TY  - THES
A1  - Courtin, Jérémy
T1  - Biodiversity changes in Siberia between quaternary glacial and interglacial stages
T1  - Veränderungen der Biodiversität in Sibirien zwischen Quartären Glazial- und Interglazialphasen
BT  - exploring the potential of sedaDNA
BT  - das Potenzial von sedaDNA erforschen
N2  - Der vom Menschen verursachte Klimawandel wirkt sich auf die biologische Vielfalt der Erde und damit auf die Ökosysteme und ihre Leistungen aus. Die Ökosysteme in den hohen Breitengraden sind aufgrund der verstärkten Erwärmung an den Polen noch stärker betroffen als der Rest der nördlichen Hemisphäre. Dennoch ist es schwierig, die Dynamik von Ökosystemen in den hohen Breitengraden vorherzusagen, da die Wechselwirkungen zwischen abiotischen und biotischen Komponenten sehr komplex sind. Da die Vergangenheit der Schlüssel zur Zukunft ist, ist die Interpretation vergangener ökologischer Veränderungen möglich, um laufende Prozesse besser zu verstehen. Im Quartär durchlief das Pleistozän mehrere glaziale und interglaziale Phasen, welche die Ökosysteme der Vergangenheit beeinflussten. Während des letzten Glazials bedeckte die pleistozäne Steppentundra den größten Teil der unvergletscherten nördlichen Hemisphäre und verschwand parallel zum Aussterben der Megafauna am Übergang zum Holozän (vor etwa 11 700 Jahren). Der Ursprung des Rückgangs der Steppentundra ist nicht gut erforscht, und die Kenntnis über die Mechanismen, die zu den Veränderungen in den vergangenen Lebensgemeinschaften und Ökosystemen geführt haben, ist von hoher Priorität, da sie wahrscheinlich mit denen vergleichbar sind, die sich auf moderne Ökosysteme auswirken. Durch die Entnahme von See- oder Permafrostkernsedimenten kann die vergangene Artenvielfalt an den Übergängen zwischen Eis- und Zwischeneiszeiten untersucht werden. Sibirien und Beringia waren der Ursprung der Ausbreitung der Steppentundra, weshalb die Untersuchung dieses Gebiets hohe Priorität hat. Bis vor kurzem waren Makrofossilien und Pollen die gängigsten Methoden. Sie dienen der Rekonstruktion vergangener Veränderungen in der Zusammensetzung der Bevölkerung, haben aber ihre Grenzen und Schwächen. Seit Ende des 20. Jahrhunderts kann auch sedimentäre alte DNA (sedaDNA) untersucht werden. Mein Hauptziel war es, durch den Einsatz von sedaDNA-Ansätzen wissenschaftliche Beweise für Veränderungen in der Zusammensetzung und Vielfalt der Ökosysteme der nördlichen Hemisphäre am Übergang zwischen den quartären Eiszeiten und Zwischeneiszeiten zu liefern.
In dieser Arbeit liefere ich Momentaufnahmen ganzer alter Ökosysteme und beschreibe die Veränderungen in der Zusammensetzung zwischen Quartärglazialen und Interglazialen und bestätige die Vegetationszusammensetzung sowie die räumlichen und zeitlichen Grenzen der pleistozänen Steppentundra. Ich stelle einen allgemeinen Verlust der Pflanzenvielfalt fest, wobei das Aussterben der Pflanzen parallel zum Aussterben der Megafauna verlief. Ich zeige auf, wie der Verlust der biotischen Widerstandsfähigkeit zum Zusammenbruch eines zuvor gut etablierten Systems führte, und diskutiere meine Ergebnisse im Hinblick auf den laufenden Klimawandel. Mit weiteren Arbeiten zur Eingrenzung von Verzerrungen und Grenzen kann sedaDNA parallel zu den etablierteren Makrofossilien- und Pollenansätzen verwendet werden oder diese sogar ersetzen, da meine Ergebnisse die Robustheit und das Potenzial von sedaDNA zur Beantwortung neuer paläoökologischer Fragen wie Veränderungen der Pflanzenvielfalt und -verluste belegen und Momentaufnahmen ganzer alter Biota liefern.
N2  - Climate change of anthropogenic origin is affecting Earth’s biodiversity and therefore ecosystems and their services. High latitude ecosystems are even more impacted than the rest of Northern Hemisphere because of the amplified polar warming. Still, it is challenging to predict the dynamics of high latitude ecosystems because of complex interaction between abiotic and biotic components. As the past is the key to the future, the interpretation of past ecological changes to better understand ongoing processes is possible. In the Quaternary, the Pleistocene experienced several glacial and interglacial stages that affected past ecosystems. During the last Glacial, the Pleistocene steppe-tundra was covering most of unglaciated northern hemisphere and disappeared in parallel to the megafauna’s extinction at the transition to the Holocene (~11,700 years ago). The origin of the steppe-tundra decline is not well understood and knowledge on the mechanisms, which caused shifts in past communities and ecosystems, is of high priority as they are likely comparable to those affecting modern ecosystems. Lake or permafrost core sediments can be retrieved to investigate past biodiversity at transitions between glacial and interglacial stages. Siberia and Beringia were the origin of dispersal of the steppe-tundra, which make investigation this area of high priority. Until recently, macrofossils and pollen were the most common approaches. They are designed to reconstruct past composition changes but have limit and biases. Since the end of the 20th century, sedimentary ancient DNA (sedaDNA) can also be investigated. My main objectives were, by using sedaDNA approaches to provide scientific evidence of compositional and diversity changes in the Northern Hemisphere ecosystems at the transition between Quaternary glacial and interglacial stages.
