlich auf den Anstieg der Abflussmenge zurückzuführen ist. Zur Monsunzeit treten Erosionsprozesse entlang der Himalajafront besonders häufig auf, während im Gebirgsinneren die Erosion auf einzelne Extremereignisse beschränkt ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit untersteichen die Bedeutung von Schnee- und Gletscherschmelze im westlichen Himalaja, in dem große Gebiete nur vereinzelt von monsunalen Niederschlägen erreicht werden. Diese Gebiete sind daher besonders anfällig für den Klimawandel mit weitreichenden Konsequenzen für den Wasserhaushalt in der Region. Die Analyse von Sedimentaustragsdaten zeigt jedoch, dass vereinzelte monsunale Regenstürme, welche die topographische Barriere des Himalaja überqueren, die primäre Ursache von extremen Erosionsereignissen sind, trotz der größeren Abflussmengen von Schnee- und Gletscherschmelze im Gebirgsinneren. Diese Ergebnisse können dazu beitragen, große Erosionsereignisse vorherzusagen und vorbeugende Maßnahmen zum Schutz von Wasserkraftanlagen zu entwickeln.
KW  - Klimawandel
KW  - Erosion
KW  - Monsun
KW  - Regensturm
KW  - Suspendsionsfracht
KW  - climate change
KW  - erosion
KW  - monsoon
KW  - rainstorm
KW  - suspended sediment
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57905
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pourteau, Amaury
T1  - Closure of the Neotethys Ocean in Anatolia : structural, petrologic and geochronologic insights from low-grade high-pressure metasediments, Afyon Zone
T1  - Die Schließung des Neotethyschen-Ozeans in Anatolien : strukturelle, petrologische und geochronologische Erkenntnisse von niedriggradigen hochdruckmetamorphen Sedimenten, Afyon-Zone (Türkei)
N2  - The complete consumption of the oceanic domain of a tectonic plate by subduction into the upper mantle results in continent subduction, although continental crust is typically of lower density than the upper mantle. Thus, the sites of former oceanic domains (named suture zones) are generally decorated with stratigraphic sequences deposited along continental passive margins that were metamorphosed under low-grade, high-pressure conditions, i.e., low temperature/depth ratios (< 15°C/km) with respect to geothermal gradients in tectonically stable regions. Throughout the Mesozoic and Cenozoic (i.e., since ca. 250 Ma), the Mediterranean realm was shaped by the closure of the Tethyan Ocean, which likely consisted in numerous oceanic domains and microcontinents. However, the exact number and position of Tethyan oceans and continents (i.e., the Tethyan palaeogeography) remains debated. This is particularly the case of Western and Central Anatolia, where a continental fragment was accreted to the southern composite margin of the Eurasia sometime between the Late Cretaceous and the early Cenozoic. The most frontal part of this microcontinent experienced subduction-related metamorphism around 85-80 Ma, and collision-related metamorphism affected more external parts around 35 Ma. This unsually-long period between subduction- and collision-related metamorphisms (ca. 50 Ma) in units ascribed to the same continental edge constitutes a crucial issue to address in order to unravel how Anatolia was assembled. The Afyon Zone is a tectono-sedimentary unit exposed south and structurally below the front high-pressure belt. It is composed of a Mesozoic sedimentary sequence deposited on top of a Precambrian to Palaeozoic continental substratum, which can be traced from Northwestern to southern Central Anatolia, along a possible Tethyan suture. Whereas the Afyon Zone was defined as a low-pressure metamorphic unit, high-pressure minerals (mainly Fe-Mg-carpholite in metasediments) were recently reported from its central part. These findings shattered previous conceptions on the tectono-metamorphic evolution of the Afyon Zone in particular, and of the entire region in general, and shed light on the necessity to revise the regional extent of subduction-related metamorphism by re-inspecting the petrology of poorly-studied metasediments. In this purpose, I re-evaluated the metamorphic evolution of the entire Afyon Zone starting from field observations. Low-grade, high-pressure mineral assemblages (Fe-Mg-carpholite and glaucophane) are reported throughout the unit. Well-preserved carpholite-chloritoid assemblages are useful to improve our understanding of mineral relations and transitions in the FeO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O system during rocks’ travel down to depth (prograde metamorphism). Inspection of petrographic textures, minute variations in mineral composition and Mg-Fe distribution among carpholite-chloritoid assemblages documents multistage mineral growth, accompanied by a progressive enrichment in Mg, and strong element partitioning. Using an updated database of mineral thermodynamic properties, I modelled the pressure and temperature conditions that are consistent with textural and chemical observations. Carpholite-bearing assemblages in the Afyon Zone account for a temperature increase from 280 to 380°C between 0.9 and 1.1 GPa (equivalent to a depth of 30-35 km). In order to further constrain regional geodynamics, first radiometric ages were determined in close association with pressure-temperature estimates for the Afyon Zone, as well as two other tectono-sedimentary units from the same continental passive margin (the Ören and Kurudere-Nebiler Units from SW Anatolia). For age determination, I employed 40Ar-39Ar geochronology on white mica in carpholite-bearing rocks. For thermobarometry, a multi-equilibrium approach was used based on quartz-chlorite-mica and quartz-chlorite-chloritoid associations formed at the expense of carpholite-bearing assemblages, i.e., during the exhumation from the subduction zone. This combination allows deciphering the significance of the calculated radiometric ages in terms of metamorphic conditions. Results show that the Afyon Zone and the Ören Unit represent a latest Cretaceous high-pressure metamorphic belt, and the Kurudere-Nebiler Unit was affected by subduction-related metamorphism around 45 Ma and cooled down after collision-related metamorphism around 26 Ma. The results provided in the present thesis and from the literature allow better understanding continental amalgamation in Western Anatolia. It is shown that at least two distinct oceanic branches, whereas only one was previously considered, have closed during continuous north-dipping subduction between 92 and 45 Ma. Between 85-80 and 70-65 Ma, a narrow continental domain (including the Afyon Zone) was buried into a subduction zone within the northern oceanic strand. Parts of the subducted continent crust were exhumed while the upper oceanic plate was transported southwards. Subduction of underlying lithosphere persisted, leading to the closure of the southern oceanic branch and to subduct the front of a second continental domain (including the Kurudere-Nebiler Unit). This followed by a continental collisional stage characterized by the cease of subduction, crustal thicknening and the detachment of the subducting oceanic slab from the accreted continent lithosphere. The present study supports that in the late Mesozoic the East Mediterranean realm had a complex tectonic configuration similar to present Southeast Asia or the Caribbean, with multiple, coexisting oceanic basins, microcontinents and subduction zones.
N2  - Kontinentale Subduktion resultiert aus dem Abtauchen des ozenanischen Gebiets einer tektonischen Platte in den Oberen Erdmantel. Dies geschieht obwohl die kontinentale Erdkruste normalerweise eine geringere Dichte besitzt als der Obere Erdmantel. Die Lage ehemaliger ozeanischer Gebiete (auch als Suturzonen bezeichnet) ist dementsprechend durch stratigraphische, sedimentäre Gesteinsabfolgen gekennzeichnet, die entlang des passiven Kontinentalrandes abgelagert wurden. Anschließend wurden diese Gesteine unter niedrigen Temperaturen und hohem Druck umgewandelt, auch niedrig-gradige Hochdruckmetamorphose genannt. Während der gesamten Zeitspanne des Mesozoikums und Känozoikums (seit etwa 250 Millionen Jahren bis heute) wurde der mediterrane Raum durch die kontinuierliche Schließung des Tethyschen Ozeans (dem heutigen Mittelmeer) geprägt, der vermutlich in zahlreichen kleineren Ozeanen und Mikrokontinenten aufgeteilt war. Dennoch bleiben die genaue Anzahl und Lage der tethyschen Ozeane und Kontinente (die Paläogeographie der Tethys) bis heute umstritten. Das ist insbesondere der Fall in West- und Zentral-Anatolien, wo im Zeitraum zwischen der Oberen Kreide (vor 98 bis 65 Mio. J.) und dem unteren Känozoikum (vor 65 bis 40 Mio. J.) ein kontinentales Fragment am südlichen Kontinentalrand der Eurasischen Platte angelagert wurde (auch als Akkretion bezeichnet). Der vorderste Bereich von diesem Fragment erfuhr vor etwa 85-80 Millionen Jahren eine metamorphe Umwandlung, die mit den Prozessen der fortschreitenden Subduktion assoziiert werden können. Hingegen wurden die hinteren Bereiche erst später vor ca. 40-30 Mio. J. durch die Kollison der zwei Platten metamorph überprägt. Die ungewöhnlich lange Zeitspanne von etwa 40-50 Mio. J. zwischen den metamorphen Prozessen der Subduktion und der Kollision, stellt eine entscheidende Frage zum Verständnis der Entstehung von Anatolien dar. Die Afyon Zone repräsentiert hierbei eine tektonisch-beanspruchte sedimentäre Gesteinseinheit, die in einer strukturell tieferen Position bezüglich des frontalen metamorphen Hochdruckgürtels liegt und südlich von ihm anzutreffen ist. Die Afyon Zone besteht aus mesozoischen sedimentären Einheiten (250 bis 65 Mio. J. alt), die auf präkambrischem (älter als 545 Mio. J.) bis paläozoischem Untergrund (bis vor 250 Mio J.) abgelagert wurden, und vom nordwestlichen bis zentralen Anatolien, entlang der vermutlichen Tethys-Suturzone, verfolgt werden können. Obwohl die Afyon-Zone als eine niedrig-temperierte metamorphe Gesteinseinheit bezeichnet wird, wurde in letzter Zeit von Vorkommen von Hochdruckmineralen (v.a. Eisen(Fe)-Magnesium(Mg)-Karpholith in metamorphen Sedimenten) im zentralen Bereich berichtet. Diese neuen Erkenntnisse stellen die bisherigen Interpretationen zur tektonisch-metamorphen Entstehung der gesamten Region in Frage, insbesondere der der Afyon-Zone. Deshalb war eine erneute gründliche Überarbeitung und Untersuchung der wenig studierten metamorph-überprägten Sedimentgesteine in diesem Gebiet notwendig. Deshalb, überarbeitete ich die metamorphe Entwicklung der gesamten Afyon Zone, beginnend mit intensiver Geländearbeit und -beobachtungen. Mineralvergesellschaftungen aus Karpholith und Glaukophan, die unter niedrigen Temperaturen und hohem Druck entstanden sind, wurden in der gesamten Gesteinseinheit gefunden. Guterhaltene Mineralvergesellschaftungen aus Karpholith und Chloritoid sind nützlich für das Verständnis unter welchen Temperatur- und Druck-Bedingungen die Gesteine in die Tiefe gelangen (prograde Metamorphose). Durch die Untersuchungen von Gesteinsgefügen und der Eisen-Magnesium-Verteilung zwischen den Mineralien Karpholith und Chloritoid lassen sich Aussagen zu der Bildungstemperatur und dem Druck dieser Minerale machen. Dafür benutzte ich eine verbesserte Datenbank mit Mineraleigenschaften, die mir die Modellierung von Temperatur und Druck erlaubte und im Einklang mit den chemischen und mikroskopischen Beobachtungen steht. Es ergab sich, dass die Karpholith-haltigen Gesteine in der Afyon-Zone einen Temperaturanstieg von 280 zu 380°C (bei einer Tiefe von 30-35 km) erfahren haben. Um noch bessere Aussagen über die Entstehung zu treffen, wurden auch radiometrische Datierungen an Proben aus der Afyon-Zone, sowie an zwei weiteren Sedimentgesteinseinheiten (Ören- und Kurudere-Nebiler-Einheit aus SW Anatolien) gemacht. Für die Altersbestimmung benutzte ich die weitverbreitete 40Ar-39Ar Datierungsmethode an Hellglimmer-Mineralien in den Karpholith-haltigen Gesteinen. Temperatur und Druck können auch bestimmt werden, wenn man den Übergang von einer Mineralvergesellschaftung zu einer anderen Vergesellschaftung beobachtet. Dies gilt zum Beispiel für den Übergang von einer Karpholith-haltigen Zusammensetzung zu einer Quartz-Chlorit-Glimmer und Quartz-Chlorit-Chloritoid Mineralvergesellschaftung wenn tief subduzierte Gesteine wieder nach oben gelangen (Exhumation). Damit lassen sich die radiometrischen Alter den metamorphen Prozessen zu bestimmten Temperaturen und Drücken zuordnen. Mit diesen Erkenntnissen lassen sich die Afyon-Zone und die Ören-Einheit einem Hochdruck-Gebirgsgürtel in der späten Kreidezeit zuordnen, während die Kurudere-Nebiler Einheit durch die mit der Subduktion in Verbindung stehende Metamorphose vor ca. 45 Mio. J. beeinflusst wurde. Später wurde diese Einheit durch die Metamorphose, resultierend aus der Kollision vor 26 Mio. J., abgekühlt. Die Ergebnisse dieser und anderer Arbeiten erlauben es die Anlagerung von Kontinenten in West-Anatolien besser zu verstehen. Es wird gezeigt, dass mindestens zwei (im Gegensatz zu vorher einem) voneinander unabhängige Ozeanarme während der Subduktion von 92 bis 45 Millionen Jahren geschlossen wurden. Zwischen 85-80 und 70-65 Millionen Jahren, wurde ein schmales kontinentales Gebiet (welches die Afyon-Zone beinhaltet) in die Subduktionszone hineingzogen. Teile der subduzierten kontientalen Kruste kamen wieder an die Oberfläche (Exhumation), während die obere ozeanische Platte südwärts transportiert wurde. Die anhaltende Subduktion im oberen Bereich des Erdmantels (Lithosphäre) führte zu der Schließung des südlichen Ozeanarms und zu der Subduktion des zweiten kontinentalen Gebietes (welches die Kurudere-Nebiler-Einheit beinhaltete). Darauf folgte die kontinentale Kollisionsphase unter dem Ausklingen der Prozesse der Subduktion, der Krustenverdickung und der Abtrennung der subduzierten ozeanischen Platte von der akkretionierten kontientalen Lithosphäre (auch als Delamination bezeichnet). Die hier präsentierte Arbeit unterstüzt die Annahme das während der Oberen Kreidezeit das Ost-Mediterrane Gebiet tektonsich komplex angeordnet war, vergleichbar mit dem heutigen Südost-Asien oder der Karibik, mit ihren vielen gleichzeitig existierenden ozeanischen Becken, Mikrokontinenten und Subduktionszonen.
KW  - Anatolien
KW  - hochdruckmetamorphe Sedimente
KW  - Karpholithe
KW  - 40Ar-39Ar Datierungsmethode
KW  - Anatolia
KW  - high-pressure metasediments
KW  - carpholite
KW  - Ar-Ar geochronology
KW  - multi-equilibrium thermobarometry
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57803
ER  - 
TY  - THES
A1  - Junginger, Annett
T1  - East African climate variability on different time scales : the Suguta Valley in the African-Asian Monsoon Domain
T1  - Ostafrikanische Klimavariabilität auf unterschiedlichen Zeitskalen : das Suguta Valley in der Afrikanisch-Asiatischen Monsun Region
N2  - Motivation | Societal and economic needs of East Africa rely entirely on the availability of water, which is governed by the regular onset and retreat of the rainy seasons. Fluctuations in the amounts of rainfall has tremendous impact causing widespread famine, disease outbreaks and human migrations. Efforts towards high resolution forecasting of seasonal precipitation and hydrological systems are therefore needed, which requires high frequency short to long-term analyses of available climate data that I am going to present in this doctoral thesis by three different studies. 15,000 years - Suguta Valley | The main study of this thesis concentrated on the understanding of humidity changes within the last African Humid Period (AHP, 14.8-5.5 ka BP). The nature and causes of intensity variations of the West-African (WAM) and Indian Summer monsoons (ISM) during the AHP, especially their exact influence on regional climate relative to each other, is currently intensely debated. Here, I present a high-resolution multiproxy lake-level record spanning the AHP from the remote Suguta Valley in the northern Kenya Rift, located between the WAM and ISM domains. The presently desiccated valley was during the AHP filled by a 300 m deep and 2200 km2 large palaeo-lake due to an increase in precipitation of only 26%. The record explains the synchronous onset of large lakes in the East African Rift System (EARS) with the longitudinal shift of the Congo Air Boundary (CAB) over the East African and Ethiopian Plateaus, as the direct consequence of an enhanced atmospheric pressure gradient between East-Africa and India due to a precessional-forced northern hemisphere insolation maximum. Pronounced, and abrupt lake level fluctuations during the generally wet AHP are explained by small-scale solar irradiation changes weakening this pressure gradient atmospheric moisture availability preventing the CAB from reaching the study area. Instead, the termination of the AHP occurred, in a non-linear manner due to a change towards an equatorial insolation maximum ca. 6.5 ka ago extending the AHP over Ethiopia and West-Africa. 200 years - Lake Naivasha | The second part of the thesis focused on the analysis of a 200 year-old sediment core from Lake Naivasha in the Central Kenya Rift, one of the very few present freshwater lakes in East Africa. The results revealed and confirmed, that the appliance of proxy records for palaeo-climate reconstruction for the last 100 years within a time of increasing industrialisation and therefore human impact to the proxy-record containing sites are broadly limited. Since the middle of the 20th century, intense anthropogenic activity around Lake Naivasha has led to cultural eutrophication, which has overprinted the influence of natural climate variation to the lake usually inferred from proxy records such as diatoms, transfer-functions, geochemical and sedimentological analysis as used in this study. The results clarify the need for proxy records from remote unsettled areas to contribute with pristine data sets to current debates about anthropologic induced global warming since the past 100 years. 14 years - East African Rift | In order to avoid human influenced data sets and validate spatial and temporal heterogeneities of proxy-records from East Africa, the third part of the thesis therefore concentrated on the most recent past 14 years (1996-2010) detecting climate variability by using remotely sensed rainfall data. The advancement in the spatial coverage and temporal resolutions of rainfall data allow a better understanding of influencing climate mechanisms and help to better interpret proxy-records from the EARS in order to reconstruct past climate conditions. The study focuses on the dynamics of intraseasonal rainfall distribution within catchments of eleven lake basins in the EARS that are often used for palaeo-climate studies. We discovered that rainfall in adjacent basins exhibits high complexities in the magnitudes of intraseasonal variability, biennial to triennial precipitation patterns and even are not necessarily correlated often showing opposite trends. The variability among the watersheds is driven by the complex interaction of topography, in particular the shape, length and elevation of the catchment and its relative location to the East African Rift System and predominant influence of the ITCZ or CAB, whose locations and intensities are dependent on the strength of low pressure cells over India, SST variations in the Atlantic, Pacific or Indian Ocean, QBO phases and the 11-year solar cycle. Among all seasons we observed, January-September is the season of highest and most complex rainfall variability, especially for the East African Plateau basins, most likely due to the irregular penetration and sensitivity of the CAB.
