TY - JOUR A1 - Zibulski, Romy A1 - Herzschuh, Ulrike A1 - Pestryakova, Luidmila Agafyevna T1 - Vegetation patterns along micro-relief and vegetation type transects in polygonal landscapes of the Siberian Arctic JF - Journal of vegetation science N2 - QuestionHow important is the effect of micro-relief and vegetation type on the characteristics of vascular plants and bryophytes in low-centred polygons? LocationSiberian Arctic, Russia. MethodsEight low-centred polygons in northern Siberia were surveyed for vegetation along transects running from the rim to the pond via the rim-pond transition of each polygon and across a vegetation type gradient from open forest to tundra. ResultsThe cover of vascular plants and bryophytes displays no significant differences between the rim and rim-pond transition but is significantly lower in the pond section of the polygons. Alpha-diversity of vascular plants decreases strongly from rim to pond, whereas bryophyte diversity in pond plots is significantly distinct from the rim and the rim-pond transition. There is no clear trend in cover for either plant group along the vegetation type transect and only a weak trend in -diversity. However, both gradients are reflected in the compositional turnover. The applied indicator species analysis identified taxa characteristic of certain environmental conditions. Among others, we found vascular plants primarily characteristic of the rim and bryophyte taxa characteristic of each micro-relief level and vegetation type. ConclusionsThe observed gradual pattern in -diversity and composition of polygonal vegetation suggests that micro-relief is the main driver of changes in the vegetation composition, while vegetation type and the related forest cover change are of subordinate importance for polygonal vegetation patterns along the Siberian tree line. KW - Bryophytes KW - Indicator species KW - Low-centred polygon KW - NMDS KW - Russia KW - Tree line KW - Tundra KW - Vascular plants Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1111/jvs.12356 SN - 1100-9233 SN - 1654-1103 VL - 27 SP - 377 EP - 386 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Carus, Jana A1 - Paul, Maike A1 - Schroeder, Boris T1 - Vegetation as self-adaptive coastal protection: Reduction of current velocity and morphologic plasticity of a brackish marsh pioneer JF - Ecology and evolution N2 - By reducing current velocity, tidal marsh vegetation can diminish storm surges and storm waves. Conversely, currents often exert high mechanical stresses onto the plants and hence affect vegetation structure and plant characteristics. In our study, we aim at analysing this interaction from both angles. On the one hand, we quantify the reduction of current velocity by Bolboschoenus maritimus, and on the other hand, we identify functional traits of B. maritimus’ ramets along environmental gradients. Our results show that tidal marsh vegetation is able to buffer a large proportion of the flow velocity at currents under normal conditions. Cross-shore current velocity decreased with distance from the marsh edge and was reduced by more than 50% after 15 m of vegetation. We were furthermore able to show that plants growing at the marsh edge had a significantly larger diameter than plants from inside the vegetation. We found a positive correlation between plant thickness and cross-shore current which could provide an adaptive value in habitats with high mechanical stress. With the adapted morphology of plants growing at the highly exposed marsh edge, the entire vegetation belt is able to better resist the mechanical stress of high current velocities. This self-adaptive effect thus increases the ability of B. maritimus to grow and persist in the pioneer zone and may hence better contribute to ecosystem-based coastal protection by reducing current velocity. KW - Adaptive value KW - Bolboschoenus maritimus KW - brackish marsh KW - flow velocity KW - mechanical pressure KW - morphological adaptation KW - phenotypic plasticity KW - pioneer zone Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1002/ece3.1904 SN - 2045-7758 VL - 6 SP - 1579 EP - 1589 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - THES A1 - Olen, Stephanie M. T1 - Understanding Himalayan denudation at the catchment and orogen scale T1 - Verständnis von Denudation auf regionalem und orogenem Maßstab im Himalaja N2 - Understanding the rates and processes of denudation is key to unraveling the dynamic processes that shape active orogens. This includes decoding the roles of tectonic and climate-driven processes in the long-term evolution of high- mountain landscapes in regions with pronounced tectonic activity and steep climatic and surface-process gradients. Well-constrained denudation rates can be used to address a wide range of geologic problems. In steady-state landscapes, denudation rates are argued to be proportional to tectonic or isostatic uplift rates and provide valuable insight into the tectonic regimes underlying surface denudation. The use of denudation rates based on terrestrial cosmogenic nuclide (TCN) such as 10Beryllium has become a widely-used method to quantify catchment-mean denudation rates. Because such measurements are averaged over timescales of 102 to 105 years, they are not as susceptible to stochastic changes as shorter-term denudation rate estimates (e.g., from suspended sediment measurements) and are therefore considered more reliable for a comparison to long-term processes that operate on geologic timescales. However, the impact of various climatic, biotic, and surface processes on 10Be concentrations and the resultant denudation rates remains unclear and is subject to ongoing discussion. In this thesis, I explore the interaction of climate, the biosphere, topography, and geology in forcing and modulating denudation rates on catchment to orogen scales. There are many processes in