In this thesis, I provide snapshots of entire ancient ecosystems and describe compositional changes between Quaternary glacial and interglacial stages, and confirm the vegetation composition and the spatial and temporal boundaries of the Pleistocene steppe-tundra. I identify a general loss of plant diversity with extinction events happening in parallel of megafauna’ extinction. I demonstrate how loss of biotic resilience led to the collapse of a previously well-established system and discuss my results in regards to the ongoing climate change. With further work to constrain biases and limits, sedaDNA can be used in parallel or even replace the more established macrofossils and pollen approaches as my results support the robustness and potential of sedaDNA to answer new palaeoecological questions such as plant diversity changes, loss and provide snapshots of entire ancient biota.
KW  - sedaDNA
KW  - pleistocene
KW  - paleoecology
KW  - climate change
KW  - holocene
KW  - Siberia
KW  - sedaDNA
KW  - Pleistozän
KW  - Paläoökologie
KW  - Holozän
KW  - Klimawandel
KW  - Sibirien
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-595847
ER  - 
TY  - THES
A1  - Campos de Andrade, André Luiz
T1  - Governing climate change in Brazil
T1  - Steuerung des Klimawandels in Brasilien
BT  - a governance gap analysis of selected cases
BT  - eine Analyse von Governance-Lücken an ausgewählten Fällen
N2  - Enacted in 2009, the National Policy on Climate Change (PNMC) is a milestone in the institutionalisation of climate action in Brazil. It sets greenhouse gas (GHG) emission reduction targets and a set of principles and directives that are intended to lay the foundations for a cross-sectoral and multilevel climate policy in the country. However, after more than a decade since its establishment, the PNMC has experienced several obstacles related to its governance, such as coordination, planning and implementation issues. All of these issues pose threats to the effectiveness of GHG mitigation actions in the country.
By looking at the intragovernmental and intergovernmental relationships that have taken place during the lifetime of the PNMC and its sectoral plans on agriculture (the Sectoral Plan for Mitigation and Adaptation to Climate Change for the Consolidation of a Low-Carbon Economy in Agriculture [ABC Plan]), transport and urban mobility (the Sectoral Plan for Transportation and Urban Mobility for Mitigation and Adaption of Climate Change [PSTM]), this exploratory qualitative research investigates the Brazilian climate change governance guided by the following relevant questions: how are climate policy arrangements organised and coordinated among governmental actors to mitigate GHG emissions in Brazil? What might be the reasons behind how such arrangements are established? What are the predominant governance gaps of the different GHG mitigation actions examined? Why do these governance gaps occur? 
Theoretically grounded in the literature on multilevel governance and coordination of public policies, this study employs a novel analytical framework that aims to identify and discuss the occurrence of four types of governance gaps (i.e. politics, institutions and processes, resources and information) in the three GHG mitigation actions (cases) examined (i.e. the PNMC, ABC Plan and PSTM). The research results are twofold. First, they reveal that Brazil has struggled to organise and coordinate governmental actors from different policy constituencies and different levels of government in the implementation of the GHG mitigation actions examined. Moreover, climate policymaking has mostly been influenced by the Ministry of Environment (MMA) overlooking the multilevel and cross-sectoral approaches required for a country’s climate policy to mitigate and adapt to climate change, especially if it is considered an economy-wide Nationally Determined Contribution (NDC), as the Brazilian one is. 
Second, the study identifies a greater manifestation of gaps in politics (e.g. lack of political will in supporting climate action), institutions and processes (e.g. failures in the design of institutions and policy instruments, coordination and monitoring flaws, and difficulties in building climate federalism) in all cases studied. It also identifies that there have been important advances in the production of data and information for decision-making and, to a lesser extent, in the allocation of technical and financial resources in the cases studied; however, it is necessary to highlight the limitation of these improvements due to turf wars, a low willingness to share information among federal government players, a reduced volume of financial resources and an unequal distribution of capacities among the federal ministries and among the three levels of government.
A relevant finding is that these gaps tend to be explained by a combination of general and sectoral set aspects. Regarding the general aspects, which are common to all cases examined, the following can be mentioned: i) unbalanced policy capabilities existing among the different levels of government, ii) a limited (bureaucratic) practice to produce a positive coordination mode within cross-sectoral policies, iii) the socioeconomic inequalities that affect the way different governments and economic sectors perceive the climate issue (selective perception) and iv) the reduced dialogue between national and subnational governments on the climate agenda (poor climate federalism). The following sectoral aspects can be mentioned: i) the presence of path dependencies that make the adoption of transformative actions harder and ii) the absence of perceived co-benefits that the climate agenda can bring to each economic sector (e.g. reputational gains, climate protection and access to climate financial markets).
By addressing the theoretical and practical implications of the results, this research provides key insights to tackle the governance gaps identified and to help Brazil pave the way to achieving its NDCs and net-zero targets. At the theoretical level, this research and the current country’s GHG emissions profile suggest that the Brazilian climate policy is embedded in a cross-sectoral and multilevel arena, which requires the effective involvement of different levels of political and bureaucratic powers and the consideration of the country’s socioeconomic differences. Thus, the research argues that future improvements of the Brazilian climate policy and its governance setting must frame climate policy as an economic development agenda, the ramifications of which go beyond the environmental sector. An initial consequence of this new perspective may be a shift in the political and technical leadership from the MMA to the institutions of the centre of government (Executive Office of the President of Brazil) and those in charge of the country’s economic policy (Ministry of Economy). This change could provide greater capacity for coordination, integration and enforcement as well as for addressing certain expected gaps (e.g. financial and technical resources). It could also lead to greater political prioritisation of the agenda at the highest levels of government. Moreover, this shift of the institutional locus could contribute to greater harmonisation between domestic development priorities and international climate politics. Finally, the research also suggests that this approach would reduce bureaucratic elitism currently in place due to climate policy being managed by Brazilian governmental institutions, which is still a theme of a few ministries and a reason for the occurrence of turf wars.