N2  - Motivation | Die sozialen und ökonomischen Bedürfnisse Ostafrikas sind in erster Linie von der Wasserverfügbarkeit abhängig, welche durch das regelmäßige Einsetzen der Regenzeiten bestimmt wird. Jegliche Veränderungen der Wasserverfügbarkeit innerhalb der Regenzeiten verursachen Hungersnöte, Ausbruch von Krankheiten oder auch Bevölkerungswanderungen. Klärung der Ursachen von Niederschlagsvariabilitäten erfordert die Auswertung von hochauflösenden Kurz- als auch Langzeitanalysen, welche ich in dieser Arbeit durch drei Studien präsentieren werde. 15,000 Jahre - Suguta Valley | Die Hauptstudie dieser Doktorarbeit befasste sich mit dem Verständnis von Feuchtigkeitsschwankungen innerhalb der Afrikanischen Feuchtperiode (AHP, 5.5 - 14.8 ka BP). In dieser Studie präsentiere ich einen hoch-auflösenden Seespiegel Datensatz aus dem abgeschiedenen, unbewohnten Suguta Tal im nördlichen Grabenbruch in Kenia. Das momentan extrem trockene Tal war während der AHP mit einem 300 m tiefen und 2200 km2 großen Paläo-See bedeckt, was aus nur 26% zusätzlichem Niederschlag resultierte. Diese Erhöhung wurde vermutlich aus der Kombination aus erhöhter atmosphärer Feuchteverfügbarkeit infolge erhöhter früh-Holozäner präzessionsgesteuerten Einstrahlung auf der nördlichen Hemisphere sowie der Verschiebung der feuchten Kongo Luftmassengrenze (CAB) ostwärts über das Ostafrikanische und Äthiopische Plateau erreicht als direkte Folge eines erhöhten atmosphärischen Druckgradienten. Abrupte, starkte Seespiegelschwankungen innerhalb der generellen Feuchtphase sind auf geringe Veränderungen in der solaren Ausstrahlung zurückzufühen, welche zu einer Schwächung des Druckgradienten führten und damit den Einfluss der CAB im Untersuchungsgebiet verhinderten zusammen mit einer allgemeinene Reduktion der atmosphärischen Feuchteverfügbarkeit. Das Ende der AHP erfolgte im Gegensatz dazu eher nicht-linear aufgrund des Wechsels zu einem äquatorialen Einstrahlungsmaximum vor 6.5 ka, welches die AHP in Äthiopien und West-Afrika verlängerte. 200 Jahre - Lake Naivasha | Der zweite Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Analyse eines Sedimentkern des Naivasha See aus dem zentralen Kenia Rift über die letzten 200 Jahre, einem der wenigen Frischwasserseen in Ostafrika. Die natürliche Klimavariabilität sollte mittels Proxy-Datensätzen von Diatomeen, Transferfunktionen, geochemischen und sedimentologischen Analysen in dieser Studie aufgedeckt werden. Die Ergebnisse zeigten, dass seit Mitte des 20. Jahrhundert der zunehmende Einfluss des Menschen um den Naivasha See zu kultureller Eutrophierung geführt, welche den Einfluss der natürlichen Klimavariabilität auf den See überprägte. Die Gründe liegen in der Zeit, welche von steigender Industrialisierung und deshalb erhöhtem menschlichen Einfluss auf die Proxy-Daten enthaltenden Seen geprägt ist. Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit von Proxy-Daten aus unbesiedelten Gebieten, wenn man ,reine‘ Daten zur momentanen Debatte über den anthropogen gesteuerten Klimawandel der letzten 100 Jahre beitragen will. 14 Jahre - Ostafrikanisches Rift | Um räumliche Unregelmäßigkeiten in Proxy-Daten von Ostafrika richtig zu verstehen, konzentrierte sich der dritte Teil dieser Arbeit auf die Auswertung von ausschließlich fernerkundlich erworbenen heutigen, täglichen Niederschlagsreihen (1996-2010). Dies erlaubt ein besseres Verständnis über die möglichen klimatischen Einflussmechanismen und die Abschätzung ihres Einflusses auf die Paläo-Variabilität. Die Studie beschäftigt sich mit der Dynamik saisonaler Niederschlagsverteilung innerhalb der Einzugsgebiete von elf Seebecken im Ostafrikanischen Riftsystem, welche oft für Paläo-Klimastudien benutzt werden. Die Studie ergab, dass Niederschläge in angrenzenden Becken tatsächlich höchst unterschiedlich in ihrer Intensität sein können und dabei zwei- bis dreijährigen Niederschlagsmuster folgen oder sogar gegensätzliche Trends zeigen. Die Variabilität der einzelnen Seebecken wird durch die komplexe Wechselwirkung der Topographie, Form, Länge und Höhe des Einzugsgebietes, der relativen Lage im EARS, sowie dem Einfluss und Intensität der ITCZ und CAB bestimmt, welche z.B. abhängig von der Entwicklung besonders starker Tiefdruckgebiet über Indien, Veränderungen der Meeres-oberflächentemperaturen, QBO und dem 11-Jahres Sonnenzyklus sind. Im direkten Vergleich aller untersuchten Monate stellte sich heraus, dass Juli-September die Jahreszeit mit komplexester Niederschlagsvariabilität ist, besonders für die Becken des Ostafrikanischen Plateau, was durch den unregelmäßigen Einfluss der CAB verursacht wird.
KW  - Ostafrikanisches Grabensystem
KW  - Suguta Tal
KW  - Kongo Luftmassengrenze
KW  - Solare Austrahlung
KW  - Naivasha See
KW  - East African Rift System
KW  - Suguta Valley
KW  - Congo Air Boundary
KW  - Solar irradiation
KW  - Lake Naivasha
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-56834
ER  - 
TY  - THES
A1  - Olaka, Lydia Atieno
T1  - Hydrology across scales : sensitivity of East African lakes to climate changes
T1  - Sensitivität auf Ostafrikanischen Riftseen zu Klimawandel
N2  - The lakes of the East African Rift System (EARS) have been intensively studied to better understand the influence of climate change on hydrological systems. The exceptional sensitivity of these rift lakes, however, is both a challenge and an opportunity when trying to reconstruct past climate changes from changes in the hydrological budget of lake basins on timescales 100 to 104 years. On one hand, differences in basin geometrics (shape, area, volume, depth), catchment rainfall distributions and varying erosion-deposition rates complicate regional interpretation of paleoclimate information from lacustrine sediment proxies. On the other hand, the sensitivity of rift lakes often provides paleoclimate records of excellent quality characterized by a high signal-to-noise ratio. This study aims at better understanding of the climate-proxy generating process in rift lakes by parameterizing the geomorphological and hydroclimatic conditions of a particular site providing a step towards the establishment of regional calibrations of transfer functions for climate reconstructions. The knowledge of the sensitivity of a lake basin to climate change furthermore is crucial for a better assessment of the probability of catastrophic changes in the future, which bear risks for landscapes, ecosystems, and organisms of all sorts, including humans. Part 1 of this thesis explores the effect of the morphology and the effective moisture of a lake catchment. The availability of digital elevation models (DEM) and gridded climate data sets facilitates the comparison of the morphological and hydroclimatic conditions of rift lakes. I used the hypsometric integral (HI) calculated from Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) data to describe the morphology of ten lake basins in Kenya and Ethiopia. The aridity index (AI) describing the difference in the precipitation/evaporation balance within a catchment was used to compare the hydroclimatic of these basins. Correlating HI and AI with published Holocene lake-level variations revealed that lakes responding sensitively to relatively moderate climate change are typically graben shaped and characterized by a HI between 0.23-0.30, and relatively humid conditions with AI >1. These amplifier lakes, a term first introduced but not fully parameterized by Alayne Street-Perrott in the early 80s, are unexceptionally located in the crest of the Kenyan and Ethiopian domes. The non-amplifier lakes in the EARS either have lower HI 0.13-0.22 and higher AI (>1) or higher HI (0.31-0.37) and low AI (<1), reflecting pan-shaped morphologies with more arid hydroclimatic conditions. Part 2 of this work addresses the third important factor to be considered when using lake-level and proxy records to unravel past climate changes in the EARS: interbasin connectivity and groundwater flow through faulted and porous subsurface lithologies in a rift setting. First, I have compiled the available hydrogeological data including lithology, resistivity and water-well data for the adjacent Naivasha and Elmenteita-Nakuru basins in the Central Kenya Rift. Using this subsurface information and established records of lake-level decline at the last wet-dry climate transitions, i.e., the termination of the African Humid Period (AHP, 15 to 5 kyr BP), I used a linear decay model to estimate typical groundwater flow between the two basins. The results suggest a delayed response of the groundwater levels of ca. 5 kyrs if no recharge of groundwater occurs during the wet-dry transition, whereas the lag is 2-2.7 kyrs only using the modern recharge of ca. 0.52 m/yr. The estimated total groundwater flow from higher Lake Naivasha (1,880 m a.s.l. during the AHP) to Nakuru-Elmenteita (1,770 m) was 40 cubic kilometers. The unexpectedly large volume, more than half of the volume of the paleo-Lake Naivasha during the Early Holocene, emphasizes the importance of groundwater in hydrological modeling of paleo-lakes in rifts. Moreover, the subsurface connectivity of rift lakes also causes a significant lag time to the system introducing a nonlinear component to the system that has to be considered while interpreting paleo-lake records. Part 3 of this thesis investigated the modern intraseasonal precipitation variability within eleven lake basins discussed in the first section of the study excluding Lake Victoria and including Lake Tana. Remotely sensed rainfall estimates (RFE) from FEWS NET for 1996-2010, are used for the, March April May (MAM) July August September (JAS), October November (ON) and December January February (DJF). The seasonal precipitation are averaged and correlated with the prevailing regional and local climatic mechanisms. Results show high variability with Biennial to Triennial precipitation patterns. The spatial distribution of precipitation in JAS are linked to the onset and strength of the Congo Air Boundary (CAB) and Indian Summer Monsoon (ISM) dynamics. while in ON they are related to the strength of Positive ENSO and IOD phases This study describes the influence of graben morphologies, extreme climate constrasts within catchments and basins connectivity through faults and porous lithologies on rift lakes. Hence, it shows the importance of a careful characterization of a rift lake by these parameters prior to concluding from lake-level and proxy records to climate changes. Furthermore, this study highlights the exceptional sensitivity of rift lakes to relatively moderate climate change and its consequences for water availability to the biosphere including humans.
N2  - Die Seen des Ostafrikanischen Riftsystems (EARS) wurden bereits intensiv untersucht, um den Einfluss des Klimawandels auf das hydrologische Systeme besser verstehen zu können. Dabei stellt die außergewöhnliche Sensitivität dieser Riftseen sowohl eine Herausforderung als auch eine Möglichkeit dar, um den historischen Klimawandel von dem hydrologischen Budget der Seebecken auf Zeitskalen von 10 bis 10000 Jahre abzuleiten. Auf der einen Seite verkomplizieren verschiedene Beckengeometrien (Form, Fläche, Volumen, Tiefe), unterschiedliche Niederschlagsverteilungen der einzelnen Zuflüsse und variierende Erosions- und Sedimentationsraten, die aus den Informationen von Seesedimenten generierten, regionalen Interpretationen des Paleoklimas. Andererseits ergibt sich aus der hohen Sensitivität der Riftseen eine exzellente Datenqualität, was sich in dem hohen Signal - Rausch-Verhältnis widerspiegelt. Das Ziel meiner Untersuchungen ist das verbesserte Verständlichkeit der Klimainformationen generierenden Prozesse in den Riftseen als Voraussetzung für weitere Klimarekonstruktion. Fortschritte gab es vor allem in der Entwicklung von regionalen Kalibrationen durch die Parametrisierung der geomorphologischen und hydroklimatischen Gegebenheiten einer wichtigen Lokalität, wodurch es jetzt möglich ist, von Sedimentfunden auf die Umgebungsbedingungen Rückschlüsse zu ziehen. Das Wissen um die Reaktion der Seebecken auf Klimaschwankungen ist unerlässlich für eine bessere Abschätzung der Wahrscheinlichkeit von katastrophalen Änderungen in der Zukunft:ein Szenario das sowohl für Umwelt, Ökosysteme und Organismen, einschließlich des Menschen, Risiken birgt. Im ersten Teil meiner Doktorarbeit untersuche ich den Effekt der Morphologie und der effektiven Feuchtigkeit auf das Einzugsgebiet eines Sees. Die Verfügbarkeit von digitalen Höhenmodellen (DEM) und gerasterten Klimadatensätzen ermöglicht den Vergleich von morphologischen und hydroklimatischen Bedingungen der Riftseen. Ich nutzte das hypsometrische Integral (HI), berechnet aus Daten der “Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)”, um die Morphologie von zehn Seebecken in Kenia und Äthopien zu beschreiben. Der Dürreindex (AI), der die Differenz von Niederschlag zu Verdunstung innerhalb eines Einzugsgebietes beschreibt, wurde benutzt, um das Hydroklima dieser Becken zu vergleichen. Die Korrelation von hypsometrischem Integral und Dürreindex mit publizierten holozänen Seespiegelschwankungen zeigte, dass vor allem Seen mit kleiner Oberfläche und großer Tiefe (Grabenform), charakterisiert durch ein HI von 0.23-0.30 und feuchte Bedingungen mit einem AI > 1, empfindlich auf relativ moderate Klimaänderungen reagieren. Diese “verstärkenden” Seen (amplifier lakes), ein Begriff der von Alayne Street-Perrott in den Achzigerjahren eingeführt wurde aber bis heute nicht völlig quantitativ definiert ist, sind ohne Ausnahme in den tiefen Gräben der kenianischen und äthiopischen Dome zu finden. Seen innerhalb des EARS, die nicht derart empfindlich reagieren, haben entweder ein niedrigeres HI von 0.13-0.22 und einen höheren AI (>1) oder ein höherers HI (0.31-0.37) aber einen niedrigen AI (<1) und zeigen großflächige, flache Morphologien (Pfannenform) unter trockenen klimatischen Bedingungen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem weiteren wichtigen Faktor innerhalb der Klimarekonstruktion, wenn Seespiegelschwankungen und indirekte Messungen (Proxies) betrachtet werden:den störungsbezogenen und porösen Gesteinsschichten geschuldeten Grundwasserverbindungen zwischen den Becken. Als erstes habe ich die vorhandenen hydrogeologischen Daten bestehend aus den Gesteinsformationen, deren Widerstandsfähigkeit und den wasserbezogenen Bohrdaten für die Seen Naivasha und Elementaita-Nakuru zusammengestellt. Mit diesen bereits etablierten Untergrunddaten, z.B. zum Seespiegelrückgang am letzten Übergang von feuchtem zum trockeneren Klima am Ende der afrikanischen Feuchtperiode (AHP) um 15000 bis 5000 Jahre vor heute, schätzte ich den typischen Grundwasserfluss zwischen den beiden benachbarten Becken mittels eines linearen Modells ab. Die Ergebnisse zeigen eine Zeitverzögerung der Grundwasserspiegelanpassung um ca. 5000 Jahre an, falls keine Auffüllung der Grundwasserzufuhr zum Ende der letzten Feuchtperiode eintrat. In heutiger Zeit, ist bedingt durch die Grundwassererzufuhr von ca. 0.52 m/Jahr, nur eine Zeitverzögerung um ca. 2000-2700 Jahre zu sehen. Der geschätzte totale Grundwasserfluss vom höher gelegenden Naivasha See (1880 m über dem Meeresspiegel zum Ende der AHP) zum Elementaita-Nakuru See (1770 m) betrug 40 km3. Dieses unerwartet große Volumen, mehr als die Hälfte des Volumens vom Naivasha See während des frühen Holozäns, verdeutlicht, dass das Grundwasser für die hydrologische Modellierung von Paleoseen in Riftgebieten unbedingt mit einbezogen werden muss. Darüber hinaus führt die Grundwasserverbindung dieser Riftseen zu einer Zeitverzögerung in deren Reaktionen, was eine nichtlineare Komponente darstellt und bei jeder Interpretation von Paleoseespiegeldaten beachtet werden muss. Der dritte Teil dieser Arbeit untersucht die intrasaisonale Niederschlagsvariabilität innerhalb von 11 Einzugsgebieten die im ersten Teil Arbeit vorgestellt wurden, mit Ausnahme des Viktoriasees, aber inklusive des Tanasees. Aus Satellitenbilddaten des FEWS NET der Jahre 1996-2010 wurden Niederschlagsabschätzungen für die Monatsreihen März-April-Mai (MAM), Juli-August-September (JAS), Oktober-November (ON) und Dezember-Januar-Februar (DJF) berechnet. Der jahreszeitliche Niederschlag wurde gemittelt und mit den dominierenden regionalen und lokalen Klimafaktoren korreliert. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche zwei- bis dreijährige Niederschlagsvariabilität. Die räumliche Niederschlagsverteilung innerhalb des Ostafrikanische Rifts im JAS ist an die Ausbildung und Stärke der Kongoluftmassengrenze (CAB) und an die Dynamik des Indischen Sommermonsuns gekoppelt, während sie im ON an die Stärke der positiven ENSO und IOD Phasen gebunden ist. Diese Doktorarbeit beschreibt den Einfluss von Grabenmorphologien, extremen Klimakontrasten innerhalb der Zuflussgebiete und die unterirdischen Beckenverbindung durch Störungszonen und poröse Gesteinsschichten zwischen den Riftseen. Damit zeigt sie die Unerlässlichkeit einer genauen Charakterisierung von Riftseen durch morphologische und klimatische Parameter, bevor von Seespiegelschwankungen und indirekten Datensätzen auf Klimaänderungen geschlossen werden kann. Desweiteren stellt diese Arbeit die hohe Empfindsamkeit dieser Seen gegenüber relativ moderaten Klimaänderungen und deren Konsequenzen für die insgesamte Wasserverfügbarkeit heraus.