highly dynamic active orogens that may effect 10Be concentrations in modern river sands and therefore impact 10Be-derived denudation rates. The calculation of denudation rates from 10Be concentrations, however, requires a suite of simplifying assumptions that may not be valid or applicable in many orogens. I investigate how these processes affect 10Be concentrations in the Arun Valley of Eastern Nepal using 34 new 10Be measurements from the main stem Arun River and its tributaries. The Arun Valley is characterized by steep gradients in climate and topography, with elevations ranging from <100 m asl in the foreland basin to >8,000 asl in the high sectors to the north. This is coupled with a five-fold increase in mean annual rainfall across strike of the orogen. Denudation rates from tributary samples increase toward the core of the orogen, from <0.2 to >5 mm/yr from the Lesser to Higher Himalaya. Very high denudation rates (>2 mm/yr), however, are likely the result of 10Be TCN dilution by surface and climatic processes, such as large landsliding and glaciation, and thus may not be representative of long-term denudation rates. Mainstem Arun denudation rates increase downstream from ~0.2 mm/yr at the border with Tibet to 0.91 mm/yr at its outlet into the Sapt Kosi. However, the downstream 10Be concentrations may not be representative of the entire upstream catchment. Instead, I document evidence for downstream fining of grains from the Tibetan Plateau, resulting in an order-of-magnitude apparent decrease in the measured 10Be concentration. In the Arun Valley and across the Himalaya, topography, climate, and vegetation are strongly interrelated. The observed increase in denudation rates at the transition from the Lesser to Higher Himalaya corresponds to abrupt increases in elevation, hillslope gradient, and mean annual rainfall. Thus, across strike (N-S), it is difficult to decipher the potential impacts of climate and vegetation cover on denudation rates. To further evaluate these relationships I instead took advantage of an along-strike west-to-east increase of mean annual rainfall and vegetation density in the Himalaya. An analysis of 136 published 10Be denudation rates from along strike of the revealed that median denudation rates do not vary considerably along strike of the Himalaya, ~1500 km E-W. However, the range of denudation rates generally decreases from west to east, with more variable denudation rates in the northwestern regions of the orogen than in the eastern regions. This denudation rate variability decreases as vegetation density increases (R=- 0.90), and increases proportionately to the annual seasonality of vegetation (R=0.99). Moreover, rainfall and vegetation modulate the relationship between topographic steepness and denudation rates such that in the wet, densely vegetated regions of the Himalaya, topography responds more linearly to changes in denudation rates than in dry, sparsely vegetated regions, where the response of topographic steepness to denudation rates is highly nonlinear. Understanding the relationships between denudation rates, topography, and climate is also critical for interpreting sedimentary archives. However, there is a lack of understanding of how terrestrial organic matter is transported out of orogens and into sedimentary archives. Plant wax lipid biomarkers derived from terrestrial and marine sedimentary records are commonly used as paleo- hydrologic proxy to help elucidate these problems. I address the issue of how to interpret the biomarker record by using the plant wax isotopic composition of modern suspended and riverbank organic matter to identify and quantify organic matter source regions in the Arun Valley. Topographic and geomorphic analysis, provided by the 10Be catchment-mean denudation rates, reveals that a combination of topographic steepness (as a proxy for denudation) and vegetation density is required to capture organic matter sourcing in the Arun River. My studies highlight the importance of a rigorous and careful interpretation of denudation rates in tectonically active orogens that are furthermore characterized by strong climatic and biotic gradients. Unambiguous information about these issues is critical for correctly decoding and interpreting the possible tectonic and climatic forces that drive erosion and denudation, and the manifestation of the erosion products in sedimentary archives. N2 - Schlüssel im Verständnis der dynamischen Prozesse in aktiven Orogenen ist die Kenntnis der Abtragungsraten und -prozesse. Eine breite Auswahl geologischer Fragen können mit well-constrained Abtragungsraten erörtert werden. Sind Landschaften im Gleichgewicht so sind die Denudationsraten proportional zu den tektonischen und isostatischen Hebungsraten und geben somit wichtige Hinweise über die tektonischen Eigenschaften der Region. Eine weit verbreitete und etablierte Methode zur Bestimmung mittlerer Denudationsraten eines bestimmten Einzugsgebietes ist Beryllium-10, ein terrestrisches kosmogenes Nuklid (10Be TCN). 