N2  - Das 2009 verabschiedete nationale Klimagesetz (PNMC) war ein Meilenstein für die Institutionalisierung von Klimaschutzmaßnahmen in Brasilien. Es legt die Ziele für die Reduzierung der Treibhausgasemissionen (THG) sowie eine Reihe von Grundsätzen und Richtlinien fest, die die Grundlage für eine sektorübergreifende und mehrstufige Klimapolitik im Land bilden. Mehr als ein Jahrzehnt nach seiner in Kraftsetzung stößt das PNMC jedoch auf verschiedene Hindernisse in Zusammenhang mit seiner Ausführung, wie z. B. die Koordination, Planung und Umsetzung. All diese Probleme gefährden fortwährend die Wirksamkeit der Maßnahmen zur Verringerung der Treibhausgasemissionen im Land.
Durch die Untersuchung der inner- und zwischenstaatlichen Beziehungen, die seit des Bestehens des PNMC und den damit einhergehenden Sektorplänen für Landwirtschaft (Sektorplan zur Minderung und Anpassung an den Klimawandel für die Konsolidierung einer kohlenstoffarmen Wirtschaft in der Landwirtschaft - ABC-Plan)und für Verkehr und urbane Mobilität (Sektorplan für den Verkehr und die urbane Mobilität zur Minderung und Anpassung an den Klimawandel - PSTM) , untersucht die vorliegende  explorative qualitative Forschung die Governance der brasilianischen Klimapolitik anhand der folgenden relevanten Fragestellungen: Wie sind die klimapolitischen Maßnahmen zur Minderung der Treibhausgasemissionen in Brasilien organisiert und zwischen den staatlichen Akteuren koordiniert? Was könnten die Gründe für die Art und Weise der gewählten Organisationsform sein? Was sind die vorherrschenden Governance-Lücken bei den untersuchten THG-Minderungsmaßnahmen? Was sind die Gründe für die Entstehung dieser Lücken?  
Auf der theoretischen Grundlage der Literatur über Multi-Level-Governance und über die Koordinierung öffentlicher Maßnahmen wird in dieser Studie ein neuartiger analytischer Rahmen verwendet, der darauf abzielt, das Auftreten von vier Arten von Governance-Lücken (Politik, Institutionen & Prozesse, Ressourcen und Informationen) in den drei untersuchten THG-Minderungsmaßnahmenbündeln (PNMC, ABC-Plan und PSTM) zu identifizieren und zu diskutieren. Dabei konnten im Ergebnis zwei wesentliche Governance-Lücken identifiziert werden. 
Erstens zeigt die Studie, dass sich Brasilien schwer tut, Regierungsakteure aus verschiedenen Politikbereichen und von verschiedenen Regierungsebenen zu organisieren und zu koordinieren, um die betrachteten THG-Minderungsmaßnahmen umzusetzen. Gleichzeitig wird die Klimapolitik hauptsächlich vom Umweltministerium (MMA) gestaltet, das die für eine Klimapolitik erforderlichen Mehrebenen- und sektorübergreifenden Ansätze zur Minderung und Anpassung s Landes an den Klimawandel vernachlässigt, insbesondere da es sich - wie in Brasilien - um einen wirtschaftübergreifendes (economy wide), national festgelegten Beitrag (NDC) handelt. 
Zweitens stellt die Studie fest, dass sich in allen untersuchten Fällen immer größer werdende Lücken in der Politik (z. B. mangelnder politischer Wille zur Unterstützung von Klimaschutzmaßnahmen), in den Institutionen und Prozessen (z. B. Versäumnisse beim Design von Institutionen und politischen Instrumenten; Koordinierungs- und Überwachungsmängel; Schwierigkeiten beim Aufbau eines „Klimaföderalismus“) zu beobachten sind. Gleichwohl zeigen die Erkenntnisse aus den untersuchten Fällen, dass es auch wichtige Fortschritte bei der Erhebung von Daten und Informationen für eine Entscheidungsfindung und - in geringerem Maße - bei der Zuweisung technischer und finanzieller Ressourcen gegeben hat. Dennoch ist es notwendig, die Begrenztheit dieser Verbesserungen zu benennen, die auf Kompetenzstreitigkeiten, eine geringe Bereitschaft zum Informationsaustausch zwischen den Akteuren der Bundesregierung, ein geringes Volumen an finanziellen Ressourcen und eine ungleiche Verteilung der Personalkapazitäten zwischen den Bundesministerien und zwischen den drei Regierungsebenen zurückzuführen sind.
Eine wesentliche Erkenntnis der vorliegenden Arbeit ist, dass die zuvor beschriebenen Lücken vorwiegend durch eine Kombination von allgemeinen und sektoralen Aspekten zu erklären sind. Zu den allgemeinen Aspekten, die in allen untersuchten Fällen identifiziert wurden, gehören: i) unausgewogene politische Kapazitäten zwischen den verschiedenen Regierungsebenen; ii) eine mangelnde Verwaltungspraxis zur Schaffung eines positiven Koordinationsmodus innerhalb sektorübergreifender Politiken; iii) die sozioökonomischen Ungleichheiten, die sich auf die Art und Weise auswirken, wie verschiedene Regierungen und Wirtschaftssektoren das Klimaproblem wahrnehmen (selektive Wahrnehmung); iv) der eingeschränkte Dialog zwischen nationalen und subnationalen Regierungsebenen über die Klimaagenda (schwacher  „Klimaföderalismus“). Als sektorale Aspekte können genannt werden: i) das Vorhandensein von Pfadabhängigkeiten, die die Befürwortung von transformativen Maßnahmen erschweren; und ii) der (unzureichend) wahrgenommene Zusatznutzen, den die Klimaagenda jedem Wirtschaftssektor bringen kann (z. B. Reputationsgewinn, Klimaschutz, Zugang zu Klima-Finanzmärkten).