KW  - Ostafrikanisches Riftsystem
KW  - Klima
KW  - verstärkende Seen
KW  - Grundwasser
KW  - Skalierung
KW  - East African Rift System
KW  - Climate
KW  - Amplifier Lakes
KW  - Groundwater
KW  - Scaling
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-55029
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gräff, Thomas
T1  - Soil moisture dynamics and soil moisture controlled runoff processes at different spatial scales : from observation to modelling
T1  - Bodenfeuchtedynamik und deren Einfluss auf Abflussprozesse in unterschiedlichen Skalen : von der Beobachtung zur Modellierung
N2  - Soil moisture is a key state variable that controls runoff formation, infiltration and partitioning of radiation into latent and sensible heat. However, the experimental characterisation of near surface soil moisture patterns and their controls on runoff formation remains a challenge. This subject was one aspect of the BMBF-funded OPAQUE project (operational discharge and flooding predictions in head catchments). As part of that project the focus of this dissertation is on: (1) testing the methodology and feasibility of the Spatial TDR technology in producing soil moisture profiles along TDR probes, including an inversion technique of the recorded signal in heterogeneous field soils, (2) the analysis of spatial variability and temporal dynamics of soil moisture at the field scale including field experiments and hydrological modelling, (3) the application of models of different complexity for understanding soil moisture dynamics and its importance for runoff generation as well as for improving the prediction of runoff volumes. To fulfil objective 1, several laboratory experiments were conducted to understand the influence of probe rod geometry and heterogeneities in the sampling volume under different wetness conditions. This includes a detailed analysis on how these error sources affect retrieval of soil moisture profiles in soils. Concerning objective 2 a sampling strategy of two TDR clusters installed in the head water of the Wilde Weißeritz catchment (Eastern Ore Mountains, Germany) was used to investigate how well “the catchment state” can be characterised by means of distributed soil moisture data observed at the field scale. A grassland site and a forested site both located on gentle slopes were instrumented with two Spatial TDR clusters that consist of up to 39 TDR probes. Process understanding was gained by modelling the interaction of evapotranspiration and soil moisture with the hydrological process model CATFLOW. A field scale irrigation experiment was carried out to investigate near subsurface processes at the hillslope scale. The interactions of soil moisture and runoff formation were analysed using discharge data from three nested catchments: the Becherbach with a size of 2 km², the Rehefeld catchment (17 km²) and the superordinate Ammelsdorf catchment (49 km²). Statistical analyses including observations of pre-event runoff, soil moisture and different rainfall characteristics were employed to predict stream flow volume. On the different scales a strong correlation between the average soil moisture and the runoff coefficients of rainfall-runoff events could be found, which almost explains equivalent variability as the pre-event runoff. Furthermore, there was a strong correlation between surface soil moisture and subsurface wetness with a hysteretic behaviour between runoff soil moisture. To fulfil objective 3 these findings were used in a generalised linear model (GLM) analysis which combines state variables describing the catchments antecedent wetness and variables describing the meteorological forcing in order to predict event runoff coefficients. GLM results were compared to simulations with the catchment model WaSiM ETH. Hereby were the model results of the GLMs always better than the simulations with WaSiM ETH. The GLM analysis indicated that the proposed sampling strategy of clustering TDR probes in typical functional units is a promising technique to explore soil moisture controls on runoff generation and can be an important link between the scales. Long term monitoring of such sites could yield valuable information for flood warning and forecasting by identifying critical soil moisture conditions for the former and providing a better representation of the initial moisture conditions for the latter.
N2  - Abflussentwicklung, Infiltration und die Umverteilung von Strahlung in latenten und sensiblen Wärmestrom werden maßgeblich durch die Bodenfeuchte der vadosen Zone gesteuert. Trotz allem, gibt s wenig Arbeiten die sich mit der experimentellen Charakterisierung der Bodenfeuchteverteilung und ihre Auswirkung auf die Abflussbildung beschäftigen. Der Fokus dieser Dissertation wurde darauf ausgerichtet: (1) die Methode des Spatial TDR und deren Anwendbarkeit einschließlich der Inversion des TDR Signals in heterogenen Böden zu prüfen, (2) die Analyse der räumlichen und zeitlichen Dynamik der Bodenfeuchte auf der Feldskala einschließlich Feldexperimenten und hydrologischer Modellierung, (3) der Aufbau verschiedener Modellanwendungen unterschiedlicher Komplexität um die Bodenfeuchtedynamiken und die Abflussentwicklung zu verstehen und die Vorhersage des Abflussvolumens zu verbessern. Um die Zielsetzung 1 zu erreichen, wurden verschiedene Laborversuche durchgeführt. Hierbei wurde der Einfluss der Sondenstabgeometrie und verschiedener Heterogenitäten im Messvolumen bei verschiedenen Feuchtegehalten untersucht. Dies beinhaltete eine detaillierte Analyse wie diese Fehlerquellen die Inversion des Bodenfeuchteprofils beeinflussen. Betreffend der Zielsetzung 2, wurden 2 TDR-Cluster in den Quellgebieten der Wilden Weißeritz installiert (Osterzgebirge) und untersucht, wie gut der Gebietszustand mit räumlich hochaufgelösten Bodenfeuchtedaten der Feldskala charakterisiert werden kann. Um die Interaktion zwischen Evapotranspiration und Bodenfeuchte zu untersuchen wurde das hydrologische Prozessmodell CATFLOW angewendet. Ein Beregnungsversuch wurde durchgeführt um die Zwischenabflussprozesse auf der Hangskala zu verstehen. Die Interaktion zwischen Bodenfeuchte und Abflussentwicklung wurde anhand von drei einander zugeordneten Einzugsgebieten analysiert. Statistische Analysen unter Berücksichtigung von Basisabfluss, Bodenvorfeuchte und verschiedenen Niederschlagscharakteristika wurden verwendet, um auf das Abflussvolumen zu schließen. Auf den verschiedenen Skalen konnte eine hohe Korrelation zwischen der mittleren Bodenfeuchte und dem Abflussbeiwert der Einzelereignisse festgestellt werden. Hierbei konnte die Bodenfeuchte genauso viel Variabilität erklären wie der Basisabfluss. Im Hinblick auf Zielsetzung 3 wurden “Generalised liner models” (GLM) genutzt. Dabei wurden Prädiktorvariablen die den Gebietszustand beschreiben und solche die die Meteorologische Randbedingungen beschreiben genutzt um den Abflussbeiwert zu schätzen. Die Ergebnisse der GLMs wurden mit Simulationsergebnissen des hydrologischen Gebietsmodells WaSiM ETH verglichen. Hierbei haben die GLMs eindeutig bessere Ergebnisse geliefert gegenüber den WaSiM Simulationen. Die GLM Analysen haben aufgezeigt, dass die verwendete Messstrategie mehrerer TDR-Cluster in typischen funktionalen Einheiten eine viel versprechende Methode ist, um den Einfluss der Bodenfeuchte auf die Abflussentwicklung zu verstehen und ein Bindeglied zwischen den Skalen darstellen zu können. Langzeitbeobachtungen solcher Standorte sind in der Lage wichtige Zusatzinformationen bei der Hochwasserwarnung und -vorhersage zu liefern durch die Identifizierung kritischer Gebietszustände für erstere und eine bessere Repräsentation der Vorfeuchte für letztere.
KW  - Bodenfeuchte
KW  - TDR
KW  - Heterogenität
KW  - Einzugsgebiet
KW  - Gebietszustand
KW  - Soil moisture
KW  - TDR
KW  - heterogeneity
KW  - catchment
KW  - runoff
KW  - catchment state
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-54470
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Donner, Stefanie
A1  - Rößler, Dirk
A1  - Krüger, Frank
A1  - Ghods, Abdolreza
A1  - Strecker, Manfred
T1  - Source mechanisms of the 2004 Baladeh (Iran) earthquake sequence from Iranian broadband and short-period data and seismotectonic implications
N2  - The northward movement and collision of the Arabian plate with Eurasia generates compressive stresses and resulting shortening in Iran. Within the Alborz Mountains, North Iran, a complex and not well understood system of strike-slip and thrust faults accomodates a fundamental part of the NNE-SSW oriented shortening. On 28th of May 2004 the Mw 6.3 Baladeh earthquake hit the north-central Alborz Mountains. It is one of the rare and large events in this region in modern time and thus a seldom chance to study earthquake mechanisms and the local ongoing deformation processes. It also demonstrated the high vulnerability of this densily populated region.
KW  - Momententensoren
KW  - Inversion
KW  - Baladeh
KW  - Iran
KW  - moment tensors
KW  - inversion
KW  - Baladeh
KW  - Iran
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53982
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Busch, Jan Philip
A1  - Meißner, Tobias
A1  - Potthoff, Annegret
A1  - Oswald, Sascha
T1  - Plating of nano zero-valent iron (nZVI) on activated carbon : a fast delivery method of iron for source remediation?
N2  - The use of nano zerovalent iron (nZVI) for environmental remediation is a promising new technique for in situ remediation. Due to its high surface area and high reactivity, nZVI is able to dechlorinate organic contaminants and render them harmless. Limited mobility, due to fast aggregation and sedimentation of nZVI, limits the capability for source and plume remediation. Carbo-Iron is a newly developed material consisting of activated carbon particles (d50 = 0,8 µm) that are plated with nZVI particles. These particles combine the mobility of activated carbon and the reactivity of nZVI. This paper presents the first results of the transport experiments.
N2  - Der Einsatz von elementarem Nanoeisen ist eine vielversprechende Technik zur Sanierung von Altlastenschadensfällen. Aufgrund der hohen Oberfläche und der hohen Reaktivität kannn ZVI chlororganische Schadstoffe dechlorieren und zu harmlosen Substanzen umwandeln. Der Einsatz von Nanoeisen zur Quellen- und Fahnensanierung wird jedoch durch mangelnde Mobilität im Boden im eingeschränkt. Carbo-Iron ist ein neu entwickeltes Material, das aus Aktivkohlepartikeln (d50 = 0,8 µm) und nZVI besteht. Diese Partikel kombinieren die Mobilit ät von Aktivkohle mit der Reaktivität von nZVI. Dieser Artikel beschreibt erste Ergebnisse von Transportuntersuchungen.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 165 
KW  - Carbo-Iron
KW  - Nanoeisen
KW  - nZVI
KW  - Grundwassersanierung
KW  - Carbo-Iron
KW  - nano zero-valent iron
KW  - nZVI
KW  - remediation
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53792
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Hiemer, Stefan
A1  - Rößler, Dirk
A1  - Scherbaum, Frank
T1  - Catalog of Swarm Earthquakes in Vogtland /West Bohemia in 2008/09
N2  - The document contains the catalog of earthquakes in Vogtland /West Bohemia within the period of 2008/10/19 -to- 2009/03/16. The events were recorded by a seismic mini-array operated by the Institute of Earthsciences, University of Postdam.
N2  - Das Dokument enthält einen Katalog von Erdbeben im Vogtland/Westböhmen im Zeitraum 2008/10/19 -bis- 2009/03/16. Die Erdbeben wurden mit Hilfe eines seismologischen Miniarrays, welches vom Institut für Geowissenschaften, Universität Potsdam, aufgestellt wurde, registriert.
KW  - Vogtland/Westböhmen
KW  - Erdbebenschwarm 2008/09
KW  - Arrayseismologie
KW  - Erdbebenkatalog
KW  - Vogtland/West Bohemia
KW  - earthquake swarm 2008/09
KW  - array seismology
KW  - earthquake catalog
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53837
ER  - 
TY  - THES
A1  - Strollo, Angelo
T1  - Development of techniques for earthquake microzonation studies in different urban environment
T1  - Entwicklung von Techniken für Mikrozonierungsstudien von Erdbeben in verschiedenen städtischen Umgebungen
N2  - The proliferation of megacities in many developing countries, and their location in areas where they are exposed to a high risk from large earthquakes, coupled with a lack of preparation, demonstrates the requirement for improved capabilities in hazard assessment, as well as the rapid adjustment and development of land-use planning. In particular, within the context of seismic hazard assessment, the evaluation of local site effects and their influence on the spatial distribution of ground shaking generated by an earthquake plays an important role. It follows that the carrying out of earthquake microzonation studies, which aim at identify areas within the urban environment that are expected to respond in a similar way to a seismic event, are essential to the reliable risk assessment of large urban areas. Considering the rate at which many large towns in developing countries that are prone to large earthquakes are growing, their seismic microzonation has become mandatory. Such activities are challenging and techniques suitable for identifying site effects within such contexts are needed. In this dissertation, I develop techniques for investigating large-scale urban environments that aim at being non-invasive, cost-effective and quickly deployable. These peculiarities allow one to investigate large areas over a relative short time frame, with a spatial sampling resolution sufficient to provide reliable microzonation. Although there is a negative trade-off between the completeness of available information and extent of the investigated area, I attempt to mitigate this limitation by combining two, what I term layers, of information: in the first layer, the site effects at a few calibration points are well constrained by analyzing earthquake data or using other geophysical information (e.g., shear-wave velocity profiles); in the second layer, the site effects over a larger areal coverage are estimated by means of single-station noise measurements. The microzonation is performed in terms of problem-dependent quantities, by considering a proxy suitable to link information from the first layer to the second one. In order to define the microzonation approach proposed in this work, different methods for estimating site effects have been combined and tested in Potenza (Italy), where a considerable amount of data was available. In particular, the horizontal-to-vertical spectral ratio computed for seismic noise recorded at different sites has been used as a proxy to combine the two levels of information together and to create a microzonation map in terms of spectral intensity ratio (SIR). In the next step, I applied this two-layer approach to Istanbul (Turkey) and Bishkek (Kyrgyzstan). A similar hybrid approach, i.e., combining earthquake and noise data, has been used for the microzonation of these two different urban environments. For both cities, after having calibrated the fundamental frequencies of resonance estimated from seismic noise with those obtained by analysing earthquakes (first layer), a fundamental frequency map has been computed using the noise measurements carried out within the town (second layer). By applying this new approach, maps of the fundamental frequency of resonance for Istanbul and Bishkek have been published for the first time. In parallel, a microzonation map in terms of SIR has been incorporated into a risk scenario for the Potenza test site by means of a dedicated regression between spectral intensity (SI) and macroseismic intensity (EMS). The scenario study confirms the importance of site effects within the risk chain. In fact, their introduction into the scenario led to an increase of about 50% in estimates of the number of buildings that would be partially or totally collapsed. Last, but not least, considering that the approach developed and applied in this work is based on measurements of seismic noise, their reliability has been assessed. A theoretical model describing the self-noise curves of different instruments usually adopted in microzonation studies (e.g., those used in Potenza, Istanbul and Bishkek) have been considered and compared with empirical data recorded in Cologne (Germany) and Gubbio (Italy). The results show that, depending on the geological and environmental conditions, the instrumental noise could severely bias the results obtained by recording and analysing ambient noise. Therefore, in this work I also provide some guidelines for measuring seismic noise.