10Be TCN Messungen stellen durchschnittliche Abtragungsraten über einen Zeitraum von 10^2 – 10^5 Jahren dar und sind daher weniger verletzlich gegenüber stochastischen Änderungen wie Erosionsraten, die über einen kurzen Zeitraum ermittelt werden z.B. in Suspension. Sie sind daher zuverlässig einsetzbar um langfristige Prozesse zu vergleichen. Allerdings ist unklar welche Einfluss verschiedene klimatische, biologische oder erdoberflächen Prozesse auf die 10Be Konzentration ausüben und somit auch auf die resultierenden Abtragungsraten. In dieser Doktorarbeit, setze ich mich mit dem Zwischenspiel von Klima, Biosphäre, Topographie und Geologie auseinander und dem Einfluss, den sie auf Abtragungsraten ausüben sowohl auf regionalem wie auch auf orogenem Maßstab. In hoch dynamischen aktiven Gebirgen gibt es viele Prozesse, welche die 10Be Konzentration in heutigen Flusssanden beeinflussen und damit auch die, mittels 10Be berechneten, Abtragungsraten. Um diese Raten mittels 10Be Konzentrationen zu berechnen benötigen wir einige vereinfachende Annahmen, die möglicherweise in anderen Regionen keine Gültigkeit haben. Ich untersuche den Einfluss dieser Prozesse auf die 10Be Konzentration. Dazu haben wir im Arun Tal im Osten Nepals 34 neue 10Be Konzentrationen des Arun Flusses und seinen Zuflüssen untersucht. Charakteristisch für das Arun Tal sind die steilen Gradienten im Klima mit einem fünffachen Anstieg des mittleren jährlichen Regenfalls über das Orogens, und in der Topographie mit Höhen von weniger als 100 m über Meer im Vorlandbecken bis über 8000 m über Meer im Gebirge. Die Abtragungsraten der Proben der Zuflüsse nehmen gegen das Zentrum des Gebirges von weniger <0.2 zu mehr als >5 mm/yr zu d.h. ansteigend vom Lesser zum Higher Himalaya. Sehr hohe Denudationsraten (> 2mm/yr) können durch erdoberflächen und klimatische Prozesse verwässert werden z. B. grosse Erdrutsche und Vergletscherungen, und sind daher nicht unbedingt repräsentativ für langzeitliche Abtragungsraten. Im Arun nehmen die Raten des Hauptflusses flussabwärts von 0.2 mm/yr im Bereich der Grenze zu Tibet auf 0.91 mm/yr am Ausfluss in Sapt Kosi zu. Es ist möglich, dass diese 10Be Konzentrationen nicht das vollständige flussauswärtsliegende Einzugsgebiet repräsentieren. Stattdessen lege ich dar wie sich die Korngrösse ab dem tibetischen Plateau verfeinert und dazu führt, dass die 10Be Konzentrationen offenkundig im Bereich einer Grössenordnung abnehmen. Im Arun Tal und sowie über den ganzen Himalaja sind Topographie, Klima und Vegetation sehr stark miteinander verbunden. Das Ansteigen der Denudationsraten im Übergang vom Lesser zum Higher Himalaya stimmt mit dem abrupten Ansteigen der Höhe, des Hangneigungsgradienten und des mittleren jährlichen Regenfalles überein. Es ist schwierig die möglichen Einflüssen von Klima und der Vegetationsdichte auf die Abtragungsraten über das Orogen hinweg (N-S) zu entziffern. Stattdessen, nutzen wir den Vorteil der, von West nach Ost, parallel zum Himalaja verlaufenden, Zunahme des mittleren jährlichen Regenfalles und der Vegetationsdichte. Eine Analyse 136 publizierter 10Be TCN Abtragungsraten entlang des Gebirges, zeigt dass die im Streichen liegenden mittleren Denudationsraten (ca. 1500 km Ost-West) nicht deutlich variieren. Generell sinkt die Wertebereich der Denudationsraten vom Westen gegen Osten, wobei in den nordwestlichen Regionen des Himalajas variablere Abtragungsraten vorherrschen als in den östlichen Regionen. Diese Vielfalt in den Denudationsraten sinkt mit steigender Vegetationsdichte (R=-0.90) und steigt proportional zur (jährlichen) Saisonalität der Vegetation (R=0.99). Vielmehr noch wird das Verhältnis zwischen der topographischen Steilheit und den Abtragungsraten durch Regen und Vegetation beeinflusst z. B. in feuchten Gebieten mit starker Vegetation reagiert die Topographie linearer auf Wechsel in den Abtragungsraten als in trockenen, kaum bewachsenen Regionen, wo die Reaktion der topographischen Steilheit auf die Denudationsraten äusserst nicht-linear ist. Das Verständnis der Beziehung zwischen Erosion, Topographie und Klima ist auch entscheidend für die Interpretation von Sedimentarchiven. Unser Wissen über die Repräsentativität von terrestrisches organisches Material, abgelagert in z.B. Flussdeltas, für die Einzugsgebiete der entsprechenden Flüsse, ist nach wie vor nur vage. Dennoch sind Blattwachse höherer Landpflanzen, extrahiert aus terrestrischen und marinen Sedimenten, ein häufig verwendeter paläohydrologischer Proxy. Im Rahmen dieser Arbeit nutzen wir die Isotopenzusammensetzung von Pflanzenwachsen aus Suspensionsmaterial und aus Flusssedimenten als Herkunftsmarker und zur Quantifizierung des organischen Materials im Arun Tal. Die Analyse von Vegetationsdichte und Regenverteilung in Kombination mit Abtragungsraten des Einzugsgebietes, welche durch die mittleren 10Be-Erosionsraten gestützt werden, zeigen, dass das Vorhandensein dichter Vegetation ein zwar notwendiges, aber nicht hinreichendes Kriterium für hohen OM-Export ist. Vielmehr können wir zeigen, dass nur eine Kombination aus dichter Vegetationsdecke und Erosion zu hohem OM-Export führt. Für die Interpretation entspechender Archive bedeutet das, dass sie im Wesentlichen jene Bereiche des Einzugsgebietes repräsentieren, welche durch hohe Pflanzendichte und starke Erosion charakterisiert sind. Diese Studien belegen wie wichtig es ist die Abtragungsraten in aktiven Gebirgen umfassend zu verstehen. Für die Interpretation kann dieses Verständnis der möglichen tektonischen und klimatischen Gewalten, welche Erosion und Abtragung steuern, und auch das Verständnis der Sedimentarchive aus den Gebirgen stammend, entscheidend sein. KW - geology KW - geomorphology KW - Himalaya KW - Geologie KW - Geomorphologie KW - Himalaja Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91423 ER - TY - GEN A1 - Schwanghart, Wolfgang A1 - Worni, Raphael A1 - Huggel, Christian A1 - Stoffel, Markus A1 - Korup, Oliver T1 - Uncertainty in the Himalayan energy–water nexus BT - estimating regional exposure to glacial lake outburst floods N2 - Himalayan water resources attract a rapidly growing number of hydroelectric power projects (HPP) to satisfy Asia's soaring energy demands. Yet HPP operating or planned in steep, glacier-fed mountain rivers face hazards of glacial lake outburst floods (GLOFs) that can damage hydropower infrastructure, alter water and sediment yields, and compromise livelihoods downstream. Detailed appraisals of such GLOF hazards are limited to case studies, however, and a more comprehensive, systematic analysis remains elusive. To this end we estimate the regional exposure of 257 Himalayan HPP to GLOFs, using a flood-wave propagation model fed by Monte Carlo-derived outburst