Indem die Forschungsarbeit die theoretischen und praktischen Implikationen der Ergebnisse anspricht, liefert sie wichtige Erkenntnisse, um die identifizierten Governance-Lücken zu schließen und Brasilien dabei zu helfen, den Weg zur Erreichung seiner NDCs und Netto-Null-Ziele zu gestalten. Auf theoretischer Ebene und vor dem Hintergrund des aktuellen Treibhausgasemissionsprofils des Landes empfiehlt die vorliegende Arbeit, dass die brasilianische Klimapolitik als eine sektorübergreifende und vielschichtige politische Agenda implementiert wird, die eine effektive Beteiligung verschiedener politischer und Verwaltungs- Ebenen sowie eine Berücksichtigung der sozioökonomischen Unterschiede des Landes erfordert. Daher argumentiert die Studie, dass künftige Verbesserungen der brasilianischen Klimapolitik und ihrer Rahmenbedingungen, die Klimapolitik als eine wirtschaftliche Entwicklungsagenda verstehen müssen, deren Auswirkungen über den Umweltsektor hinausgehen. Eine erste Konsequenz dieser neuen Perspektive ist eine Verlagerung der politischen und technischen Führung vom MMA zu den Institutionen des Regierungszentrums (Casa Civil) und der Wirtschaftspolitik des Landes (Wirtschaftsministerium). Dieser Wechsel könnte größere Kapazitäten für die Koordinierung, Integration und den Vollzug, sowie für die Schließung bestimmter erwarteter Lücken (z. B. finanzielle und technische Ressourcen) schaffen. Sie könnte auch zu einer stärkeren politischen Priorisierung der Agenda auf den höchsten Regierungsebenen führen. Außerdem könnte diese Veränderung der institutionellen Verankerung zu einer stärkeren Harmonisierung zwischen den nationalen Entwicklungsprioritäten und der internationalen Klimapolitik beitragen. Schließlich deutet die Untersuchung auch darauf hin, dass dieser Ansatz die bisherige verwaltungstechnische Zentralisierung reduzieren würde, da die Umsetzung der Klimapolitik in den brasilianischen Regierungsinstitutionen immer noch ein Thema einiger weniger Ministerien ist und mit Ressortstreitigkeiten einhergeht.
KW  - climate governance
KW  - climate policy
KW  - Brazil
KW  - climate change
KW  - Brasilien
KW  - Klimawandel
KW  - Klimagovernance
KW  - Klimapolitik
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587336
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brugger, Julia
T1  - Modeling changes in climate during past mass extinctions
T1  - Modellierung von Klimaveränderungen während vergangener Massenaussterben
N2  - The evolution of life on Earth has been driven by disturbances of different types and magnitudes over the 4.6 million years of Earth’s history (Raup, 1994, Alroy, 2008). One example for such disturbances are mass extinctions which are characterized by an exceptional increase in the extinction rate affecting a great number of taxa in a short interval of geologic time (Sepkoski, 1986). During the 541 million years of the Phanerozoic, life on Earth suffered five exceptionally severe mass extinctions named the “Big Five Extinctions”. Many mass extinctions are linked to changes in climate
(Feulner, 2009). Hence, the study of past mass extinctions is not only intriguing, but can also provide insights into the complex nature of the Earth system. This thesis aims at deepening our understanding of the triggers of mass extinctions and how they affected life. To accomplish this, I investigate changes in climate during two of the Big Five extinctions using a coupled climate model.

During the Devonian (419.2–358.9 million years ago) the first vascular plants and vertebrates evolved on land while extinction events occurred in the ocean (Algeo et al., 1995). The causes of these formative changes, their interactions and their links to changes in climate are still poorly understood. Therefore, we explore the sensitivity of the Devonian climate to various boundary conditions using an intermediate-complexity climate model (Brugger et al., 2019). In contrast to Le Hir et al. (2011), we find only a minor biogeophysical effect of changes in vegetation cover due to unrealistically high soil albedo values used in the earlier study. In addition, our results cannot support the strong influence of orbital parameters on the Devonian climate, as simulated with a climate model with a strongly simplified ocean model (De Vleeschouwer et al., 2013, 2014, 2017). We can only reproduce the changes in Devonian climate suggested by proxy data by decreasing atmospheric CO2. Still, finding agreement between the evolution of sea surface temperatures reconstructed from proxy data (Joachimski et al., 2009) and our simulations remains challenging and suggests a lower δ18O ratio of Devonian seawater. Furthermore, our study of the sensitivity of the Devonian climate reveals a prevailing mode of climate variability on a timescale of decades to centuries. The quasi-periodic ocean temperature fluctuations are linked to a physical mechanism of changing sea-ice cover, ocean convection and overturning in high northern latitudes. 

In the second study of this thesis (Dahl et al., under review) a new reconstruction of atmospheric CO2 for the Devonian, which is based on CO2-sensitive carbon isotope fractionation in the earliest vascular plant fossils, suggests a much earlier drop of atmo- spheric CO2 concentration than previously reconstructed, followed by nearly constant CO2 concentrations during the Middle and Late Devonian. Our simulations for the Early Devonian with identical boundary conditions as in our Devonian sensitivity study (Brugger et al., 2019), but with a low atmospheric CO2 concentration of 500 ppm, show no direct conflict with available proxy and paleobotanical data and confirm that under the simulated climatic conditions carbon isotope fractionation represents a robust proxy for atmospheric CO2. To explain the earlier CO2 drop we suggest that early forms of vascular land plants have already strongly influenced weathering. This new perspective on the Devonian questions previous ideas about the climatic conditions and earlier explanations for the Devonian mass extinctions.