N2  - Aufgrund des enormen Wachstums neuer Megastädte und deren Vordringen in gefährdete Gebiete auf der einen Seite sowie der mangelnden Erdbebenvorsorge in vielen Entwicklungsländern auf der anderen Seite sind verbesserte Verfahren für die Beurteilung der Gefährdung sowie eine rasche Umsetzung bei der Raumplanung erforderlich. Im Rahmen der seismischen Gefährdungsabschätzung spielt insbesondere die Beurteilung lokaler Standorteffekte und deren Einfluss auf die durch ein Erdbeben verursachte räumliche Verteilung der Bodenerschütterung eine wichtige Rolle. Es ist daher unabdingbar, mittels seismischer Mikrozonierungsstudien diejenigen Bereiche innerhalb dicht besiedelter Gebiete zu ermitteln, in denen ein ähnliches Verhalten im Falle seismischer Anregung erwartet wird, um daraus eine zuverlässige Basis bei der Risikoabschätzung großer städtischer Gebiete zu erhalten. Aufgrund des schnellen Wachstums vieler Großstädte in Entwicklungsländern ist eine seismische Mikrozonierung zwingend erforderlich, stellt aber auch eine große Herausforderung dar; insbesondere müssen Verfahren verfügbar sein, mit deren Hilfe rasch eine Abschätzung der Standorteffekte durchgeführt werden kann. In der vorliegenden Arbeit entwickle ich daher Verfahren für die Untersuchung in Großstädten, die darauf abzielen, nicht-invasiv, kostengünstig und schnell durchführbar zu sein. Damit lassen sich innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums große Gebiete untersuchen, falls der räumlichen Abstand zwischen den Messpunkten klein genug ist, um eine zuverlässige Mikrozonierung zu gewährleisten. Obwohl es eine gegenläufige Tendenz zwischen der Vollständigkeit aller Informationen und der Größe des untersuchten Gebiets gibt, versuche ich, diese Einschränkung durch Verknüpfung zweier Informationsebenen zu umgehen: In der ersten Ebene werden die Standorteffekte für einige Kalibrierungspunkte durch die Analyse von Erdbeben oder mittels anderer geophysikalischer Datensätze (z.B. Scherwellengeschwindigkeitsprofile) bestmöglich abgeschätzt, in der zweiten Ebene werden die Standorteffekte durch Einzelstationsmessungen des seismischen Rauschens für ein größeres Gebiet bestimmt. Die Mikrozonierung erfolgt hierbei mittels spezifischer, fallabhängiger Parameter unter Berücksichtigung eines geeigneten Anknüpfungspunktes zwischen den beiden Informationensebenen. Um diesen Ansatz der Mikrozonierung, der in dieser Arbeit verfolgt wurde, zu präzisieren, wurden in Potenza (Italien), wo eine beträchtliche Menge an Daten verfügbar war, verschiedene Verfahren untersucht. Insbesondere kann das Spektralverhältnis zwischen den horizontalen und vertikalen Seismometerkomponenten, welche für das seismische Rauschen an mehreren Orten aufgenommen wurde, als eine erste Näherung für die relative Verstärkung der Bodenbewegung verwendet werden, um darauf aufbauend die beiden Informationsebenen zu verknüpfen und eine Mikrozonierung hinsichtlich des Verhältnisses der spektralen Intensität durchzuführen. Anschließend führte ich diesen Zwei-Ebenen-Ansatz auch für Istanbul (Türkei) und Bischkek (Kirgisistan) durch. Für die Mikrozonierung dieser beiden Städte habe ich denselben Hybridansatz, der Daten von Erdbeben und von seismischem Rauschen verbindet, verwendet. Für beide Städte wurde nach Gegenüberstellung der Resonanzfrequenz des Untergrunds, die zum einen mit Hilfe des seismischen Rauschens, zum anderen durch Analyse von Erdbebendaten bestimmt worden ist (erste Ebene), eine Karte der Resonanzfrequenz unter Verwendung weiterer Messungen des seismischen Rauschens innerhalb des Stadtgebiets erstellt (zweite Ebene). Durch die Anwendung dieses neuen Ansatzes sind vor kurzem zum ersten Mal auch Karten für die Resonanzfrequenz des Untergrunds für Istanbul und Bischkek veröffentlicht worden. Parallel dazu wurde für das Testgebiet in Potenza eine auf dem spektralen Intensitätsverhältnis (SIR) basierende Mikrozonierungskarte in ein Risikoszenario mittels der Regression zwischen SIR und makroseismischer Intensität (EMS) integriert. Diese Szenariostudie bestätigt die Bedeutung von Standorteffekten innerhalb der Risikokette; insbesondere führt deren Einbeziehung in das Szenario zu einem Anstieg von etwa 50% bei der Zahl der Gebäude, für die ein teilweiser oder gar vollständiger Zusammenbruch erwartet werden kann. Abschließend wurde der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und angewandte Ansatz auf seine Zuverlässigkeit geprüft. Ein theoretisches Modell, das zur Beschreibung des Eigenrauschens verschiedener Instrumente, die in der Regel in Mikrozonierungsstudien (z. B. in Potenza, Istanbul und Bischkek) zum Einsatz kommen, wurde untersucht, und die Ergebnisse wurden mit Daten verglichen, die vorher bereits in Köln (Deutschland) und Gubbio (Italien) aufgenommen worden waren. Die Ergebnisse zeigen, dass abhängig von den geologischen und umgebenden Bedingungen das Eigenrauschen der Geräte die Ergebnisse bei der Analyse des seismischen Rauschens stark verzerren kann. Deshalb liefere ich in dieser Arbeit auch einige Leitlinien für die Durchführung von Messungen des seismischen Rauschens.
KW  - instrumentelle Seismologie
KW  - Standorteffekte
KW  - Korrelation
KW  - seismische Rauschen
KW  - instrumental seismology
KW  - site effects
KW  - correlation
KW  - seismic noise
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53807
ER  - 
TY  - THES
A1  - Höchner, Andreas
T1  - GPS based analysis of earthquake induced phenomena at the Sunda Arc
T1  - GPS-basierte Analyse erdbebeninduzierter Phänomene am Sundabogen
N2  - Indonesia is one of the countries most prone to natural hazards. Complex interaction of several tectonic plates with high relative velocities leads to approximately two earthquakes with magnitude Mw>7 every year, being more than 15% of the events worldwide. Earthquakes with magnitude above 9 happen far more infrequently, but with catastrophic effects. The most severe consequences thereby arise from tsunamis triggered by these subduction-related earthquakes, as the Sumatra-Andaman event in 2004 showed. In order to enable efficient tsunami early warning, which includes the estimation of wave heights and arrival times, it is necessary to combine different types of real-time sensor data with numerical models of earthquake sources and tsunami propagation. This thesis was created as a result of the GITEWS project (German Indonesian Tsunami Early Warning System). It is based on five research papers and manuscripts. Main project-related task was the development of a database containing realistic earthquake scenarios for the Sunda Arc. This database provides initial conditions for tsunami propagation modeling used by the simulation system at the early warning center. An accurate discretization of the subduction geometry, consisting of 25x150 subfaults was constructed based on seismic data. Green’s functions, representing the deformational response to unit dip- and strike slip at the subfaults, were computed using a layered half-space approach. Different scaling relations for earthquake dimensions and slip distribution were implemented. Another project-related task was the further development of the ‘GPS-shield’ concept. It consists of a constellation of near field GPS-receivers, which are shown to be very valuable for tsunami early warning. The major part of this thesis is related to the geophysical interpretation of GPS data. Coseismic surface displacements caused by the 2004 Sumatra earthquake are inverted for slip at the fault. The effect of different Earth layer models is tested, favoring continental structure. The possibility of splay faulting is considered and shown to be a secondary order effect in respect to tsunamigenity for this event. Tsunami models based on source inversions are compared to satellite radar altimetry observations. Postseismic GPS time series are used to test a wide parameter range of uni- and biviscous rheological models of the asthenosphere. Steady-state Maxwell rheology is shown to be incompatible with near-field GPS data, unless large afterslip, amounting to more than 10% of the coseismic moment is assumed. In contrast, transient Burgers rheology is in agreement with data without the need for large aseismic afterslip. Comparison to postseismic geoid observation by the GRACE satellites reveals that even with afterslip, the model implementing Maxwell rheology results in amplitudes being too small, and thus supports a biviscous asthenosphere. A simple approach based on the assumption of quasi-static deformation propagation is introduced and proposed for inversion of coseismic near-field GPS time series. Application of this approach to observations from the 2004 Sumatra event fails to quantitatively reconstruct the rupture propagation, since a priori conditions are not fulfilled in this case. However, synthetic tests reveal the feasibility of such an approach for fast estimation of rupturing properties.
N2  - Indonesien ist eines der am stärksten von Naturkatastrophen bedrohten Länder der Erde. Die komplexe Interaktion mehrer tektonischer Platten, die sich mit hohen Relativgeschwindigkeiten zueinander bewegen, führt im Mittel zu ungefähr zwei Erdbeben mit Magnitude Mw>7 pro Jahr, was mehr als 15% der Ereignisse weltweit entspricht. Beben mit Magnitude über 9 sind weitaus seltener, haben aber katastrophale Folgen. Die schwerwiegendsten Konsequenzen hierbei werden durch Tsunamis verursacht, welche durch diese Subduktionsbeben ausgelöst werden, wie das Sumatra-Andamanen Ereignis von 2004 gezeigt hat. Um eine wirksame Tsunami-Frühwarnung zu ermöglichen, welche die Abschätzung der Wellenhöhen und Ankunftszeiten beinhaltet, ist es erforderlich, verschieden Arten von Echtzeit-Sensordaten mit numerischen Modellen für die Erdbebenquelle und Tsunamiausbreitung zu kombinieren. Diese Doktorarbeit wurde im Rahmen des GITEWS-Projektes (German Indonesian Tsunami Early Warning System) erstellt und umfasst fünf Fachpublikationen und Manuskripte. Projektbezogene Hauptaufgabe war die Erstellung einer Datenbank mit realistischen Bebenszenarien für den Sundabogen. Die Datenbank beinhaltet Anfangsbedingungen für die Tsunami-Ausbreitungsmodellierung und ist Teil des Simulationssystems im Frühwarnzentrum. Eine sorgfältige Diskretisierung der Subduktionsgeometrie, bestehend aus 25x150 subfaults, wurde basierend auf seismischen Daten erstellt. Greensfunktionen, welche die Deformation, hervorgerufen durch Verschiebung an den subfaults ausmachen, wurden mittels eines semianalytischen Verfahrens für den geschichteten Halbraum berechnet. Verschiedene Skalierungsrelationen für Erdbebendimension und slip-Verteilung wurden implementiert. Eine weitere projektbezogene Aufgabe war die Weiterentwicklung des ‚GPS-Schild’-Konzeptes. Dieses besteht aus einer Konstellation von GPS-Empfängern im Nahfeldbereich, welche sich als sehr wertvoll für die Tsunami-Frühwarnung erweisen. Der größere Teil dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit der geophysikalischen Interpretation von GPS-Daten. Coseismische Verschiebungen an der Erdoberfläche, ausgelöst durch das Erdbeben von 2004, werden nach slip an der Verwerfung invertiert. Die Wirkung verschiedener Erdschichtungsmodelle wird getestet und resultiert in der Bevorzugung einer kontinentalen Struktur. Die Möglichkeit von splay-faulting wird untersucht und erweist sich als zweitrangiger Effekt bezüglich der Tsunamiwirkung für dieses Ereignis. Die auf der Quelleninversion basierenden Tsunamimodelle werden mit satellitengestützen Radaraltimetriedaten verglichen. Postseismische GPS-Daten werden verwendet, um einen weiten Parameterbereich uni- und bi-viskoser Modelle der Asthenosphäre zu testen. Dabei stellt sich stationäre Maxwell-Rheologie als inkompatibel mit Nahfeld-GPS-Zeitreihen heraus, es sei denn, eine große Quantität an afterslip, entsprechend etwa 10% des coseismischen Momentes, wird angenommen. Im Gegensatz dazu ist die transiente Burgers-Rheologie ohne große Mengen an afterslip kompatibel zu den Beobachtungen. Der Vergleich mit postseismischen Geoidbeobachtungen durch die GRACE-Satelliten zeigt, dass das Modell basierend auf Maxwell-Rheologie, auch mit afterslip, zu kleine Amplituden liefert, und bekräftigt die Annahme einer biviskosen Rheologie der Asthenosphäre. Ein einfacher Ansatz, der auf einer quasi-statischen Deformationsausbreitung beruht, wird eingeführt und zur Inversion coseismischer Nahfeld-GPS-Zeitreihen vorgeschlagen. Die Anwendung dieses Ansatzes auf Beobachtungen vom Sumatra-Beben von 2004 ermöglicht nicht die quantitative Rekonstruktion der Ausbreitung des Bruches, da die notwendigen Bedingungen in diesem Fall nicht erfüllt sind. Jedoch zeigen Experimente an synthetischen Daten die Gültigkeit eines solchen Ansatzes zur raschen Abschätzung der Bruchausbreitungseigenschaften.
KW  - GPS
KW  - Erdbeben
KW  - Tsunami
KW  - Rheologie
KW  - GITEWS
KW  - GPS
KW  - Earthquake
KW  - Tsunami
KW  - Rheology
KW  - GITEWS
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53166
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pilz, Marco
T1  - A comparison of proxies for seismic site conditions and amplification for the large urban area of Santiago de Chile
T1  - Ein Vergleich seismischer Parameter für die Standort- und Verstärkungsabschätzung im Stadtgebiet von Santiago de Chile
N2  - Situated in an active tectonic region, Santiago de Chile, the country´s capital with more than six million inhabitants, faces tremendous earthquake hazard. Macroseismic data for the 1985 Valparaiso and the 2010 Maule events show large variations in the distribution of damage to buildings within short distances indicating strong influence of local sediments and the shape of the sediment-bedrock interface on ground motion. Therefore, a temporary seismic network was installed in the urban area for recording earthquake activity, and a study was carried out aiming to estimate site amplification derived from earthquake data and ambient noise. The analysis of earthquake data shows significant dependence on the local geological structure with regards to amplitude and duration. Moreover, the analysis of noise spectral ratios shows that they can provide a lower bound in amplitude for site amplification and, since no variability in terms of time and amplitude is observed, that it is possible to map the fundamental resonance frequency of the soil for a 26 km x 12 km area in the northern part of the Santiago de Chile basin. By inverting the noise spectral rations, local shear wave velocity profiles could be derived under the constraint of the thickness of the sedimentary cover which had previously been determined by gravimetric measurements. The resulting 3D model was derived by interpolation between the single shear wave velocity profiles and shows locally good agreement with the few existing velocity profile data, but allows the entire area, as well as deeper parts of the basin, to be represented in greater detail. The wealth of available data allowed further to check if any correlation between the shear wave velocity in the uppermost 30 m (vs30) and the slope of topography, a new technique recently proposed by Wald and Allen (2007), exists on a local scale. While one lithology might provide a greater scatter in the velocity values for the investigated area, almost no correlation between topographic gradient and calculated vs30 exists, whereas a better link is found between vs30 and the local geology. When comparing the vs30 distribution with the MSK intensities for the 1985 Valparaiso event it becomes clear that high intensities are found where the expected vs30 values are low and over a thick sedimentary cover. Although this evidence cannot be generalized for all possible earthquakes, it indicates the influence of site effects modifying the ground motion when earthquakes occur well outside of the Santiago basin. Using the attained knowledge on the basin characteristics, simulations of strong ground motion within the Santiago Metropolitan area were carried out by means of the spectral element technique. The simulation of a regional event, which has also been recorded by a dense network installed in the city of Santiago for recording aftershock activity following the 27 February 2010 Maule earthquake, shows that the model is capable to realistically calculate ground motion in terms of amplitude, duration, and frequency and, moreover, that the surface topography and the shape of the sediment bedrock interface strongly modify ground motion in the Santiago basin. An examination on the dependency of ground motion on the hypocenter location for a hypothetical event occurring along the active San Ramón fault, which is crossing the eastern outskirts of the city, shows that the unfavorable interaction between fault rupture, radiation mechanism, and complex geological conditions in the near-field may give rise to large values of peak ground velocity and therefore considerably increase the level of seismic risk for Santiago de Chile.