volumes of >2300 glacial lakes. We interpret the spread of thus modeled peak discharges as a predictive uncertainty that arises mainly from outburst volumes and dam-breach rates that are difficult to assess before dams fail. With 66% of sampled HPP are on potential GLOF tracks, up to one third of these HPP could experience GLOF discharges well above local design floods, as hydropower development continues to seek higher sites closer to glacial lakes. We compute that this systematic push of HPP into headwaters effectively doubles the uncertainty about GLOF peak discharge in these locations. Peak discharges farther downstream, in contrast, are easier to predict because GLOF waves attenuate rapidly. Considering this systematic pattern of regional GLOF exposure might aid the site selection of future Himalayan HPP. Our method can augment, and help to regularly update, current hazard assessments, given that global warming is likely changing the number and size of Himalayan meltwater lakes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 266 KW - hydropower KW - water resources KW - glacial hazards KW - glacial lake outburst floods KW - Himalayas Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-97136 ER - TY - JOUR A1 - Schwanghart, Wolfgang A1 - Worni, Raphael A1 - Huggel, Christian A1 - Stoffel, Markus A1 - Korup, Oliver T1 - Uncertainty in the Himalayan energy–water nexus BT - estimating regional exposure to glacial lake outburst floods JF - Environmental research letters : ERL N2 - Himalayan water resources attract a rapidly growing number of hydroelectric power projects (HPP) to satisfy Asia's soaring energy demands. Yet HPP operating or planned in steep, glacier-fed mountain rivers face hazards of glacial lake outburst floods (GLOFs) that can damage hydropower infrastructure, alter water and sediment yields, and compromise livelihoods downstream. Detailed appraisals of such GLOF hazards are limited to case studies, however, and a more comprehensive, systematic analysis remains elusive. To this end we estimate the regional exposure of 257 Himalayan HPP to GLOFs, using a flood-wave propagation model fed by Monte Carlo-derived outburst volumes of >2300 glacial lakes. We interpret the spread of thus modeled peak discharges as a predictive uncertainty that arises mainly from outburst volumes and dam-breach rates that are difficult to assess before dams fail. With 66% of sampled HPP are on potential GLOF tracks, up to one third of these HPP could experience GLOF discharges well above local design floods, as hydropower development continues to seek higher sites closer to glacial lakes. We compute that this systematic push of HPP into headwaters effectively doubles the uncertainty about GLOF peak discharge in these locations. Peak discharges farther downstream, in contrast, are easier to predict because GLOF waves attenuate rapidly. Considering this systematic pattern of regional GLOF exposure might aid the site selection of future Himalayan HPP. Our method can augment, and help to regularly update, current hazard assessments, given that global warming is likely changing the number and size of Himalayan meltwater lakes. KW - Himalayas KW - glacial hazards KW - glacial lake outburst floods KW - hydropower KW - water resources Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/7/074005 SN - 1748-9326 VL - 11 PB - IOP Publ. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Schwanghart, Wolfgang A1 - Worni, Raphael A1 - Huggel, Christian A1 - Stoffel, Markus A1 - Korup, Oliver T1 - Uncertainty in the Himalayan energy-water nexus: estimating regional exposure to glacial lake outburst floods JF - Environmental research letters N2 - Himalayan water resources attract a rapidly growing number of hydroelectric power projects (HPP) to satisfy Asia's soaring energy demands. Yet HPP operating or planned in steep, glacier-fed mountain rivers face hazards of glacial lake outburst floods (GLOFs) that can damage hydropower infrastructure, alter water and sediment yields, and compromise livelihoods downstream. Detailed appraisals of such GLOF hazards are limited to case studies, however, and a more comprehensive, systematic analysis remains elusive. To this end we estimate the regional exposure of 257 Himalayan HPP to GLOFs, using a flood-wave propagation model fed by Monte Carlo-derived outburst volumes of >2300 glacial lakes. We interpret the spread of thus modeled peak discharges as a predictive uncertainty that arises mainly from outburst volumes and dam-breach rates that are difficult to assess before dams fail. With 66% of sampled HPP are on potential GLOF tracks, up to one third of these HPP could experience GLOF discharges well above local design floods, as hydropower development continues to seek higher sites closer to glacial lakes. We compute that this systematic push of HPP into headwaters effectively doubles the uncertainty about GLOF peak discharge in these locations. Peak discharges farther downstream, in contrast, are easier to predict because GLOF waves attenuate rapidly. Considering this systematic pattern of regional GLOF exposure might aid the site selection of future Himalayan HPP. Our method can augment, and help to regularly update, current hazard assessments, given that global warming is likely changing the number and size of Himalayan meltwater lakes. KW - hydropower KW - water resources KW - glacial hazards KW - glacial lake outburst floods KW - Himalayas Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/7/074005 SN - 1748-9326 VL - 11 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Wehrhan, Marc A1 - Rauneker, Philipp A1 - Sommer, Michael T1 - UAV-Based Estimation of Carbon Exports from Heterogeneous Soil Landscapes-A Case Study from the CarboZALF Experimental Area JF - SENSORS N2 - The advantages of remote sensing using Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are