The second mass extinction investigated in this thesis is the end-Cretaceous mass extinction (66 million years ago) which differs from the Devonian mass extinctions in terms of the processes involved and the timescale on which the extinctions occurred. In the two studies presented here (Brugger et al., 2017, 2021), we model the climatic effects of the Chicxulub impact, one of the proposed causes of the end-Cretaceous extinction, for the first millennium after the impact. The light-dimming effect of stratospheric sulfate aerosols causes severe cooling, with a decrease of global annual mean surface air temperature of at least 26◦C and a recovery to pre-impact temperatures after more than 30 years. The sudden surface cooling of the ocean induces deep convection which brings nutrients from the deep ocean via upwelling to the surface ocean. Using an ocean biogeochemistry model we explore the combined effect of ocean mixing and iron-rich dust originating from the impactor on the marine biosphere. As soon as light levels have recovered, we find a short, but prominent peak in marine net primary productivity. This newly discovered mechanism could result in toxic effects for marine near-surface ecosystems. Comparison of our model results to proxy data (Vellekoop et al., 2014, 2016, Hull et al., 2020) suggests that carbon release from the terrestrial biosphere is required in addition to the carbon dioxide which can be attributed to the target material. Surface ocean acidification caused by the addition of carbon dioxide and sulfur is only moderate. Taken together, the results indicate a significant contribution of the Chicxulub impact to the end-Cretaceous mass extinction by triggering multiple stressors for the Earth system.

Although the sixth extinction we face today is characterized by human intervention in nature, this thesis shows that we can gain many insights into future extinctions from studying past mass extinctions, such as the importance of the rate of change (Rothman, 2017), the interplay of multiple stressors (Gunderson et al., 2016), and changes in the carbon cycle (Rothman, 2017, Tierney et al., 2020).
N2  - In den 4,6 Milliarden Jahren Erdgeschichte wurde die Entwicklung des Lebens durch Störungen unterschiedlichster Art geprägt (Raup, 1994, Alroy, 2008). Ein Beispiel für solche Störungen sind Massenaussterben. Diese sind durch einen außergewöhnlichen Anstieg der Aussterberate einer großen Anzahl von Taxa in einem kurzen geologischen Zeitintervall gekennzeichnet (Sepkoski, 1986). Während der 541 Millionen Jahre des Phanerozoikums traten fünf außergewöhnlich schwere Massenaussterben auf. Viele Massenaussterben stehen mit Klimaveränderungen im Zusammenhang (Feulner, 2009). Die Untersuchung vergangener Massenaussterben ist daher nicht nur faszinierend, sondern gibt auch Einblicke in die komplexen Prozesse des Erdsystems. Diese Dissertation möchte unser Verständnis für die Auslöser von Massenaussterben sowie deren Auswirkungen auf das Leben erweitern. Dazu untersuche ich die Klimaveränderungen während zwei der fünf großen Aussterbeereignisse mit Hilfe eines gekoppelten Klimamodells.

Während des Devons (vor 419,2-358,9 Millionen Jahren) entwickelten sich die ersten Gefäßpflanzen und Wirbeltiere an Land, während im Ozean Massenaussterben statt- fanden (Algeo et al., 1995). Die Ursachen dieser tiefgreifenden Veränderungen, ihre Wechselwirkungen und ihre Zusammenhänge mit Klimaveränderungen sind noch wenig verstanden. Daher untersuchen wir die Sensitivität des Klimas des Devons bezüglich verschiedener Randbedingungen mit einem Klimamodell mittlerer Komplexität (Brugger et al., 2019). Im Gegensatz zu Le Hir et al. (2011), die unrealistisch hohe Albedo Werte für den Boden verwenden, finden wir nur einen geringen biogeophysikalischen Einfluss von Änderungen der Vegetationsbedeckung. Außerdem können unsere Simulationen den starken Einfluss von Orbitalparametern, der mit einem Klimamodell mit stark vereinfachtem Ozeanmodell (De Vleeschouwer et al., 2013, 2014, 2017) simuliert wurde, nicht reproduzieren. Die in Proxydaten gefundenen klimatischen Veränderungen im Devon können wir nur durch eine Verringerung des atmosphärischen CO2 simulieren. Dennoch bleibt es eine Herausforderung, eine Übereinstimmung zwischen der aus Proxydaten
(Joachimski et al., 2009) rekonstruierten Entwicklung der Meeresoberflächentemperatu- ren und unseren Simulationen zu finden. Dies deutet auf ein niedrigeres δ18O-Verhältnis des Meerwassers im Devon hin. Außerdem finden wir im Rahmen unserer Sensitivitäts- studien eine Klimavariabilität auf einer Zeitskala von Jahrzehnten bis Jahrhunderten.
Die quasi-periodischen Schwankungen der Ozeantemperatur werden durch einen physikalischen Mechanismus aus sich verändernder Meereisbedeckung, Konvektion und Umwälzbewegung in den hohen nördlichen Breiten des Ozeans angetrieben.

In der zweiten Studie dieser Dissertation (Dahl et al., under review) präsentieren wir eine neue Rekonstruktion des atmosphärischen CO2 für das Devon, die auf CO2-sensitiver Kohlenstoffisotopenfraktionierung in den frühesten Gefäßpflanzenfossilien basiert. Diese zeigt einen viel früheren Abfall der atmosphärischen CO2-Konzentration als bisherige Rekonstruktionen, gefolgt von nahezu konstanten CO2-Konzentrationen während des Mittel- und Spätdevon. Unsere Simulationen für das frühe Devon mit identischen Rand- bedingungen wie in unserer Sensitivitätsstudie (Brugger et al., 2019), jedoch mit einer niedrigen atmosphärischen CO2-Konzentration von 500ppm, zeigen keinen direkten Konflikt mit verfügbaren Proxy- und paläobotanischen Daten. Zusätzlich bestätigen die Simulationen, dass unter den simulierten klimatischen Bedingungen die Kohlenstoff- Isotopenfraktionierung einen robusten Proxy für atmosphärisches CO2 darstellt. Um den früheren CO2-Abfall zu erklären, schlagen wir vor, dass frühe Formen von vaskulären Landpflanzen die Verwitterung bereits stark beeinflusst haben. Diese neue Sichtweise auf das Devon stellt bisherige Vorstellungen über die klimatischen Bedingungen und frühere Erklärungen für die devonischen Massenaussterben in Frage.