N2  - Aufgrund ihrer Lage in einem tektonisch aktiven Gebiet ist Santiago de Chile, die Hauptstadt des Landes mit mehr als sechs Millionen Einwohnern, einer großen Erdbebengefährdung ausgesetzt. Darüberhinaus zeigen makroseismische Daten für das 1985 Valparaiso- und das 2010 Maule-Erdbeben eine räumlich unterschiedliche Verteilung der an den Gebäuden festgestellten Schäden; dies weist auf einen starken Einfluss der unterliegenden Sedimentschichten und der Gestalt der Grenzfläche zwischen den Sedimenten und dem Festgestein auf die Bodenbewegung hin. Zu diesem Zweck wurde in der Stadt ein seismisches Netzwerk für die Aufzeichnung der Bodenbewegung installiert, um die auftretende Untergrundverstärkung mittels Erdbebendaten und seismischem Rauschen abzuschätzen. Dabei zeigt sich für die Erdbebendaten eine deutliche Abhängigkeit von der Struktur des Untergrunds hinsichtlich der Amplitude der Erschütterung und ihrer Dauer. Die Untersuchung der aus seismischem Rauschen gewonnenen horizontal-zu-vertikal-(H/V) Spektral-verhältnisse zeigt, dass diese Ergebnisse nur einen unteren Grenzwert für die Bodenverstärkung liefern können. Weil jedoch andererseits keine zeitliche Veränderung bei der Gestalt dieser Spektralverhältnisse festgestellt werden konnte, erlauben die Ergebnisse ferner, die Resonanzfrequenz des Untergrundes für ein 26 km x 12 km großes Gebiet im Nordteil der Stadt zu bestimmen. Unter Zuhilfenahme von Informationen über die Dicke der Sedimentschichten, welche im vorhinein schon durch gravimetrische Messungen bestimmt worden war, konnten nach Inversion der H/V-Spektralverhältnisse lokale Scherwellengeschwindigkeitsprofile und nach Interpolation zwischen den einzelnen Profilen ein dreidimensionales Modell berechnet werden. Darüberhinaus wurde mit den verfügbaren Daten untersucht, ob auf lokaler Ebene ein Zusammenhang zwischen der mittleren Scherwellengeschwindigkeit in den obersten 30 m (vs30) und dem Gefälle existiert, ein Verfahren, welches kürzlich von Wald und Allen (2007) vorgestellt wurde. Da für jede lithologische Einheit eine starke Streuung für die seismischen Geschwindigkeiten gefunden wurde, konnte kein Zusammenhang zwischen dem Gefälle und vs30 hergestellt werden; demgegenüber besteht zumindest ein tendenzieller Zusammenhang zwischen vs30 und der unterliegenden Geologie. Ein Vergleich der Verteilung von vs30 mit den MKS-Intensitäten für das 1985 Valparaiso-Erdbeben in Santiago zeigt, dass hohe Intensitätswerte vor allem in Bereichen geringer vs30-Werte und dicker Sedimentschichten auftraten. Weiterhin ermöglichte die Kenntnis über das Sedimentbeckens Simulationen der Bodenbewegung mittels eines spektralen-Elemente-Verfahrens. Die Simulation eines regionalen Erdbebens, welches auch von einem dichten seismischen Netzwerk aufgezeichnet wurde, das im Stadtgebiet von Santiago infolge des Maule-Erdbebens am 27. Februar 2010 installiert wurde, zeigt, dass das Modell des Sedimentbeckens realistische Berechnungen hinsichtlich Amplitude, Dauer und Frequenz erlaubt und die ausgeprägte Topographie in Verbindung mit der Form der Grenzfläche zwischen den Sedimenten und dem Festgestein starken Einfluss auf die Bodenbewegung haben. Weitere Untersuchungen zur Abhängigkeit der Bodenerschütterung von der Position des Hypozentrums für ein hypothetisches Erdbeben an der San Ramón-Verwerfung, welche die östlichen Vororte der Stadt kreuzt, zeigen, dass die ungünstige Wechselwirkung zwischen dem Verlauf des Bruchs, der Abstrahlung der Energie und der komplexen geologischen Gegebenheiten hohe Werte bei der maximalen Bodengeschwindigkeit erzeugen kann. Dies führt zu einer signifikanten Zunahme des seismischen Risikos für Santiago de Chile.
KW  - Standorteffekte
KW  - seismisches Rauschen
KW  - Sedimentbecken
KW  - Simulation
KW  - site effects
KW  - seismic noise
KW  - sedimentary basin
KW  - simulation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52961
ER  - 
TY  - THES
A1  - Borchers, Andreas
T1  - Glaciomarine sedimentation at the continental margin of Prydz Bay, East Antarctica : implications on palaeoenvironmental changes during the Quaternary
T1  - Glaziomarine Sedimentation am Kontinentalrand der Prydz-Bucht, Ostantarktis : Schlussfolgerungen hinsichtlich Veränderungen der Paläoumweltbedingungen während des Quartärs
N2  - The Antarctic plays an important role in the global climate system. On the one hand, the Antarctic Ice Sheet is the largest freshwater reservoir on Earth. On the other hand, a major proportion of the global bottom-water formation takes place in Antarctic shelf regions, forcing the global thermohaline circulation. The main goal of this dissertation is to provide new insights into the dynamics and stability of the EAIS during the Quaternary. Additionally, variations in the activity of bottom-water formation and their causes are investigated. The dissertation is a German contribution to the International Polar Year 2007/ 2008 and was funded by the ‘Deutsche Forschungsgesellschaft’ (DFG) within the scope of priority program 1158 ‘Antarctic research with comparative studies in Arctic ice regions’. During RV Polarstern expedition ANT-XXIII/9, glaciomarine sediments were recovered from the Prydz Bay-Kerguelen region. Prydz Bay is a key region for the study of East EAIS dynamics, as 16% of the EAIS are drained through the Lambert Glacier into the bay. Thereby, the glacier transports sediment into Prydz Bay which is then further distributed by calving icebergs or by current transport. The scientific approach of this dissertation is the reconstruction of past glaciomarine environments to infer on the response of the Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system to climate shifts during the Quaternary. To characterize the depositional setting, sedimentological methods are used and statistical analyses are applied. Mineralogical and (bio)geochemical methods provide a means to reconstruct sediment provenances and to provide evidence on changes in the primary production in the surface water column. Age-depth models were constructed based on palaeomagnetic and palaeointensity measurements, diatom stratigraphy and radiocarbon dating. Sea-bed surface sediments in the investigation area show distinct variations in terms of their clay minerals and heavy-mineral assemblages. Considerable differences in the mineralogical composition of surface sediments are determined on the continental shelf. Clay minerals as well as heavy minerals provide useful parameters to differentiate between sediments which originated from erosion of crystalline rocks and sediments originating from Permo-Triassic deposits. Consequently, mineralogical parameters can be used to reconstruct the provenance of current-transported and ice-rafted material. The investigated sediment cores cover the time intervals of the last 1.4 Ma (continental slope) and the last 12.8 cal. ka BP (MacRobertson shelf). The sediment deposits were mainly influenced by glacial and oceanographic processes and further by biological activity (continental shelf), meltwater input and possibly gravitational transport. Sediments from the continental slope document two major deglacial events: the first deglaciation is associated with the mid-Pleistocene warming recognized around the Antarctic. In Prydz Bay, the Lambert Glacier-Amery Ice Shelf retreated far to the south and high biogenic productivity commenced or biogenic remains were better preserved due to increased sedimentation rates. Thereafter, stable glacial conditions continued until 400 - 500 ka BP. Calving of icebergs was restricted to the western part of the Lambert Glacier. The deeper bathymetry in this area allows for floating ice shelf even during times of decreased sea-level. Between 400 - 500 ka BP and the last interglacial (marine isotope stage 5) the glacier was more dynamic. During or shortly after the last interglacial the LAIS retreated again due to sea-level rise of 6 - 9 m. Both deglacial events correlate with a reduction in the thickness of ice masses in the Prince Charles Mountains. It indicates that a disintegration of the Amery Ice Shelf possibly led to increased drainage of ice masses from the Prydz Bay hinterland. A new end-member modelling algorithm was successfully applied on sediments from the MacRobertson shelf used to unmix the sand grain size fractions sorted by current activity and ice transport, respectively. Ice retreat on MacRobertson Shelf commenced 12.8 cal. ka BP and ended around 5.5 cal. ka BP. During the Holocene, strong fluctuations of the bottomwater activity were observed, probably related to variations of sea-ice formation in the Cape Darnley polynya. Increased activity of bottom-water flow was reconstructed at transitions from warm to cool conditions, whereas bottom-water activity receded during the mid- Holocene climate optimum. It can be concluded that the Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system was relatively stable in terms of climate variations during the Quaternary. In contrast, bottom-water formation due to polynya activity was very sensitive to changes in atmospheric forcing and should gain more attention in future research.
N2  - Die Antarktis spielt im globalen Umweltsystem eine tragende Rolle. Mit ihrem mächtigen Eispanzer ist sie nicht nur der größte Süsswasserspeicher auf der Erde, in ihren Schelfregionen wird auch ein Großteil der globalen Bodenwassermassen gebildet, welche die globale thermohaline Zirkulation antreiben. Hauptziel dieser Arbeit, welche einen deutschen Beitrag zum Internationalen Polarjahr 2007/ 2008 liefert, war es, neue Erkenntnisse hinsichtlich der Stabilität des Ostantarktischen Eisschildes während des Quartärs zu liefern. Weiterhin sollten Aussagen über Variationen in der Bildung von Antarktischem Bodenwasser und deren Ursachen getroffen werden. Dazu wurde im Rahmen der ‚Polarstern‘ Expedition ANT-XXIII/9 eine Beprobung glaziomariner Sedimente zwischen Prydz Bucht und Kerguelen Plateau durchgeführt. Diese Region eignet sich zur Untersuchung der Ostantarktischen Eisdynamik besonders gut, da hier der Lambert Gletscher, etwa 16% des Ostantarktischen Eispanzers drainiert. Er transportiert dabei Sediment nach Norden, das schließlich die Prydz Bucht erreicht und durch direkten Transport über kalbende Eisberge oder durch Umlagerung und Verteilung mithilfe von Meeresströmungen weiter verfrachtet wird. Der wissenschaftliche Ansatz dieser Arbeit besteht darin, über die Verteilung dieser Sedimente in Raum und Zeit, d.h. über Variationen des glaziomarinen Paläoregimes, die Reaktion des Lambert Gletschers und des vorgelagerten Amery Schelfeises auf Klimaschwankungen während des Quartärs zu rekonstruieren. Dabei werden sowohl sedimentologische Methoden unter Einbeziehung neuer statistischer Möglichkeiten angewandt, um Sedimentationsprozesse zu charakterisieren, als auch mineralogische und (bio)geochemische Parameter verwendet, um Aussagen über die Herkunft der Sedimente und Änderungen in der Produktivität im Oberflächenwasser treffen zu können. Die Altersbestimmung der Sedimentkerne erfolgte mittels Paläomagnetik, Paläointensitäten, Biostratigraphie und Radiokarbondatierungen. Die Oberflächensedimente im Untersuchungsgebiet zeigen deutliche Unterschiede sowohl hinsichtlich ihrer Tonmineral- als auch Schwermineralzusammensetzung. Beide mineralogischen Parameter zeigen die größten Differerenzen auf dem Schelf. Dort lassen sich deutlich Sedimente der Prydz Bucht von Sedimenten des MacRobertson Shelfes differenzieren. Sie stellen daher ein gutes Hilfsmittel dar, um sowohl die Herkunft von eis- als auch strömungstransportiertem Material zu rekonstruieren. Die untersuchten Sedimentkerne decken den Zeitraum der letzten 1,4 Millionen Jahre (Kontinentalhang) bzw. der letzten 12,8 tausend kal. Jahre v. H. ab (MacRobertson Schelf). Die abgelagerten Sedimente wurden i. W. durch glaziale und ozeanographische Einflüsse geprägt, aber auch durch Bioproduktion (Schelf) bzw. durch Schmelzwassereinträge und möglicherweise gravitative Prozesse (Kontinentalhang). In den Sedimenten des Kontinentalhangs sind zwei starke Enteisungsereignisse überliefert: Das erste Ereignis steht mit dem mittelpleistozänen Klimaoptimum in Verbindung, das auch in anderen antarktischen Regionen nachgewiesen wurde. Es führte in der Prydz Bucht zu einem weitreichenden Rückzug des Lambert Gletscher-Amery Schelfeises (LAIS) und gleichzeitig zu einer hohen Primärproduktion. Danach herrschten bis etwa 400 - 500 tausend Jahre v. H. stabile glaziale Bedingungen. Kalbung von Eisbergen war wahrscheinlich auf den westlichen Teil des Lambert Gletschers begrenzt, wo eine tiefere Bathymetrie auch bei niedrigerem globalen Meeresspiegel noch Aufschwimmen des Gletschereises erlaubt. Zwischen 400 - 500 tausend Jahren v. H. und vermutlich dem letzten Interglazial wurde der Gletscher schließlich wieder dynamischer, um mit oder kurz nach dem letzten Interglazial (Meeresspiegel etwa 6 - 9 m höher) eine weitere Phase deutlichen Rückzuges zu durchlaufen. Beide Ereignisse lassen sich mit Phasen der Eisreduktion in den Prinz Charles Bergen korrelieren, d.h. der Rückzug des Lambert Gletschers hatte möglicherweise ein erhöhtes Nachfließen von Eismassen aus dem Hinterland zur Folge. An den Sedimenten des Schelfkernes wurde ein neu entwickeltes Verfahren der Endmember-Modellierung erfolgreich getestet. Der Eisrückzug auf dem MacRobertson Schelf begann etwa 12,8 tausend kal. Jahre v. H. und war gegen 5,5 tausend kal. Jahre v. H. abgeschlossen. Während des Holozäns kam es zu starken Schwankungen in der Bodenwasseraktivität, die höchst wahrscheinlich mit der Neubildungsrate von Meereis in der Kap Darnley Polynia in Zusammenhang stehen. Besonders auffallend war eine erhöhte Bodenwasseraktivität am Übergang von Warm- zu Kaltphasen bzw. ihr extremer Rückgang während des Mittel-Holozänen Klimaoptimums. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der Arbeit, dass sich das LAIS während des Quartärs relativ stabil gegenüber Klimaveränderungen verhalten hat. Die Bodenwasserproduktion in Polynien dagegen reagierte sehr empfindlich auf relative geringe atmosphärische Veränderungen und bedarf in Zukunft verstärkter Aufmerksamkeit.
KW  - Eisdynamik
KW  - Bodenwasser
KW  - Ostantarktis
KW  - Polynia
KW  - ice dynamics
KW  - bottom water
KW  - East Antarctica
KW  - polynya
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52620
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wischnewski, Juliane
T1  - Reconstructing climate variability on the Tibetan Plateau : comparing aquatic and terrestrial signals
T1  - Klimarekonstruktionen auf dem Tibet Plateau : aquatische und terrestrische Signale im Vergleich
N2  - Spatial and temporal temperature and moisture patterns across the Tibetan Plateau are very complex. The onset and magnitude of the Holocene climate optimum in the Asian monsoon realm, in particular, is a subject of considerable debate as this time period is often used as an analogue for recent global warming. In the light of contradictory inferences regarding past climate and environmental change on the Tibetan Plateau, I have attempted to explain mismatches in the timing and magnitude of change. Therefore, I analysed the temporal variation of fossil pollen and diatom spectra and the geochemical record from palaeo-ecological records covering different time scales (late Quaternary and the last 200 years) from two core regions in the NE and SE Tibetan Plateau. For interpretation purposes I combined my data with other available palaeo-ecological data to set up corresponding aquatic and terrestrial proxy data sets of two lake pairs and two sets of sites. I focused on the direct comparison of proxies representing lacustrine response to climate signals (e.g., diatoms, ostracods, geochemical record) and proxies representing changes in the terrestrial environment (i.e., terrestrial pollen), in order to asses whether the lake and its catchments respond at similar times and magnitudes to environmental changes. Therefore, I introduced the established numerical technique procrustes rotation as a new approach in palaeoecology to quantitatively compare raw data of any two sedimentary records of interest in order to assess their degree of concordance. Focusing on the late Quaternary, sediment cores from two lakes (Kuhai Lake 35.3°N; 99.2°E; 4150 m asl; and Koucha Lake 34.0°N; 97.2°E; 4540 m asl) on the semi-arid northeastern Tibetan Plateau were analysed to identify post-glacial vegetation and environmental changes, and to investigate the responses of lake ecosystems to such changes. Based on the pollen record, five major vegetation and climate changes could be identified: (1) A shift from alpine desert to alpine steppe indicates a change from cold, dry conditions to warmer and more moist conditions at 14.8 cal. ka BP, (2) alpine steppe with tundra elements points to conditions of higher effective moisture and a stepwise warming climate at 13.6 cal. ka BP, (3) the appearance of high-alpine meadow vegetation indicates a further change towards increased moisture, but with colder temperatures, at 7.0 cal. ka BP, (4) the reoccurrence of alpine steppe with desert elements suggests a return to a significantly colder and drier phase at 6.3 cal. ka BP, and (5) the establishment of alpine steppe-meadow vegetation indicates a change back to relatively moist conditions at 2.2 cal. ka BP. To place the reconstructed climate inferences from the NE Tibetan Plateau into the context of Holocene moisture evolution across the Tibetan Plateau, I applied a five-scale moisture index and average link clustering to all available continuous pollen and non-pollen palaeoclimate records from the Tibetan Plateau, in an attempt to detect coherent regional and temporal patterns of moisture evolution on the Plateau. However, no common temporal or spatial pattern of moisture evolution during the Holocene could be detected, which can be assigned to the complex responses of different proxies to environmental changes in an already very heterogeneous mountain landscape, where minor differences in elevation can result in marked variations in microenvironments. Focusing on the past 200 years, I analysed the sedimentary records (LC6 Lake 29.5°N, 94.3°E, 4132 m asl; and Wuxu Lake 29.9°N, 101.1°E, 3705 m asl) from the southeastern Tibetan Plateau. I found that despite presumed significant temperature increases over that period, pollen and diatom records from the SE Tibetan Plateau reveal only very subtle changes throughout their profiles. The compositional species turnover investigated over the last 200 years appears relatively low in comparison to the species reorganisations during the Holocene. The results indicate that climatically induced ecological thresholds are not yet crossed, but that human activity has an increasing influence, particularly on the terrestrial ecosystem. Forest clearances and reforestation have not caused forest decline in our study area, but a conversion of natural forests to semi-natural secondary forests. The results from the numerical proxy comparison of the two sets of two pairs of Tibetan lakes indicate that the use of different proxies and the work with palaeo-ecological records from different lake types can cause deviant stories of inferred change. Irrespective of the timescale (Holocene or last 200 years) or region (SE or NE Tibetan Plateau) analysed, the agreement in terms of the direction, timing, and magnitude of change between the corresponding terrestrial data sets is generally better than the match between the corresponding lacustrine data sets, suggesting that lacustrine proxies may partly be influenced by in-lake or local catchment processes whereas the terrestrial proxy reflects a more regional climatic signal. The current disaccord on coherent temporal and spatial climate patterns on the Tibetan Plateau can partly be ascribed to the complexity of proxy response and lake systems on the Tibetan Plateau. Therefore, a multi-proxy, multi-site approach is important in order to gain a reliable climate interpretation for the complex mountain landscape of the Tibetan Plateau.