a high spatial resolution of images, temporal flexibility and narrow-band spectral data from different wavelengths domains. This enables the detection of spatio-temporal dynamics of environmental variables, like plant-related carbon dynamics in agricultural landscapes. In this paper, we quantify spatial patterns of fresh phytomass and related carbon (C) export using imagery captured by a 12-band multispectral camera mounted on the fixed wing UAV Carolo P360. The study was performed in 2014 at the experimental area CarboZALF-D in NE Germany. From radiometrically corrected and calibrated images of lucerne (Medicago sativa), the performance of four commonly used vegetation indices (VIs) was tested using band combinations of six near-infrared bands. The highest correlation between ground-based measurements of fresh phytomass of lucerne and VIs was obtained for the Enhanced Vegetation Index (EVI) using near-infrared band b(899). The resulting map was transformed into dry phytomass and finally upscaled to total C export by harvest. The observed spatial variability at field- and plot-scale could be attributed to small-scale soil heterogeneity in part. KW - VI KW - soil landscape KW - carbon export KW - agriculture KW - multispectral KW - UAV Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.3390/s16020255 SN - 1424-8220 VL - 16 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Wehrhan, Marc A1 - Rauneker, Philipp A1 - Sommer, Michael T1 - UAV-Based estimation of carbon exports from heterogeneous soil landscapes BT - a case study from the CarboZALF experimental area T2 - Sensors N2 - The advantages of remote sensing using Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are a high spatial resolution of images, temporal flexibility and narrow-band spectral data from different wavelengths domains. This enables the detection of spatio-temporal dynamics of environmental variables, like plant-related carbon dynamics in agricultural landscapes. In this paper, we quantify spatial patterns of fresh phytomass and related carbon (C) export using imagery captured by a 12-band multispectral camera mounted on the fixed wing UAV Carolo P360. The study was performed in 2014 at the experimental area CarboZALF-D in NE Germany. From radiometrically corrected and calibrated images of lucerne (Medicago sativa), the performance of four commonly used vegetation indices (VIs) was tested using band combinations of six near-infrared bands. The highest correlation between ground-based measurements of fresh phytomass of lucerne and VIs was obtained for the Enhanced Vegetation Index (EVI) using near-infrared band b(899). The resulting map was transformed into dry phytomass and finally upscaled to total C export by harvest. The observed spatial variability at field- and plot-scale could be attributed to small-scale soil heterogeneity in part. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 451 KW - VI KW - soil landscape KW - carbon export KW - agriculture KW - multispectral KW - UAV Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407706 ER - TY - THES A1 - Hohenbrink, Tobias Ludwig T1 - Turning a problem into a solution: heterogeneities in soil hydrology T1 - Ein Problem zur Lösung machen: Heterogenitäten in der Bodenhydrologie N2 - It is commonly recognized that soil moisture exhibits spatial heterogeneities occurring in a wide range of scales. These heterogeneities are caused by different factors ranging from soil structure at the plot scale to land use at the landscape scale. There is an urgent need for effi-cient approaches to deal with soil moisture heterogeneity at large scales, where manage-ment decisions are usually made. The aim of this dissertation was to test innovative ap-proaches for making efficient use of standard soil hydrological data in order to assess seep-age rates and main controls on observed hydrological behavior, including the role of soil het-erogeneities. As a first step, the applicability of a simplified Buckingham-Darcy method to estimate deep seepage fluxes from point information of soil moisture dynamics was assessed. This was done in a numerical experiment considering a broad range of soil textures and textural het-erogeneities. The method performed well for most soil texture classes. However, in pure sand where seepage fluxes were dominated by heterogeneous flow fields it turned out to be not applicable, because it simply neglects the effect of water flow heterogeneity. In this study a need for new efficient approaches to handle heterogeneities in one-dimensional water flux models was identified. As a further step, an approach to turn the problem of soil moisture heterogeneity into a solu-tion was presented: Principal component analysis was applied to make use of the variability among soil moisture time series for analyzing apparently complex soil hydrological systems. It can be used for identifying the main controls on the hydrological behavior, quantifying their relevance, and describing their particular effects by functional averaged time series. The ap-proach was firstly tested with soil moisture time series simulated for different texture classes in homogeneous and heterogeneous model domains. Afterwards, it was applied to 57 mois-ture time series measured in a multifactorial long term field experiment in Northeast Germa-ny. The dimensionality of both data sets was rather low, because more than 85 % of the total moisture variance could already be explained by the hydrological input signal and by signal transformation with soil depth. The perspective of signal transformation, i.e. analyzing how hydrological input signals (e.g., rainfall, snow melt) propagate through the vadose zone, turned out to be a valuable supplement to the common mass flux considerations. Neither different textures nor spatial heterogeneities affected the general kind of signal transfor-mation showing that