Das zweite in dieser Arbeit untersuchte Massenaussterben ist das Massenaussterben der späten Kreidezeit (vor 66 Millionen Jahren), das sich von denen im Devon in Bezug auf die beteiligten Prozesse und die Zeitskala der Aussterben unterscheidet. Eine der diskutierten Ursachen dieses Massenaussterbens ist der Chicxulub-Meteoriten-Einschlag. In den beiden hier vorgestellten Studien (Brugger et al., 2017, 2021) modellieren wir die klimatischen Auswirkungen des Chicxulub Einschlags für das erste Jahrtausend nach dem Einschlag. Die durch die stratosphärischen Sulfataerosole verringerte Son- neneinstrahlung verursacht eine starke Abkühlung: die global und jährlich gemittelte Oberflächenlufttemperatur nimmt um mindestens 26◦C ab und erholt sich erst nach mehr als 30 Jahren. Die plötzliche Abkühlung der Ozeanoberfläche löst bis in große Tiefen reichende Konvektion aus, die zum Nährstofftransport aus dem tiefen Ozean an die Ozea- noberfläche führt. Mit Hilfe eines biogeochemischen Modells des Ozeans untersuchen wir die kombinierte Wirkung dieser Durchmischung des Ozeans und eisenreichen Staubs aus dem Meteoriten auf die marine Biosphäre. Sobald wieder genügend Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche trifft, erreicht die marine Nettoprimärproduktion ein kurzes, aber markantes Maximum. Dieser neu entdeckte Mechanismus könnte toxische Folgen für oberflächennahe Ökosysteme des Ozeans haben. Der Vergleich unserer Modellergebnisse mit Proxydaten (Vellekoop et al., 2014, 2016, Hull et al., 2020) deutet darauf hin, dass zusätzlich zum CO2 aus dem Gestein des Einschlagortes Kohlenstoff aus der terrest- rischen Biosphäre freigesetzt wird. Die Versauerung des Oberflächenozeans durch die
Zugabe von CO2 und Schwefel ist nur moderat. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Chicxulub Einschlag einen wesentlichen Beitrag zum Massenaussterben der späten Kreidezeit leistete, indem er das Erdsystem multiplen Stressoren aussetzte.

Auch wenn das heutige sechste Aussterben durch menschliche Eingriffe in die Natur geprägt ist, zeigt diese Dissertation, dass wir aus dem Studium vergangener Massenaussterben viele Erkenntnisse über zukünftige Massenaussterben gewinnen können, wie z. B. die Bedeutung der Änderungsrate (Rothman, 2017), ein besseres Verständnis des Zusammenspiels multipler Stressoren (Gunderson et al., 2016) und die Rolle von Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf (Rothman, 2017, Tierney et al., 2020).
KW  - earth system modeling
KW  - mass extinctions
KW  - paleoclimatology
KW  - climate change
KW  - Erdsystem Modellierung
KW  - Klimawandel
KW  - Massenaussterben
KW  - Paleoklimatologie
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-532468
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bittermann, Klaus
T1  - Semi-empirical sea-level modelling
T1  - Semiempirische Meeresspiegelmodellierung
N2  - Semi-empirical sea-level models (SEMs) exploit physically motivated empirical relationships between global sea level and certain drivers, in the following global mean temperature. This model class evolved as a supplement to process-based models (Rahmstorf (2007)) which were unable to fully represent all relevant processes. They thus failed to capture past sea-level change (Rahmstorf et al. (2012)) and were thought likely to underestimate future sea-level rise. Semi-empirical models were found to be a fast and useful tool for exploring the uncertainties in future sea-level rise, consistently giving significantly higher projections than process-based models.
In the following different aspects of semi-empirical sea-level modelling have been studied. Models were first validated using various data sets of global sea level and temperature. SEMs were then used on the glacier contribution to sea level, and to infer past global temperature from sea-level data via inverse modelling. Periods studied encompass the instrumental period, covered by tide gauges (starting 1700 CE (Common Era) in Amsterdam) and satellites (first launched in 1992 CE), the era from 1000 BCE (before CE) to present, and the full length of the Holocene (using proxy data). Accordingly different data, model formulations and implementations have been used. It could be shown in Bittermann et al. (2013) that SEMs correctly predict 20th century sea-level when calibrated with data until 1900 CE. SEMs also turned out to give better predictions than the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 4th assessment report (AR4, IPCC (2007)) models, for the period from 1961–2003 CE.
With the first multi-proxy reconstruction of global sea-level as input, estimate of the human-induced component of modern sea-level change and projections of future sea-level rise were calculated (Kopp et al. (2016)). It turned out with 90% confidence that more than 40 % of the observed 20th century sea-level rise is indeed anthropogenic. With the new semi-empirical and IPCC (2013) 5th assessment report (AR5) projections the gap between SEM and process-based model projections closes, giving higher credibility to both. Combining all scenarios, from strong mitigation to business as usual, a global sea-level rise of 28–131 cm relative to 2000 CE, is projected with 90% confidence. The decision for a low carbon pathway could halve the expected global sea-level rise by 2100 CE.