N2  - Die räumlichen und zeitlichen Temperatur- und Feuchtigkeitsmuster auf dem Tibet-Plateau sind sehr komplex. Im Einzugsbereich der asiatischen Monsune sind insbesondere der Beginn und das Ausmaß des Klimaoptimums während des Holozäns von wissenschaftlichem Interesse, da diese Periode oft als Analogie für die derzeitige globale Klimaerwärmung herangezogen wird. In Hinblick auf sich teilweise widersprechende Paläoklima- und Umweltrekonstruktionen für das Tibet-Plateau, ist es mein Ziel, die bestehenden Unstimmigkeiten bezüglich des Zeitpunktes und des Ausmaßes des Umweltwandels zu erklären. Dafür wurden von mir zeitliche Variationen fossiler Pollen- und Diatomeenspektren und geochemische Untersuchungen an Seesedimenten unterschiedlicher Zeitskalen (Spätquartär und die letzten 200 Jahre) aus zwei Kernregionen auf dem NO und SO Tibet-Plateau analysiert. Zur Unterstützung der Interpretation wurden die hier erhobenen Daten mit bereits vorhandenen paläoökologischen Aufzeichnungen der Lokalitäten kombiniert, um Datensätze der entsprechenden aquatischen und terrestrischen Proxy-Daten (Stellvertreterdaten) zweier Seenpaare aus den beiden Regionen gegenüberstellen zu können. Hierbei konzentrierte ich mich auf den direkten Vergleich von Proxies, die die Seenentwicklung reflektieren (z.B. Diatomeen, Ostracoden, geochemische Eigenschaften), mit Proxies, die Veränderungen der terrestrischen Umgebung des Sees beschreiben (terrestrische Pollen). Durch diesen Vergleich lässt sich beurteilen, ob Veränderungen im See selbst mit Umweltveränderungen in dem jeweiligen Einzugsgebiet zeitlich übereinstimmen. Dafür habe ich die bereits etablierte numerische Methode Procrustes-Rotation als neuen Ansatz in der Paläoökologie eingeführt. Damit ist ein quantitativer Vergleich von Rohdaten zweier beliebiger sedimentärer Datensätze möglich, um den Grad der Übereinstimmung zu prüfen. Um die in dieser Arbeit rekonstruierten Umwelt- und Klimaereignisse des nordöstlichen Tibet-Plateaus in einen größeren Zusammenhang hinsichtlich holozäner Klimaentwicklung des gesamten Plateaus setzen zu können, und um schlüssige zeitliche und räumliche Klimatrends auf dem Plateau erkennen zu können, habe ich auf alle vorhandenen Paläoklimadatensätze einen Fünf-Skalen Feuchtigkeitsindex und eine Clusteranalyse angewandt. Es konnten jedoch keine einheitlichen zeitlichen und räumlichen Trends der holozänen Klimaentwicklung nachgewiesen werden, was meiner Analyse entsprechend, auf die komplexen Reaktionen verschiedener Proxies auf Umweltveränderungen in einer ohnehin sehr heterogen Berglandschaft, zurückgeführt werden kann. Die Ergebnisse des numerischen Proxy-Vergleichs beider Seenpaare zeigen, dass die Verwendung von verschiedenen Proxies und die Arbeit mit paläo-ökologischen Datensätzen unterschiedlicher See-Typen zu abweichenden Klimaableitungen führen können. Unabhängig vom untersuchten Zeitraum (Holozän oder die letzten 200 Jahren) oder der Region (SO oder NO Tibet-Plateau), ist die Übereinstimmung zweier Datensätze hinsichtlich der Richtung, des Zeitpunktes und des Ausmaßes der abgeleiteten Paläo-Umweltverhältnisse in der Regel zwischen den entsprechenden terrestrischen Datensätzen besser als zwischen den entsprechenden lakustrinen Datensätzen. Die derzeitige Uneinigkeit über stimmige zeitliche und räumliche Klimatrends auf dem Tibet-Plateau kann daher teilweise der Komplexität der verschieden Proxies und ihrer individuellen Empfindlichkeiten gegenüber Umweltveränderungen sowie der unterschiedlichen Reaktionsweise verschiedenartiger See-Systeme auf dem Plateau zugeschrieben werden. Meine Ergebnisse zeigen, dass ein „Multi-Proxy-Multi-Site-Ansatz“ für zuverlässige Paläoklimaableitungen für das Tibet-Plateau von zentraler Bedeutung ist.
KW  - Tibet Plateau
KW  - Holozän
KW  - Pollen
KW  - Diatomeen
KW  - Prokrustes Analyse
KW  - Tibetan Plateau
KW  - Holocene
KW  - Pollen
KW  - Diatoms
KW  - Procrustes rotation analysis
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52453
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hakimhashemi, Amir Hossein
T1  - Time-dependent occurrence rates of large earthquakes in the Dead Sea fault zone and applications to probabilistic seismic hazard assessments
T1  - Zeitabhängige Auftretensrate großer Erdbeben entlang der Tote-Meer-Störungszone und ihre Einbeziehung in eine probabilistische seismische Gefährdungseinschätzung
N2  - Die relativ hohe seismische Aktivität der Tote-Meer-Störungszone (Dead Sea Fault Zone - DSFZ) ist mit einem hohen Gefahrenpotential verbunden, welches zu einem erheblichen Erdbebenrisiko für die Ballungszentren in den Ländern Syrien, Libanon, Palästina, Jordanien und Israel führt. Eine Vielzahl massiver, zerstörerischer Erdbeben hat sich in diesem Raum in den letzten zwei Jahrtausenden ereignet. Ihre Wiederholungsrate zeigt Anzeichen für eine zeitliche Abhängigkeit, insbesondere wenn lange Zeiträume in Betracht gezogen werden. Die Berücksichtigung der zeitlichen Abhängigkeit des Auftretens von Erdbeben ist für eine realistische seismische Gefährdungseinschätzung von großer Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, anhand des zeitabhängigen Auftretens von Erdbeben eine robuste wahrscheinlichkeitstheoretische seismische Gefährdungseinschätzung am Beispiel der DSFZ zu entwickeln. Mittels dieser Methode soll die zeitliche Abhängigkeit des Auftretens von großen Erdbeben (Mw ≥ 6) untersucht und somit eine Gefährdungseinschätzung für das Untersuchungsgebiet getroffen werden. Primär gilt es zu prüfen, ob das Auftreten von großen Erdbeben tatsächlich einer zeitlichen Abhängigkeit unterliegt und wenn ja, inwiefern diese bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck werden insgesamt vier zeitabhängige statistische Verteilungen (Weibull, Gamma, Lognormal und Brownian Passage Time (BPT)) sowie die zeitunabhängige Exponentialverteilung (Poisson-Prozess) getestet. Zur Abschätzung der jeweiligen Modellparameter wird eine modifizierte Methode der gewichteten Maximum-Likelihood-Schätzung (MLE) verwendet. Um einzuschätzen, ob die Wiederholungsrate von Erdbeben einer unimodalen oder multimodalen Form folgt, wird ein nichtparametrischer Bootstrap-Test für Multimodalität durchgeführt. Im Falle einer multimodalen Form wird neben der MLE zusätzlich eine Erwartungsmaximierungsmethode (EM) herangezogen. Zur Auswahl des am besten geeigneten Modells wird zum einem das Bayesschen Informationskriterium (BIC) und zum anderen der modifizierte Kolmogorow-Smirnow-Goodness-of-Fit-Test angewendet. Abschließend werden mittels der Bootstrap-Methode die Konfidenzintervalle der geschätzten Parameter berechnet. Als Datengrundlage werden Erdbeben mit Mw ≥ 6 seit dem Jahre 300 n. Chr. herangezogen. Das Untersuchungsgebiet erstreckt sich von 29.5° N bis 37° N und umfasst ein ca. 40 km breites Gebiet entlang der DSFZ. Aufgrund der seismotektonischen Situation im Untersuchungsgebiet wird zwischen einer südlichen, zentralen und nördlichen Subzone unterschieden. Dabei kann die südliche Subzone aus Mangel an Daten nicht für die Analysen herangezogen werden. Die Ergebnisse für die zentrale Subzone zeigen keinen signifikanten multimodalen Verlauf der Wiederholungsrate von Erdbeben. Des Weiteren ist kein signifikanter Unterschied zwischen den zeitabhängigen und dem zeitunabhängigem Modell zu verzeichnen. Da das zeitunabhängige Modell vergleichsweise einfach interpretierbar ist, wird die Wiederholungsrate von Erdbeben in dieser Subzone unter Annahme der Exponentialverteilungs-Hypothese abgeschätzt. Sie wird demnach als zeitunabhängig betrachtet und beträgt 9.72 * 10-3 Erdbeben (mit Mw ≥ 6) pro Jahr. Einen besonderen Fall stellt die nördliche Subzone dar. In diesem Gebiet tritt im Durchschnitt alle 51 Jahre ein massives Erdbeben (Mw ≥ 6) auf. Das letzte Erdbeben dieser Größe ereignete sich 1872 und liegt somit bereits 137 Jahre zurück. Somit ist in diesem Gebiet ein Erdbeben dieser Stärke überfällig. Im statistischen Mittel liegt die Zeit zwischen zwei Erdbeben zu 96% unter 137 Jahren. Zudem wird eine deutliche zeitliche Abhängigkeit der Erdbeben-Wiederauftretensrate durch die Ergebnisse der in der Arbeit neu entwickelten statistischen Verfahren bestätigt. Dabei ist festzustellen, dass die Wiederholungsrate insbesondere kurz nach einem Erdbeben eine sehr hohe zeitliche Abhängigkeit aufweist. Am besten repräsentiert werden die seismischen Bedingungen in der genannten Subzone durch ein bi-modales Weibull-Weibull-Modell. Die Wiederholungsrate ist eine glatte Zeitfunktion, welche zwei Häufungen von Datenpunkten in der Zeit nach dem Erdbeben zeigt. Dabei umfasst die erste Häufung einen Zeitraum von 80 Jahren, ausgehend vom Zeitpunkt des jeweiligen Bebens. Innerhalb dieser Zeitspanne ist die Wiederholungsrate extrem zeitabhängig. Die Wiederholungsrate direkt nach einem Beben ist sehr niedrig und steigert sich in den folgenden 10 Jahren erheblich bis zu einem Maximum von 0.024 Erdbeben/Jahr. Anschließend sinkt die Rate und erreicht ihr Minimum nach weiteren 70 Jahren mit 0.0145 Erdbeben/Jahr. An dieses Minimum schließt sich die zweite Häufung von Daten an, dessen Dauer abhängig von der Erdbebenwiederholungszeit ist. Innerhalb dieses Zeitfensters nimmt die Erdbeben-Wiederauftretensrate annähernd konstant um 0.015 Erdbeben/Jahr zu. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für eine zeitabhängige probabilistische seismische Gefährdungseinschätzung (PSHA) für die seismische Quellregion, die den nördlichen Raum der DSFZ umfasst.
N2  - The seismicity of the Dead Sea fault zone (DSFZ) during the last two millennia is characterized by a number of damaging and partly devastating earthquakes. These events pose a considerable seismic hazard and seismic risk to Syria, Lebanon, Palestine, Jordan, and Israel. The occurrence rates for large earthquakes along the DSFZ show indications to temporal changes in the long-term view. The aim of this thesis is to find out, if the occurrence rates of large earthquakes (Mw ≥ 6) in different parts of the DSFZ are time-dependent and how. The results are applied to probabilistic seismic hazard assessments (PSHA) in the DSFZ and neighboring areas. Therefore, four time-dependent statistical models (distributions), including Weibull, Gamma, Lognormal and Brownian Passage Time (BPT), are applied beside the exponential distribution (Poisson process) as the classical time-independent model. In order to make sure, if the earthquake occurrence rate follows a unimodal or a multimodal form, a nonparametric bootstrap test of multimodality has been done. A modified method of weighted Maximum Likelihood Estimation (MLE) is applied to estimate the parameters of the models. For the multimodal cases, an Expectation Maximization (EM) method is used in addition to the MLE method. The selection of the best model is done by two methods; the Bayesian Information Criterion (BIC) as well as a modified Kolmogorov-Smirnov goodness-of-fit test. Finally, the confidence intervals of the estimated parameters corresponding to the candidate models are calculated, using the bootstrap confidence sets. In this thesis, earthquakes with Mw ≥ 6 along the DSFZ, with a width of about 20 km and inside 29.5° ≤ latitude ≤ 37° are considered as the dataset. The completeness of this dataset is calculated since 300 A.D. The DSFZ has been divided into three sub zones; the southern, the central and the northern sub zone respectively. The central and the northern sub zones have been investigated but not the southern sub zone, because of the lack of sufficient data. The results of the thesis for the central part of the DSFZ show that the earthquake occurrence rate does not significantly pursue a multimodal form. There is also no considerable difference between the time-dependent and time-independent models. Since the time-independent model is easier to interpret, the earthquake occurrence rate in this sub zone has been estimated under the exponential distribution assumption (Poisson process) and will be considered as time-independent with the amount of 9.72 * 10-3 events/year. The northern part of the DSFZ is a special case, where the last earthquake has occurred in 1872 (about 137 years ago). However, the mean recurrence time of Mw ≥ 6 events in this area is about 51 years. Moreover, about 96 percent of the observed earthquake inter-event times (the time between two successive earthquakes) in the dataset regarding to this sub zone are smaller than 137 years. Therefore, it is a zone with an overdue earthquake. The results for this sub zone verify that the earthquake occurrence rate is strongly time-dependent, especially shortly after an earthquake occurrence. A bimodal Weibull-Weibull model has been selected as the best fit for this sub zone. The earthquake occurrence rate, corresponding to the selected model, is a smooth function of time and reveals two clusters within the time after an earthquake occurrence. The first cluster begins right after an earthquake occurrence, lasts about 80 years, and is explicitly time-dependent. The occurrence rate, regarding to this cluster, is considerably lower right after an earthquake occurrence, increases strongly during the following ten years and reaches its maximum about 0.024 events/year, then decreases over the next 70 years to its minimum about 0.0145 events/year. The second cluster begins 80 years after an earthquake occurrence and lasts until the next earthquake occurs. The earthquake occurrence rate, corresponding to this cluster, increases extremely slowly, such as it can be considered as an almost constant rate about 0.015 events/year. The results are applied to calculate the time-dependent PSHA in the northern part of the DSFZ and neighbouring areas.
KW  - Zeitanhängig
KW  - seismische Gefährdung
KW  - Tote Meer
KW  - Auftretensrate
KW  - Erdbeben
KW  - time dependent
KW  - seismic hazard
KW  - Dead Sea
KW  - occurrence rate
KW  - earthquake
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52486
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  - 
TY  - GEN
A1  - Hiemer, Stefan
A1  - Rößler, Dirk
A1  - Scherbaum, Frank
T1  - Catalog of Swarm Earthquakes in Vogtland /West Bohemia in 2008/09
N2  - The document contains the catalog of earthquakes in Vogtland /West Bohemia within the period of 2008/10/19 -to- 2009/03/16. The events were recorded by a seismic mini-array operated by the Institute of Earthsciences, University of Postdam.
N2  - Das Dokument enthält einen Katalog von Erdbeben im Vogtland/Westböhmen im Zeitraum 2008/10/19 -bis- 2009/03/16. Die Erdbeben wurden mit Hilfe eines seismologischen Miniarrays, welches vom Institut für Geowissenschaften, Universität Potsdam, aufgestellt wurde, registriert.