complex spatial structures do not necessarily evoke a complex hydro-logical behavior. In case of the field measured data another 3.6% of the total variance was unambiguously explained by different cropping systems. Additionally, it was shown that dif-ferent soil tillage practices did not affect the soil moisture dynamics at all. The presented approach does not require a priori assumptions about the nature of physical processes, and it is not restricted to specific scales. Thus, it opens various possibilities to in-corporate the key information from monitoring data sets into the modeling exercise and thereby reduce model uncertainties. N2 - Es ist allgemein anerkannt, dass Bodenfeuchte auf verschiedenen Raumskalen räumliche Heterogenitäten aufweist. Diese Heterogenitäten werden durch verschiedene Faktoren verursacht, die auf den unterschiedlichen Skalen wirken. Dies können z.B. die Bodenstruktur auf Plotskala oder die Landnutzung auf Landschaftsskala sein. Es werden dringend effiziente Ansätze benötigt, um mit den Heterogenitäten der Bodenfeuchte umzugehen. Dies gilt be-sonders für große Skalen, auf denen in der Regel weitreichende Managemententscheidun-gen getroffen werden. Das Ziel dieser Dissertation war es, effiziente Methoden zu testen, die es ermöglichen auf Basis bodenhydrologischer Daten sowohl Sickerwasserraten als auch die Haupteinflussfaktoren der Bodenfeuchtedynamik zu bestimmen. Dies bezieht Effekte von Bodenheterogenitäten mit ein. In einem ersten Schritt wurde die Eignung einer vereinfachten Buckingham-Darcy Methode zur Abschätzung von Sickerwasserflüssen auf Grundlage punktuell gemessener Zeitreihen der Bodenfeuchte untersucht. Hierzu wurde eine Simulationsstudie durchgeführt, in der ein breites Spektrum an Bodentexturen und Texturheterogenitäten berücksichtigt wurde. Die Methode lieferte gute Ergebnisse für die meisten Texturklassen. In reinem Sand jedoch stell-te sie sich als nicht anwendbar heraus, da hier Sickerwasserflüsse von heterogenen Fließfel-dern dominiert wurden. In dieser Studie wurde ein Bedarf an neuen effizienten Ansätzen für den Umgang mit Heterogenitäten in eindimensionalen Wasserflussmodellen identifiziert. In einem weiteren Schritt wurde ein Ansatz vorgestellt, um aus dem Problem der Boden-feuchteheterogenität eine Lösung zu machen: In einer Hauptkomponentenanalyse wurde die Variabilität zwischen Bodenfeuchtezeitreihen genutzt, um die wahre Komplexität bo-denhydrologischer Systeme zu analysieren. Auf diesem Weg ist es möglich die Haupteinfluss-faktoren des hydrologischen Verhaltens zu identifizieren, ihre Relevanz zu quantifizieren und ihre jeweiligen Effekte als funktional gemittelte Zeitreihen zu beschreiben. Der Ansatz wurde zunächst mit simulierten Bodenfeuchtezeitreihen für unterschiedliche Texturklassen im ho-mogenen und heterogenen Fall getestet. Anschließend wurde die Methode auf 57 Boden-feuchtezeitreihen angewendet, die in einem Langzeitfeldexperiment in Nordostdeutschland gemessen wurden. Die Dimensionalität beider Datensätze war gering, da mehr als 85 % der gesamten Boden-feuchtevarianz bereits durch das hydrologische Eingangssignal und die Transformation dieses Signals mit zunehmender Bodentiefe erklärt werden konnten. Analysen der Signaltransfor-mation haben sich als wertvolle Ergänzung zu den weit verbreiteten Massenflussbetrachtun-gen herausgestellt. Hierbei wird untersucht, wie sich hydrologische Eingangssignale (z.B. Nie-derschlag oder Schneeschmelze) in der vadosen Zone fortpflanzen. Die generellen Muster der Signaltransformation wurden weder durch verschiedene Bodentexturen noch durch räumliche Heterogeneitäten beeinfluss. Dies zeigt, dass komplexe räumliche Strukturen nicht zwangsläufig ein komplexes hydrologisches Verhalten hervorrufen. Im Fall der Felddaten wurden weitere 3,6 % der Gesamtvarianz durch verschiedene Fruchtfolgen erklärt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Bodenbearbeitung keinen Einfluss auf die Boden-feuchtedynamik hatte. Der vorgestellte Ansatz erfordert keine Vorannahmen über physikalische Prozesse und ist nicht auf eine bestimmte Skala begrenzt. Dadurch ergeben sich viele Möglichkeiten, wichtige Informationen aus Monitoringdatensätzen in die Modellbildung einzubeziehen und damit Modell-unsicherheiten zu verringern. KW - soil hydrology KW - soil heterogeneity KW - soil moisture KW - deep seepage KW - time series analysis KW - transformation of hydrological signals KW - Bodenhydrologie KW - Bodenheterogenität KW - Bodenfeuchte KW - Tiefenversickerung KW - Zeitreihenanalyse KW - Transformation hydrologischer Signale Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101485 ER - TY - JOUR A1 - Kruse, Stefan A1 - Wieczorek, Mareike A1 - Jeltsch, Florian A1 - Herzschuh, Ulrike T1 - Treeline dynamics in Siberia under changing climates as inferred from an individual-based model for Larix JF - Ecological modelling : international journal on ecological modelling and engineering and systems ecolog KW - Forest change KW - IBM KW - ODD model description KW - Larix gmelinii KW - Permafrost ecosystem KW - Time-lag effects Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2016.08.003 SN - 0304-3800 SN - 1872-7026 VL - 338 SP - 101 EP - 121 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - McGee, David A1 - Winckler, Gisela A1 - Borunda, Alejandra A1 - Serno, Sascha A1 - Anderson, Robert F. A1 - Recasens, Cristina A1 - Bory, Aloys A1 - Gaiero, Diego A1 - Jaccard, Samuel L. A1 - Kaplan, Michael A1 - McManus, Jerry F. A1 - Revel, Marie A1 - Sun, Youbin T1 - Tracking eolian dust with helium and thorium: Impacts of grain size and provenance JF - Geochimica et cosmochimica acta : journal of the Geochemical Society and the Meteoritical Society N2 - Reconstructions of the deposition rate of windblown mineral dust in ocean sediments offer an important means of tracking past climate changes and of assessing the radiative and