Present day temperature and thus sea level are driven by the globally acting greenhouse-gas forcing. Unlike that, the Milankovich forcing, acting on Holocene timescales, results mainly in a northern-hemisphere temperature change. Therefore a semi-empirical model can be driven with northernhemisphere temperatures, which makes it possible to model the main subcomponent of sea-level change over this period. It showed that an additional positive constant rate of the order of the estimated Antarctic sea-level contribution is then required to explain the sea-level evolution over the Holocene. Thus the global sea level, following the climatic optimum, can be interpreted as the sum of a temperature induced sea-level drop and a positive long-term contribution, likely an ongoing response to deglaciation coming from Antarctica.
N2  - Semiempirische Meeresspiegelmodelle (SEMe) nutzen die physikalisch motivierte, empirische Beziehung des globalen Meeresspiegels zu einem bestimmten Antrieb. Im Folgenden ist das die mittlere globale Temperatur. Diese Modellklasse entstand als Ergänzung zu prozeßbasierten Modellen, die nicht alle relevanten Prozesse abbilden konnten (Rahmstorf (2007)) und die deshalb weder den beobachteten Meeresspiegel erklären konnten (Rahmstorf et al. (2012)) noch vertrauenswürdige Zukunftsprojektionen lieferten. Semiempirische Modelle sind eine gute und schnelle Option, die Unsicherheit im zukünftigen Meeresspiegelanstieg auszuloten, wobei sie konsistent höhere Zukunftsprojektionen lieferten als prozeßbasierte Modelle. Im Folgenden wurden verschiedene Aspekte der semiempirischen Meeresspiegelmodellierung untersucht. Modelle wurden erst mit verschiedenen globalen Temperatur- und Meeresspiegeldatensätzen validiert. SEMe wurden dann auf den Meeresspiegelbeitrag von Gletschern angewandt und genutzt, um die globale Temperatur aus Meeresspiegeldaten abzuleiten. Die untersuchten Zeiträume variieren zwischen dem instrumentellen Abschnitt mit Pegelstandsmessungen (seit dem Jahr 1700 in Amsterdam) und Satellitendaten (seit 1992), dem Zeitraum seit 1000 vor Christus und dem gesamten Holozän (mittels Proxydaten). Entsprechend wurden verschiedene Daten, Modellformulierungen und -implementationen benutzt. Es konnte in Bittermann et al. (2013) gezeigt werden, dass SEMe den beobachteten Meeresspiegel des 20sten Jahrhunderts korrekt vorhersagen können, wenn sie bis zum Jahr 1900 kalibriert wurden. Auch für den Zeitraum 1961 bis 2003 lieferten SEMe bessere Vorhersagen als der vierte Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (AR4, IPCC (2007)). Mit der ersten globalen multi-proxy Rekonstruktion des globalen Meeresspiegels als Input konnten sowohl der anthropogene Anteil des modernen Meeresspiegelanstiegs als auch Zukunftsprojektionen berechnet werden (Kopp et al. (2016)). Es zeigt sich mit 90% Sicherheit, dass mehr als 40 % des beobachteten Meeresspiegelanstiegs im 20sten Jahrhundert anthropogenen Ursprungs sind. Mit den neuen semiempirischen Zukunftsprojektionen und denen des fünften Sachstandsberichtes (AR5) des IPCC (2013) läßt sich die Kluft zwischen SEMen und prozeßbasierten Modellen schließen, was beide vertrauenswürdiger macht. Über alle Szenarien hinweg, von starker Treibhausgaseinsparung bis zum ungebremsten Ausstoß, ergibt sich, mit 90% Sicherheit, zwischen 2000 und 2100 ein Meeresspiegelanstieg von 28 bis 131 cm. Die Entscheidung starker Treibhausgaseinsparungen kann den erwarteten globalen Meeresspiegelanstieg im Jahr 2100 halbieren. Die gegenwärtige globale Temperatur, und damit der globale Meeresspiegel, werden von dem global wirkenden Treibhausgasforcing bestimmt. Im Gegensatz dazu wirkt das orbitale Forcing, welches über Holozän-Zeitskalen dominiert, hauptsächlich auf die Nordhemisphäre. Deshalb kann man ein SEM mit Nordhemisphärentemperaturen antreiben und dadurch die Hauptkomponente der Meeresspiegeländerung über das Holozän simulieren. Es stellte sich heraus, dass eine zusätzliche konstante Rate, von der Größenordnung des antarktischen Beitrags zum Meeresspiegel, nötig ist, um den Meeresspiegelverlauf des Holozäns zu erklären. Der Meeresspiegel seit dem Holozän-Klimaoptimum kann also als eine Summe von temperaturbedingtem Fallen und einem langfristigen positiven Beitrag, wahrscheinlich einer andauernden Reaktion auf die Deglaziation der Antarktis, interpretiert werden.
KW  - sea level
KW  - Meeresspiegel
KW  - climate change
KW  - Klimawandel
KW  - projections
KW  - Projektionen
KW  - anthropogenic sea level
KW  - anthropogener Meeresspiegel
KW  - Holocene
KW  - Holozän
KW  - semi-empirical models
KW  - semiempirische Modelle
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93881
ER  - 
TY  - THES
A1  - Aich, Valentin
T1  - Floods in the Niger River Basin in the face of global change
T1  - Hochwasser im Niger Einzugsgebiet im Kontext des Globalen Wandels
BT  - analysis, attribution and projections
BT  - Analyse, Zuschreibung und Projektionen
N2  - In the last decade, the number and dimensions of catastrophic flooding events in the Niger River Basin (NRB) have markedly increased. Despite the devastating impact of the floods on the population and the mainly agriculturally based economy of the riverine nations, awareness of the hazards in policy and science is still low. The urgency of this topic and the existing research deficits are the motivation for the present dissertation.
The thesis is an initial detailed assessment of the increasing flood risk in the NRB. The research strategy is based on four questions regarding (1) features of the change in flood risk, (2) reasons for the change in the flood regime, (3) expected changes of the flood regime given climate and land use changes, and (4) recommendations from previous analysis for reducing the flood risk in the NRB.