KW  - Vogtland/Westböhmen
KW  - Erdbebenschwarm 2008/09
KW  - Arrayseismologie
KW  - Erdbebenkatalog
KW  - Vogtland/West Bohemia
KW  - earthquake swarm 2008/09
KW  - array seismology
KW  - earthquake catalog
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-51710
ER  - 
TY  - THES
A1  - Shirzaei, Manoochehr
T1  - Crustal deformation source monitoring using advanced InSAR time series and time dependent inverse modeling
T1  - Monitoring der Quellen von Krustendeformationen mit Hilfe modernster InSAR Zeitreihen und zeitabhängiger inverser Modellierung
N2  - Crustal deformation can be the result of volcanic and tectonic activity such as fault dislocation and magma intrusion. The crustal deformation may precede and/or succeed the earthquake occurrence and eruption. Mitigating the associated hazard, continuous monitoring of the crustal deformation accordingly has become an important task for geo-observatories and fast response systems. Due to highly non-linear behavior of the crustal deformation fields in time and space, which are not always measurable using conventional geodetic methods (e.g., Leveling), innovative techniques of monitoring and analysis are required. In this thesis I describe novel methods to improve the ability for precise and accurate mapping the spatiotemporal surface deformation field using multi acquisitions of satellite radar data. Furthermore, to better understand the source of such spatiotemporal deformation fields, I present novel static and time dependent model inversion approaches. Almost any interferograms include areas where the signal decorrelates and is distorted by atmospheric delay. In this thesis I detail new analysis methods to reduce the limitations of conventional InSAR, by combining the benefits of advanced InSAR methods such as the permanent scatterer InSAR (PSI) and the small baseline subsets (SBAS) with a wavelet based data filtering scheme. This novel InSAR time series methodology is applied, for instance, to monitor the non-linear deformation processes at Hawaii Island. The radar phase change at Hawaii is found to be due to intrusions, eruptions, earthquakes and flank movement processes and superimposed by significant environmental artifacts (e.g., atmospheric). The deformation field, I obtained using the new InSAR analysis method, is in good agreement with continuous GPS data. This provides an accurate spatiotemporal deformation field at Hawaii, which allows time dependent source modeling. Conventional source modeling methods usually deal with static deformation field, while retrieving the dynamics of the source requires more sophisticated time dependent optimization approaches. This problem I address by combining Monte Carlo based optimization approaches with a Kalman Filter, which provides the model parameters of the deformation source consistent in time. I found there are numerous deformation sources at Hawaii Island which are spatiotemporally interacting, such as volcano inflation is associated to changes in the rifting behavior, and temporally linked to silent earthquakes. I applied these new methods to other tectonic and volcanic terrains, most of which revealing the importance of associated or coupled deformation sources. The findings are 1) the relation between deep and shallow hydrothermal and magmatic sources underneath the Campi Flegrei volcano, 2) gravity-driven deformation at Damavand volcano, 3) fault interaction associated with the 2010 Haiti earthquake, 4) independent block wise flank motion at the Hilina Fault system, Kilauea, and 5) interaction between salt diapir and the 2005 Qeshm earthquake in southern Iran. This thesis, written in cumulative form including 9 manuscripts published or under review in peer reviewed journals, improves the techniques for InSAR time series analysis and source modeling and shows the mutual dependence between adjacent deformation sources. These findings allow more realistic estimation of the hazard associated with complex volcanic and tectonic systems.
N2  - Oberflächendeformationen können eine Folge von vulkanischen und tektonischen Aktivitäten sein, wie etwa Plattenverschiebungen oder Magmaintrusion. Die Deformation der Erdkruste kann einem Erdbeben oder einem Vulkanausbruch vorausgehen und/oder folgen. Um damit drohende Gefahren für den Menschen zu verringern, ist die kontinuierliche Beobachtung von Krustendeformationen eine wichtige Aufgabe für Erdobservatorien und Fast-Responce-Systems geworden. Auf Grund des starken nicht-linearen Verhaltens von Oberflächendeformationsgebiet in Zeit und Raum, die mit konventionellen Methoden nicht immer erfasst werden (z.B., Nivellements), sind innovative Beobachtungs- und Analysetechniken erforderlich. In dieser Dissertation beschreibe ich Methoden, welche durch Mehrfachbeobachtungen der Erdoberfläche nit satellitengestützem Radar eine präzise und akkurate Abbildung der raumzeitlichen Oberflächendeformationen ermöglichen. Um die Bildung und Entwicklung von solchen raumzeitlichen Deformationsgebieten besser zu verstehen, zeige ich weiterhin neuartige Ansätze zur statischen und zeitabhängigen Modellinversion. Radar-Interferogramme weisen häufig Gebiete auf, in denen das Phasensignal dekorreliert und durch atmosphärische Laufzeitverzögerung verzerrt ist. In dieser Arbeit beschreibe ich wie Probleme des konventionellen InSAR überwunden werden können, indem fortgeschrittene InSAR-Methoden, wie das Permanent Scatterer InSAR (PSI) und Small Baseline Subsets (SBAS), mit einer Wavelet-basierten Datenfilterung verknüpft werden. Diese neuartige Analyse von InSAR Zeitreihen wird angewendet, um zum Beispiel nicht-lineare Deformationsprozesse auf Hawaii zu überwachen. Radar-Phasenänderungen, gemessen auf der Pazifikinsel, beruhen auf Magmaintrusion, Vulkaneruption, Erdbeben und Flankenbewegungsprozessen, welche durch signifikante Artefakte (z.B. atmosphärische) überlagert werden. Mit Hilfe der neuen InSAR-Analyse wurde ein Deformationsgebiet ermittelt, welches eine gute Übereinstimmung mit kontinuierlich gemessenen GPS-Daten aufweist. Auf der Grundlage eines solchen, mit hoher Genauigkeit gemessenen, raumzeitlichen Deformationsgebiets wird für Hawaii eine zeitabhängige Modellierung der Deformationsquelle ermöglicht. Konventionelle Methoden zur Modellierung von Deformationsquellen arbeiten normalerweise mit statischen Daten der Deformationsgebiete. Doch um die Dynamik einer Deformationsquelle zu untersuchen, sind hoch entwickelte zeitabhängige Optimierungsansätze notwendig. Dieses Problem bin ich durch eine Kombination von Monte-Carlo-basierten Optimierungsansätzen mit Kalman-Filtern angegangen, womit zeitlich konsistente Modellparameter der Deformationquelle gefunden werden. Ich fand auf der Insel Hawaii mehrere, raumzeitlich interagierende Deformationsquellen, etwa Vulkaninflation verknüpft mit Kluftbildungen und Veränderungen in bestehenden Klüften sowie zeitliche Korrelationen mit stillen Erdbeben. Ich wendete die neuen Methoden auf weitere tektonisch und vulkanisch aktive Gebiete an, wo häufig die eine Interaktion der Deformationsquellen nachgewiesen werden konnte und ihrer bedeutung untersucht wurde. Die untersuchten Gebiete und Deformationsquellen sind 1) tiefe und oberflächliche hydrothermale und magmatische Quellen unterhalb des Campi Flegrei Vulkans, 2) gravitationsbedingte Deformationen am Damawand Vulkan, 3) Störungsdynamik in Verbindung mit dem Haiti Beben im Jahr 2010, 4) unabhängige blockweise Flankenbewegung an der Hilina Störungszone, und 5) der Einfluss eines Salzdiapirs auf das Qeshm Erdbeben im Süd-Iran im Jahr 2005. Diese Dissertation, geschrieben als kumulative Arbeit von neun Manuskripten, welche entweder veröffentlicht oder derzeit in Begutachtung bei ‘peer-review’ Zeitschriften sind, technische Verbesserungen zur Analyse von InSAR Zeitreihen vor sowie zur Modellierung von Deformationsquellen. Sie zeigt die gegenseitige Beeinflussung von benachbarten Deformationsquellen, und sie ermöglicht, realistischere Einschätzungen von Naturgefahren, die von komplexen vulkanischen und tektonischen Systemen ausgehen.
KW  - InSAR
KW  - Vulkan
KW  - Erdbeben
KW  - inverse Modellierung
KW  - InSAR
KW  - Vulcano
KW  - earthquake
KW  - inverse modeling
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50774
ER  - 
TY  - THES
A1  - Di Giacomo, Domenico
T1  - Determination of the energy magnitude ME : application to rapid response purposes and insights to regional/local variabilities
T1  - Bestimmung der Erdbeben-Magnitude ME : Anwendung für Echtzeitzwecke und regionale/lokale Variabilitäten
N2  - Recent large earthquakes put in evidence the need of improving and developing robust and rapid procedures to properly calculate the magnitude of an earthquake in a short time after its occurrence. The most famous example is the 26 December 2004 Sumatra earthquake, when the limitations of the standard procedures adopted at that time by many agencies failed to provide accurate magnitude estimates of this exceptional event in time to launch early enough warnings and appropriate response. Being related to the radiated seismic energy ES, the energy magnitude ME is a good estimator of the high frequency content radiated by the source which goes into the seismic waves. However, a procedure to rapidly determine ME (that is to say, within 15 minutes after the earthquake occurrence) was required. Here it is presented a procedure able to provide in a rapid way the energy magnitude ME for shallow earthquakes by analyzing teleseismic P‑waves in the distance range 20-98. To account for the energy loss experienced by the seismic waves from the source to the receivers, spectral amplitude decay functions obtained from numerical simulations of Greens functions based on the average global model AK135Q are used. The proposed method has been tested using a large global dataset (~1000 earthquakes) and the obtained rapid ME estimations have been compared to other magnitude scales from different agencies. Special emphasis is given to the comparison with the moment magnitude MW, since the latter is very popular and extensively used in common seismological practice. However, it is shown that MW alone provide only limited information about the seismic source properties, and that disaster management organizations would benefit from a combined use of MW and ME in the prompt evaluation of an earthquake’s tsunami and shaking potential. In addition, since the proposed approach for ME is intended to work without knowledge of the fault plane geometry (often available only hours after an earthquake occurrence), the suitability of this method is discussed by grouping the analyzed earthquakes according to their type of mechanism (strike-slip, normal faulting, thrust faulting, etc.). No clear trend is found from the rapid ME estimates with the different fault plane solution groups. This is not the case for the ME routinely determined by the U.S. Geological Survey, which uses specific radiation pattern corrections. Further studies are needed to verify the effect of such corrections on ME estimates. Finally, exploiting the redundancy of the information provided by the analyzed dataset, the components of variance on the single station ME estimates are investigated. The largest component of variance is due to the intra-station (record-to-record) error, although the inter-station (station-to-station) error is not negligible and is of several magnitude units for some stations. Moreover, it is shown that the intra-station component of error is not random but depends on the travel path from a source area to a given station. Consequently, empirical corrections may be used to account for the heterogeneities of the real Earth not considered in the theoretical calculations of the spectral amplitude decay functions used to correct the recorded data for the propagation effects.
N2  - Starke Erdbeben in letzter Zeit zeigten deutlich den steigenden Bedarf nach einer Verbesserung und Entwicklung von stabilen und schnellen Methoden, um die Magnitude eines Erdbebens korrekt innerhalb kürzester Zeit nach dessen Auftreten zu ermitteln. Das bisher bekannteste Fallbeispiel in diesem Zusammenhang stellt das Sumatra-Erdbeben vom 26 Dezember 2004 dar. Dieses außergewöhnliche Ereignis zeigte deutlich die Grenzen der bisher gängigen und von den meisten Behörden zu dieser Zeit verwendeten Methoden zur Ermittlung der Erdbebenmagnitude. So konnte für dieses Beben mit den gängigen Ansätzen zeitnah die Magnitude nicht korrekt bestimmt werden , um eine angemessene Frühwarnung und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Die Energiemagnitude ME steht in direkter Verbindung mit der abgestrahlten seismischen Energie ES und stellt somit eine guten Abschätzung für den Hochfrequenzanteil dar, der von der Quelle ausgestrahlt wird und in die seismischen Wellen einfließt. Eine Methode, welche eine schnelle Ermittlung von ME ermöglicht (d.h. innerhalb von maximal 15 Minuten nach dem Erdbeben) wäre in diesem Falle benötigt worden. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, die eine solche schnelle Ermittlung der Energiemagnitude ME für oberflächennahe Erdbeben ermöglicht, indem teleseismische P-Wellen im Bereich von 20°-98° analysiert werden. Um den Energieverlust der seismischen Wellen von deren Quelle bis zu den Empfängern angemessen zu berücksichtigen, werden spektrale Amplituden-Abnahmefunktionen verwendet, welche aus numerischen Simulationen von Greenschen Funktionen basierend auf dem durchschnittlichen globalen Modell AK135Q abgeleitet werden. Die vorgestellte Methode wurde mit einem umfangreichen globalen Datensatz (ca. 1000 Erdbeben) getestet, und die zeitnah ermittelten ME-Abschätzungen wurden mit anderen Magnitudenskalen verschiedener Behörden verglichen. Ein Vergleich mit der Momentenmagnitude MW war hierbei von besonderem Interesse, da diese Skala heutzutage weitverbreitet ist und häufig zum Einsatz kommt. Es zeigt sich jedoch, dass MW alleine nur begrenzte Informationen über die seismischen Herdeigenschaften liefern kann, und dass Organisationen des Katastrophenmagements von einer kombinierten Nutzung von MW und ME gerade hinsichtlich der unmittelbaren Evaluierung des tsunamigenen Potentials und der Erschütterungswirkung eines Erdbebens profitieren könnten. Die verwendete Methode zur Ermittlung von ME kommt ohne Wissen über die geometrischen Eigenschaften der Verwerfungszone aus (diese sind meist erst Stunden nach einem Erbeben verfügbar). Entsprechend wird die Eignung dieser Methode durch Eingruppierungen der analysierten Erdbeben nach ihrem Wirkungsmechanismus (Scherbruch, Abschiebung, Aufschiebung, etc.) diskutiert. Für die schnelle Abschätzung von ME ist kein klarer Trend unter Verwendung der verschiedenen Herdflächenlösungen erkennbar. Für ME-Werte, welche standardmäßig vom U.S. Geological Survey mit speziellen Korrekturwerten für die Abstrahlungscharakteristika ermittelt werden, trifft dies jedoch nicht zu. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Auswirkungen solcher Korrekturen auf die ME-Abschätzungen zu verifizieren. Indem die Redundanz der Informationen des analysierten Datensatzes ausgenutzt wurde, konnte die Varianz bei den Einzelstations-ME-Abschätzungen untersucht werden. Die größte Abweichung zeigt sich aufgrund von Intra-Stations-Fehlern (record-to-record), wenngleich auch der Inter-Stations-Fehler (station-to-station) nicht vernachlässigbar ist; so nimmt er für einige Stationen mehrere Magnitudeneinheiten an. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der Intra-Stations-Anteil des Gesamtfehlers nicht zufällig ist, sondern abhängig vom Wellenweg von einem Quellgebiet zu einer bestimmten Station. Folglich können empirische Korrekturen dazu benutzt werden, den Heterogenitäten der realen Erde gerecht zu werden, welche heutzutage nicht in den theoretischen Kalkulationen der spektralen Amplituden-Abnahmefunktionen zur Korrektur der aufgezeichneten Daten verwendet werden.
KW  - Erdbeben-Magnitude
KW  - Quellenparameter
KW  - Earthquake magnitude
KW  - source parameters
KW  - inter- and intra-station variability
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50768
ER  - 
TY  - THES
A1  - Landgraf, Angela
T1  - Fault interaction at different time- and length scales : the North Tehran thrust and Mosha-Fasham fault (Alborz mountains, Iran)
T1  - Störungsinteraktion auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen : die Nord-Teheran Überschiebung und die Mosha-Fasham Störung, Elburs Gebirge, Iran
N2  - The seismically active Alborz mountains of northern Iran are an integral part of the Arabia-Eurasia collision. Linked strike-slip and thrust/reverse-fault systems in this mountain belt are characterized by slow loading rates, and large earthquakes are highly disparate in space and time. Similar to other intracontinental deformation zones such a pattern of tectonic activity is still insufficiently understood, because recurrence intervals between seismic events may be on the order of thousands of years, and are thus beyond the resolution of short term measurements based on GPS or instrumentally recorded seismicity. This study bridges the gap of deformation processes on different time scales. In particular, my investigation focuses on deformation on the Quaternary time scale, beyond present-day deformation rates, and it uses present-day and paleotectonic characteristics to model fault behavior. The study includes data based on structural and geomorphic mapping, faultkinematic analysis, DEM-based morphometry, and numerical fault-interaction modeling. In order to better understand the long- to short term behavior of such complex fault systems, I used geomorphic surfaces as strain markers and dated fluvial and alluvial surfaces using terrestrial cosmogenic nuclides (TCN, 10Be, 26Al, 36Cl) and optically stimulated luminescence (OSL). My investigation focuses on the seismically active Mosha-Fasham fault (MFF) and the seismically virtually inactive North Tehran Thrust (NTT), adjacent to the Tehran metropolitan area. Fault-kinematic data reveal an early mechanical linkage of the NTT and MFF during an earlier dextral transpressional stage, when the shortening direction was oriented northwest. This regime was superseded by Pliocene to Recent NE-oriented shortening, which caused thrusting and sinistral strike-slip faulting. In the course of this kinematic changeover, the NTT and MFF were reactivated and incorporated into a nascent transpressional duplex, which has significantly affected landscape evolution in this part of the range. Two of three distinctive features which characterize topography and relief in the study area can be directly related to their location inside the duplex array and are thus linked to interaction between eastern MFF and NTT, and between western MFF and Taleghan fault, respectively. To account for inferred inherited topography from the previous dextral-transpression regime, a new concept of tectonic landscape characterization has been used. Accordingly, I define simple landscapes as those environments, which have developed during the influence of a sustained tectonic regime. In contrast, composite landscapes contain topographic elements inherited from previous tectonic conditions that are inconsistent with the regional present-day stress field and kinematic style. Using numerical fault-interaction modeling with different tectonic boundary conditions, I calculated synoptic snapshots of artificial topography to compare it with the real topographic metrics. However, in the Alborz mountains, E-W faults are favorably oriented to accommodate the entire range of NW- to NE-directed compression. These faults show the highest total displacement which might indicate sustained faulting under changing boundary conditions. In contrast to the fault system within and at the flanks of the Alborz mountains, Quaternary deformation in the adjacent Tehran plain is characterized by oblique motion and thrust and strike-slip fault systems. In this morphotectonic province fault-propagation folding along major faults, limited strike-slip motion, and en-échelon arrays of second-order upper plate thrusts are typical. While the Tehran plain is characterized by young deformation phenomena, the majority of faulting took place in the early stages of the Quaternary and during late Pliocene time. TCN-dating, which was performed for the first time on geomorphic surfaces in the Tehran plain, revealed that the oldest two phases of alluviation (units A and B) must be older than late Pleistocene. While urban development in Tehran increasingly covers and obliterates the active fault traces, the present-day kinematic style, the vestiges of formerly undeformed Quaternary landforms, and paleo earthquake indicators from the last millennia attest to the threat that these faults and their related structures pose for the megacity.