biogeochemical impacts of dust in past climates. Dust flux estimates in ocean sediments have commonly been based on the operationally defined lithogenic fraction of sediment samples. More recently, dust fluxes have been estimated from measurements of helium and thorium, as rare isotopes of these elements (He-3 and Th-230) allow estimates of sediment flux, and the dominant isotopes (He-4 and Th-232) are uniquely associated with the lithogenic fraction of marine sediments. In order to improve the fidelity of dust flux reconstructions based on He and Th, we present a survey of He and Th concentrations in sediments from dust source areas in East Asia, Australia and South America. Our data show systematic relationships between He and Th concentrations and grain size, with He concentrations decreasing and Th concentrations increasing with decreasing grain size. We find consistent He and Th concentrations in the fine fraction (<5 mu m) of samples from East Asia, Australia and Central South America (Puna-Central West Argentina), with Th concentrations averaging 14 mu g/g and He concentrations averaging 2 mu cc STP/g. We recommend use of these values for estimating dust fluxes in sediments where dust is dominantly fine-grained, and suggest that previous studies may have systematically overestimated Th-based dust fluxes by 30%. Source areas in Patagonia appear to have lower He and Th contents than other regions, as fine fraction concentrations average 0.8 mu cc STP/g and 9 mu g/g for He-4 and Th-232, respectively. The impact of grain size on lithogenic He and Th concentrations should be taken into account in sediments proximal to dust sources where dust grain size may vary considerably. Our data also have important implications for the hosts of He in long-traveled dust and for the He-3/He-4 ratio used for terrigenous He in studies of extraterrestrial He in sediments and ice. We also investigate the use of He/Th ratios as a provenance tracer. Our results suggest differences in fine fraction He/Th ratios between East Asia, Australia, central South America and Patagonia, with ratios showing a positive relationship with the geological age of source rocks. He/Th ratios may thus provide useful provenance information, for example allowing separation of Patagonian sources from Puna-Central West Argentina or Australian dust sources. He/Th ratios in open-ocean marine sediments are similar to ratios in the fine fraction of upwind dust source areas. He/Th ratios in mid-latitude South Atlantic sediments suggest that dust in this region primarily derives from the Puna-Central West Argentina region (23-32 degrees S) rather than Patagonia (>38 degrees S). In the equatorial Pacific, He/Th ratios are much lower than in extratropical Pacific sediments or potential source areas measured as a part of this study (East Asia, South America, Australia) for reasons that are at present unclear, complicating their use as provenance tracers in this region. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved. Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1016/j.gca.2015.11.023 SN - 0016-7037 SN - 1872-9533 VL - 175 SP - 47 EP - 67 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Stolbova, Veronika A1 - Surovyatkina, Elena A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Kurths, Jürgen T1 - Tipping elements of the Indian monsoon: Prediction of onset and withdrawal JF - Geophysical research letters N2 - Forecasting the onset and withdrawal of the Indian summer monsoon is crucial for the life and prosperity of more than one billion inhabitants of the Indian subcontinent. However, accurate prediction of monsoon timing remains a challenge, despite numerous efforts. Here we present a method for prediction of monsoon timing based on a critical transition precursor. We identify geographic regions-tipping elements of the monsoon-and use them as observation locations for predicting onset and withdrawal dates. Unlike most predictability methods, our approach does not rely on precipitation analysis but on air temperature and relative humidity, which are well represented both in models and observations. The proposed method allows to predict onset 2 weeks earlier and withdrawal dates 1.5 months earlier than existing methods. In addition, it enables to correctly forecast monsoon duration for some anomalous years, often associated with El Nino-Southern Oscillation. Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1002/2016GL068392 SN - 0094-8276 SN - 1944-8007 VL - 43 SP - 3982 EP - 3990 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - THES A1 - Lenz, Josefine T1 - Thermokarst dynamics in central-eastern Beringia T1 - Thermokarstdynamik im zentral-östlichen Beringia BT - insights from permafrost and lacustrine sediment cores BT - Einblicke durch Permafrost- und Seesedimentkerne N2 - Widespread landscape changes are presently observed in the Arctic and are most likely to accelerate in the future, in particular in permafrost regions which are sensitive to climate warming. To assess current and future developments, it is crucial to understand past environmental dynamics in these landscapes. Causes and interactions of environmental variability can hardly be resolved by instrumental records covering modern time scales. However, long-term environmental variability is recorded in paleoenvironmental archives. Lake sediments are important archives that allow reconstruction of local limnogeological processes as well as past environmental changes driven directly or indirectly by climate dynamics. This study aims at reconstructing Late Quaternary permafrost and thermokarst dynamics in central-eastern Beringia, the terrestrial land mass connecting Eurasia and North America during glacial sea-level low stands. In order to investigate development, processes and influence of thermokarst dynamics, several sediment cores from extant lakes and drained lake basins were analyzed to answer the following research questions: 1. When did permafrost degradation and thermokarst lake development take place and what were enhancing and inhibiting environmental factors? 