The question examining the features of change in the flood regime is answered by means of statistical analysis. Trend, correlation, changepoint, and variance analyses show that, in addition to the factors exposure and vulnerability, the hazard itself has also increased significantly in the NRB, in accordance with the decadal climate pattern of West Africa. The northern arid and semi-arid parts of the NRB are those most affected by the changes.
As potential reasons for the increase in flood magnitudes, climate and land use changes are attributed by means of a hypothesis-testing framework. Two different approaches, based on either data analysis or simulation, lead to similar results, showing that the influence of climatic changes is generally larger compared to that of land use changes. Only in the dry areas of the NRB is the influence of land use changes comparable to that of climatic alterations.
Future changes of the flood regime are evaluated using modelling results. First ensembles of statistically and dynamically downscaled climate models based on different emission scenarios are analyzed. The models agree with a distinct increase in temperature. The precipitation signal, however, is not coherent. The climate scenarios are used to drive an eco-hydrological model. The influence of climatic changes on the flood regime is uncertain due to the unclear precipitation signal. Still, in general, higher flood peaks are expected. In a next step, effects of land use changes are integrated into the model. Different scenarios show that regreening might help to reduce flood peaks. In contrast, an expansion of agriculture might enhance the flood peaks in the NRB. Similarly to the analysis of observed changes in the flood regime, the impacts of climate- and land use changes for the future scenarios are also most severe in the dry areas of the NRB.
In order to answer the final research question, the results of the above analysis are integrated into a range of recommendations for science and policy on how to reduce flood risk in the NRB. The main recommendations include a stronger consideration of the enormous natural climate variability in the NRB and a focus on so called “no-regret” adaptation strategies which account for high uncertainty, as well as a stronger consideration of regional differences. Regarding the prevention and mitigation of catastrophic flooding, the most vulnerable and sensitive areas in the basin, the arid and semi-arid Sahelian and Sudano-Sahelian regions, should be prioritized. Eventually, an active, science-based and science-guided flood policy is recommended. The enormous population growth in the NRB in connection with the expected deterioration of environmental and climatic conditions is likely to enhance the region´s vulnerability to flooding. A smart and sustainable flood policy can help mitigate these negative impacts of flooding on the development of riverine societies in West Africa.
N2  - Während des vergangenen Jahrzehnts nahmen die Anzahl und die Ausmaße von katastrophalen Hochwassern im Einzugsgebiet des Nigerflussess (NEZG) deutlich zu. Trotz der verheerenden Auswirkungen der Hochwasserkatastrophen auf die Menschen und die hauptsächlich auf Landwirtschaft basierende Wirtschaft der Anrainerstaaten wird das Thema von Politik und Wissenschaft noch kaum beachtet.
Die vorliegende Dissertation ist die erste ausführliche Analyse des steigenden Hochwasserrisikos im NEZG. Die Forschungsstrategie basiert auf vier Fragen nach (1) der Art der Veränderungen des Hochwasserrisikos, (2) den Ursachen der Veränderungen im Hochwasserregime, (3) den zukünftigen Entwicklungen im Hochwasserregime hinsichtlich der erwartenden Klima- und Landnutzungswandel und (4) den aus den Untersuchungen abgeleiteten Empfehlungen zur Reduzierung des Hochwasserrisikos im NEZG.
Die Frage nach den Merkmalen der Veränderungen im Hochwasserrisiko wurde mithilfe von statistischen Untersuchungen beantwortet. Die Analysen zeigen, dass neben den Risikofaktoren Exponiertheit und Verwundbarkeit auch die Hochwasserstände selbst im NEZG in den letzten Jahrzehnten signifikant und entsprechend der typischen dekadischen Klimamuster Westafrikas angestiegen sind.
Als potentielle Ursachen des Hochwasseranstiegs werden Klima- und Landnutzungswandel untersucht. Zwei verschiedene Ansätze, basierend auf Daten sowie auf Simulationen, führen zu ähnlichen Ergebnissen und zeigen, dass der Einfluss der Klimaveränderungen im Allgemeinen größer als der des Landnutzungswandels ist.
Das zukünftige Hochwasserrisiko wird anhand des öko-hydrologisches Modells SWIM abgeschätzt. Der Einfluss des Klimawandels auf das Hochwasserregime ist auf Grund des problematischen Niederschlagssignals unsicher. Tendenziell werden aber höhere Maximalabflüsse erwartet. Der Effekt der Landnutzungsänderung beeinflusst das Hochwasserverhalten ebenfalls stark, besonders in den trockenen Gebieten. Verschiedene Szenarien zeigen, dass Renaturierung hülfe, Hochwasserspitzen zu kappen. Eine Ausweitung der Agrarflächen dagegen würde die Hochwässer im NEZG weiter verstärken
Zentrale Empfehlungen sind eine stärkere Einbeziehung der enorm starken natürlichen Klimavariabilität im NEZG und eine Fokussierung auf sogenannte „no-regret“ Anpassungsstrategien. Dabei sollte den verwundbarsten Regionen des Einzugsgebiets, den ariden und semi-ariden Regionen, Priorität eingeräumt werden. Die enorme Bevölkerungszunahme im NEZG verbunden mit der zu erwartenden Verschlechterung der Umwelt- und Klimabedingungen wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch die Verwundbarkeit bezüglich Hochwässer weiter ansteigen lassen. Eine vernünftige und nachhaltige Hochwasserpolitik kann helfen, die negativen Folgen auf die Entwicklung der Anrainerstaaten des Nigerflusses abzumindern.
KW  - flood
KW  - Niger
KW  - climate change
KW  - land use change
KW  - Hochwasser
KW  - Niger
KW  - Klimawandel
KW  - Landnutzungswandel
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91577
ER  -