N2  - Das seismisch aktive Elburs Gebirge im Nordiran ist Bestandteil der Arabisch-Eurasischen Kollisionszone. Gekoppelte Blattverschiebungs- und Überschiebungssysteme dieses Gebirges zeichnen sich durch geringe Spannungsaufbauraten aus. Dementsprechend treten große Erdbeben räumlich und zeitlich weit verteilt voneinander auf und Wiederkehrperioden solcher Erdbeben können tausende von Jahren dauern und wurden noch nicht von kurzzeitigen Messmethoden, wie GPS oder instrumenteller Seismologie erfasst. Diese Arbeit überbrückt verschiedene Zeitskalen. Diese Studie beinhaltet insbesondere Auswertungen struktureller und geomorphologischer Kartierungen, störungskinematische Analysen, auf digitalen Höhenmodellen basierende Morphometrie und numerische Modellierung von Störungsinteraktion. Um das lang- und kurzfristige Verhalten solcher komplexen Schwächezonen besser zu verstehen, benutze ich geomorphologische Oberflächen als Deformationsmarker und datiere alluviale und fluviatile Oberflächen mittels kosmogener Nuklide (TCN, 10Be, 26Al, 36Cl) und optisch stimulierter Lumineszenz (OSL). Mein Untersuchungsgebiet umfasst die seismisch aktive Mosha-Fasham Störung (MFF) und die als seismisch quasi inaktiv geltende Nordteheranstörung (NTT), die sich in unmittelbarer Nähe zum Teheraner Ballungsgebiet befinden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Deformationfeld mit der Zeit verändert hat. Die störungskinematischen Daten haben ergeben, dass NTT und MFF bereits seit einer früheren dextral-transpressionalen Phase unter NW-gerichteter Einengung mechanisch gekoppelt sind. Dieses System wurde von pliozäner und bis heute andauernder NE-gerichteter Einengung ersetzt, woraufhin sich Überschiebungen und linkslaterale Blattverschiebungen herausbildeten. Während dieses kinematischen Wechsels wurden NTT und MFF reaktiviert und in ein beginnendes transpressionales Duplexsystem eingebunden, welches die Landschaftentwicklung in diesem Teil des Gebirges signifikant beeinflusst hat. Zwei von drei ausgeprägten topographischen Besonderheiten des Untersuchungsgebietes können direkt mit deren Lage in der Duplexanordnung in Verbindung gebracht werden und spiegeln Interaktion zwischen den östlichen Segmenten von NTT und MFF, bzw., zwischen dem westlichen Segment der MFF und der parallelen Taleghan Schwächezone wider. Um diejenige Topographie auszuweisen, die möglicherweise aus der vorhergehenden Phase vererbt wurde, wurde ein neues Konzept tektonischer Landschaftscharakterisierung benutzt. Einfache Landschaften sind unter dem Einfluß gleichbleibender tektonischer Randbedingungen entstanden. Dagegen enthalten zusammengesetzte Landschaften vererbte Elemente vergangener tektonischer Randbedingungen, die mit dem heutigen Spannungsfeld und kinematischen Stil unvereinbar sind. Mittels numerischer Störungsinteraktionsmodellierungen teste ich verschiedene Randbedingungen und berechne synoptische Momentaufnahmen künstlicher Topographie um sie mit reellen topographischen Maßen zu vergleichen. Im Elburs Gebirge treten allerdings auch E-W streichende Schwächezonen auf, die so günstig orientiert sind, dass sie Verformung unter der gesamten Einengungsspanne von Nordwest nach Nordost zeigen. Diese weisen den höchsten totalen Versatz auf. Hier tritt das Grundgebirge zutage und wird versetzt, was, wie die Modellierungen vermuten lassen, auf langanhaltende Verformung unter sich ändernden Randbedingungen hinweisen kann. Quartäre Deformation in der benachbarten Teheran Ebene ist durch Schrägbewegungen, Überschiebungen und Blattverschiebungssyteme gekennzeichnet, die typischerweise in Auffaltungen entlang von Hauptstörungen, vereinzelten Blattverschiebungen und en-échelon Anordnungen untergeordneter oberflächlicher Überschiebungen resultieren. Junge Deformation tritt auf, die Hauptbewegungen fanden allerdings im frühen Quartär und wahrscheinlich späten Pliozän statt. TCN-Datierungen, die erstmalig an geomorphologischen Oberflächen in der Teheran Ebene durchgeführt wurden, ergeben dass die beiden älteren Sedimentationsphasen (Einheiten A und B) älter sind als spätes Pleistozän. Obwohl die urbane Entwicklung im Teheraner Ballungsraum die aktiven Störungslinien zunehmend verdeckt und ausradiert, zeugen der heutige kinematische Stil, die Überreste ehemals unverstellter Quartärer Landschaftsformen und Hinweise auf Paläoerdbeben während der letzten Jahrtausende von der Gefahr, die diese Schwächezonen für die Megastadt bedeuten.
KW  - Störungsinteraktion
KW  - Tektonische Geomorphologie
KW  - Kosmogene Nuklide
KW  - Elburs
KW  - Iran
KW  - Fault interaction
KW  - Tectonic geomorphology
KW  - Cosmogenic nuclides
KW  - Alborz
KW  - Iran
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50800
ER  - 
TY  - THES
A1  - Böniger, Urs
T1  - Attributes and their potential to analyze and interpret 3D GPR data
T1  - Attribute und deren Potenzial zur Analyse und Interpretation von 3D Georadardaten
N2  - Based on technological advances made within the past decades, ground-penetrating radar (GPR) has become a well-established, non-destructive subsurface imaging technique. Catalyzed by recent demands for high-resolution, near-surface imaging (e.g., the detection of unexploded ordnances and subsurface utilities, or hydrological investigations), the quality of today's GPR-based, near-surface images has significantly matured. At the same time, the analysis of oil and gas related reflection seismic data sets has experienced significant advances. Considering the sensitivity of attribute analysis with respect to data positioning in general, and multi-trace attributes in particular, trace positioning accuracy is of major importance for the success of attribute-based analysis flows. Therefore, to study the feasibility of GPR-based attribute analyses, I first developed and evaluated a real-time GPR surveying setup based on a modern tracking total station (TTS). The combination of current GPR systems capability of fusing global positioning system (GPS) and geophysical data in real-time, the ability of modern TTS systems to generate a GPS-like positional output and wireless data transmission using radio modems results in a flexible and robust surveying setup. To elaborate the feasibility of this setup, I studied the major limitations of such an approach: system cross-talk and data delays known as latencies. Experimental studies have shown that when a minimal distance of ~5 m between the GPR and the TTS system is considered, the signal-to-noise ratio of the acquired GPR data using radio communication equals the one without radio communication. To address the limitations imposed by system latencies, inherent to all real-time data fusion approaches, I developed a novel correction (calibration) strategy to assess the gross system latency and to correct for it. This resulted in the centimeter trace accuracy required by high-frequency and/or three-dimensional (3D) GPR surveys. Having introduced this flexible high-precision surveying setup, I successfully demonstrated the application of attribute-based processing to GPR specific problems, which may differ significantly from the geological ones typically addressed by the oil and gas industry using seismic data. In this thesis, I concentrated on archaeological and subsurface utility problems, as they represent typical near-surface geophysical targets. Enhancing 3D archaeological GPR data sets using a dip-steered filtering approach, followed by calculation of coherency and similarity, allowed me to conduct subsurface interpretations far beyond those obtained by classical time-slice analyses. I could show that the incorporation of additional data sets (magnetic and topographic) and attributes derived from these data sets can further improve the interpretation. In a case study, such an approach revealed the complementary nature of the individual data sets and, for example, allowed conclusions about the source location of magnetic anomalies by concurrently analyzing GPR time/depth slices to be made. In addition to archaeological targets, subsurface utility detection and characterization is a steadily growing field of application for GPR. I developed a novel attribute called depolarization. Incorporation of geometrical and physical feature characteristics into the depolarization attribute allowed me to display the observed polarization phenomena efficiently. Geometrical enhancement makes use of an improved symmetry extraction algorithm based on Laplacian high-boosting, followed by a phase-based symmetry calculation using a two-dimensional (2D) log-Gabor filterbank decomposition of the data volume. To extract the physical information from the dual-component data set, I employed a sliding-window principle component analysis. The combination of the geometrically derived feature angle and the physically derived polarization angle allowed me to enhance the polarization characteristics of subsurface features. Ground-truth information obtained by excavations confirmed this interpretation. In the future, inclusion of cross-polarized antennae configurations into the processing scheme may further improve the quality of the depolarization attribute. In addition to polarization phenomena, the time-dependent frequency evolution of GPR signals might hold further information on the subsurface architecture and/or material properties. High-resolution, sparsity promoting decomposition approaches have recently had a significant impact on the image and signal processing community. In this thesis, I introduced a modified tree-based matching pursuit approach. Based on different synthetic examples, I showed that the modified tree-based pursuit approach clearly outperforms other commonly used time-frequency decomposition approaches with respect to both time and frequency resolutions. Apart from the investigation of tuning effects in GPR data, I also demonstrated the potential of high-resolution sparse decompositions for advanced data processing. Frequency modulation of individual atoms themselves allows to efficiently correct frequency attenuation effects and improve resolution based on shifting the average frequency level. GPR-based attribute analysis is still in its infancy. Considering the growing widespread realization of 3D GPR studies there will certainly be an increasing demand towards improved subsurface interpretations in the future. Similar to the assessment of quantitative reservoir properties through the combination of 3D seismic attribute volumes with sparse well-log information, parameter estimation in a combined manner represents another step in emphasizing the potential of attribute-driven GPR data analyses.
N2  - Geophysikalische Erkundungsmethoden haben in den vergangenen Jahrzehnten eine weite Verbreitung bei der zerstörungsfreien beziehungsweise zerstörungsarmen Erkundung des oberflächennahen Untergrundes gefunden. Im Vergleich zur Vielzahl anderer existierender Verfahrenstypen ermöglicht das Georadar (auch als Ground Penetrating Radar bezeichnet) unter günstigen Standortbedingungen Untersuchungen mit der höchsten räumlichen Auflösung. Georadar zählt zu den elektromagnetischen (EM) Verfahren und beruht als Wellenverfahren auf der Ausbreitung von hochfrequenten EM-Wellen, das heisst deren Reflektion, Refraktion und Transmission im Untergrund. Während zweidimensionale Messstrategien bereits weit verbreitet sind, steigt gegenwärtig das Interesse an hochauflösenden, flächenhaften Messstrategien, die es erlauben, Untergrundstrukturen dreidimensional abzubilden. Ein dem Georadar prinzipiell ähnliches Verfahren ist die Reflexionsseismik, deren Hauptanwendung in der Lagerstättenerkundung liegt. Im Laufe des letzten Jahrzehnts führte der zunehmende Bedarf an neuen Öl- und Gaslagerstätten sowie die Notwendigkeit zur optimalen Nutzung existierender Reservoirs zu einer verstärkten Anwendung und Entwicklung sogenannter seismischer Attribute. Attribute repräsentieren ein Datenmaß, welches zu einer verbesserten visuellen Darstellung oder Quantifizierung von Dateneigenschaften führt die von Relevanz für die jeweilige Fragestellung sind. Trotz des Erfolgs von Attributanalysen bei reservoirbezogenen Anwendungen und der grundlegenden Ähnlichkeit von reflexionsseismischen und durch Georadar erhobenen Datensätzen haben attributbasierte Ansätze bisher nur eine geringe Verbreitung in der Georadargemeinschaft gefunden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Potential von Attributanalysen zur verbesserten Interpretation von Georadardaten zu untersuchen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf Anwendungen aus der Archäologie und dem Ingenieurwesen. Der Erfolg von Attributen im Allgemeinen und von solchen mit Berücksichtigung von Nachbarschaftsbeziehungen im Speziellen steht in engem Zusammenhang mit der Genauigkeit, mit welcher die gemessenen Daten räumlich lokalisiert werden können. Vor der eigentlichen Attributuntersuchung wurden deshalb die Möglichkeiten zur kinematischen Positionierung in Echtzeit beim Georadarverfahren untersucht. Ich konnte zeigen, dass die Kombination von modernen selbstverfolgenden Totalstationen mit Georadarinstrumenten unter Verwendung von leistungsfähigen Funkmodems eine zentimetergenaue Positionierung ermöglicht. Experimentelle Studien haben gezeigt, dass die beiden potentiell limitierenden Faktoren - systeminduzierte Signalstöreffekte und Datenverzögerung (sogenannte Latenzzeiten) - vernachlässigt beziehungsweise korrigiert werden können. In der Archäologie ist die Untersuchung oberflächennaher Strukturen und deren räumlicher Gestalt wichtig zur Optimierung geplanter Grabungen. Das Georadar hat sich hierbei zu einem der wohl am meisten genutzten zerstörungsfreien geophysikalischen Verfahren entwickelt. Archäologische Georadardatensätze zeichnen sich jedoch oft durch eine hohe Komplexität aus, was mit der wiederholten anthropogenen Nutzung des oberflächennahen Untergrundes in Verbindung gebracht werden kann. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Verwendung zweier unterschiedlicher Attribute zur Beschreibung der Variabilität zwischen benachbarten Datenspuren eine deutlich verbesserte Interpretation in Bezug auf die Fragestellung ermöglicht. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass eine integrative Auswertung von mehreren Datensätzen (methodisch sowie bearbeitungstechnisch) zu einer fundierteren Interpretation führen kann, zum Beispiel bei komplementären Informationen der Datensätze. Im Ingenieurwesen stellen Beschädigungen oder Zerstörungen von Versorgungsleitungen im Untergrund eine große finanzielle Schadensquelle dar. Polarisationseffekte, das heisst Änderungen der Signalamplitude in Abhängigkeit von Akquisitions- sowie physikalischen Parametern stellen ein bekanntes Phänomen dar, welches in der Anwendung bisher jedoch kaum genutzt wird. In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie Polarisationseffekte zu einer verbesserten Interpretation verwendet werden können. Die Überführung von geometrischen und physikalischen Attributen in ein neues, so genanntes Depolarisationsattribut hat gezeigt, wie unterschiedliche Leitungstypen extrahiert und anhand ihrer Polarisationscharakteristika klassifiziert werden können. Weitere wichtige physikalische Charakteristika des Georadarwellenfeldes können mit dem Matching Pursuit-Verfahren untersucht werden. Dieses Verfahren hatte in den letzten Jahren einen großen Einfluss auf moderne Signal- und Bildverarbeitungsansätze. Matching Pursuit wurde in der Geophysik bis jetzt hauptsächlich zur hochauflösenden Zeit-Frequenzanalyse verwendet. Anhand eines modifizierten Tree-based Matching Pursuit Algorithmus habe ich demonstriert, welche weiterführenden Möglichkeiten solche Datenzerlegungen für die Bearbeitung und Interpretation von Georadardaten eröffnen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, wie moderne Vermessungstechniken und attributbasierte Analysestrategien genutzt werden können um dreidimensionale Daten effektiv und genau zu akquirieren beziehungsweise die resultierenden Datensätze effizient und verlässlich zu interpretieren.
KW  - Attributanalyse
KW  - Georadar
KW  - Bildbearbeitung
KW  - attribute analysis
KW  - ground penetrating radar
KW  - image processing
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50124
ER  -