2. What are the dominant processes during thermokarst lake development and how are they reflected in proxy records? 3. How did, and still do, thermokarst dynamics contribute to the inventory and properties of organic matter in sediments and the carbon cycle? Methods applied in this study are based upon a multi-proxy approach combining sedimentological, geochemical, geochronological, and micropaleontological analyses, as well as analyses of stable isotopes and hydrochemistry of pore-water and ice. Modern field observations of water quality and basin morphometrics complete the environmental investigations. The investigated sediment cores reveal permafrost degradation and thermokarst dynamics on different time scales. The analysis of a sediment core from GG basin on the northern Seward Peninsula (Alaska) shows prevalent terrestrial accumulation of yedoma throughout the Early to Mid Wisconsin with intermediate wet conditions at around 44.5 to 41.5 ka BP. This first wetland development was terminated by the accumulation of a 1-meter-thick airfall tephra most likely originating from the South Killeak Maar eruption at 42 ka BP. A depositional hiatus between 22.5 and 0.23 ka BP may indicate thermokarst lake formation in the surrounding of the site which forms a yedoma upland till today. The thermokarst lake forming GG basin initiated 230 ± 30 cal a BP and drained in Spring 2005 AD. Four years after drainage the lake talik was still unfrozen below 268 cm depth. A permafrost core from Mama Rhonda basin on the northern Seward Peninsula preserved a full lacustrine record including several lake phases. The first lake generation developed at 11.8 cal ka BP during the Lateglacial-Early Holocene transition; its old basin (Grandma Rhonda) is still partially preserved at the southern margin of the study basin. Around 9.0 cal ka BP a shallow and more dynamic thermokarst lake developed with actively eroding shorelines and potentially intermediate shallow water or wetland phases (Mama Rhonda). Mama Rhonda lake drainage at 1.1 cal ka BP was followed by gradual accumulation of terrestrial peat and top-down refreezing of the lake talik. A significant lower organic carbon content was measured in Grandma Rhonda deposits (mean TOC of 2.5 wt%) than in Mama Rhonda deposits (mean TOC of 7.9 wt%) highlighting the impact of thermokarst dynamics on biogeochemical cycling in different lake generations by thawing and mobilization of organic carbon into the lake system. Proximal and distal sediment cores from Peatball Lake on the Arctic Coastal Plain of Alaska revealed young thermokarst dynamics since about 1,400 years along a depositional gradient based on reconstructions from shoreline expansion rates and absolute dating results. After its initiation as a remnant pond of a previous drained lake basin, a rapidly deepening lake with increasing oxygenation of the water column is evident from laminated sediments, and higher Fe/Ti and Fe/S ratios in the sediment. The sediment record archived characterizing shifts in depositional regimes and sediment sources from upland deposits and re-deposited sediments from drained thaw lake basins depending on the gradually changing shoreline configuration. These changes are evident from alternating organic inputs into the lake system which highlights the potential for thermokarst lakes to recycle old carbon from degrading permafrost deposits of its catchment. The lake sediment record from Herschel Island in the Yukon (Canada) covers the full Holocene period. After its initiation as a thermokarst lake at 11.7 cal ka BP and intense thermokarst activity until 10.0 cal ka BP, the steady sedimentation was interrupted by a depositional hiatus at 1.6 cal ka BP which likely resulted from lake drainage or allochthonous slumping due to collapsing shore lines. The specific setting of the lake on a push moraine composed of marine deposits is reflected in the sedimentary record. Freshening of the maturing lake is indicated by decreasing electrical conductivity in pore-water. Alternation of marine to freshwater ostracods and foraminifera confirms decreasing salinity as well but also reflects episodical re-deposition of allochthonous marine sediments. Based on permafrost and lacustrine sediment records, this thesis shows examples of the Late Quaternary evolution of typical Arctic permafrost landscapes in central-eastern Beringia and the complex interaction of local disturbance processes, regional environmental dynamics and global climate patterns. This study confirms that thermokarst lakes are important agents of organic matter recycling in complex and continuously changing landscapes. N2 - Derzeit werden deutliche Landschaftsveränderungen in der Arktis beobachtet, welche sich höchstwahrscheinlich zukünftig v.a. in den Permafrostregionen verstärken, da diese besonders empfindlich auf Klimaveränderungen reagieren. Um derzeitige und zukünftige Entwicklungen einschätzen zu können, ist es wichtig vergangene Umweltprozesse zu verstehen. Ursachen und Wechselwirkungen von Umweltveränderungen können nur bedingt durch instrumentelle Aufzeichnungen erklärt werden, doch Paleo-Umweltarchive können weit in die Vergangenheit reichende Umweltdynamiken aufzeichnen. Seesedimente sind wichtige Archive, die lokale limnogeologische Prozesse, aber auch direkt oder indirekt klimatisch gesteuerte Umweltveränderungen der Vergangenheit aufzeichnen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, spätquartäre Permafrost- und Thermokarstdynamik im zentral-östlichen Beringia zu rekonstruieren. Beringia umfasst jene terrestrische Landmasse, welche Eurasien und Nord-Amerika zu Zeiten von Meeresspiegeltiefständen verband. Um die Entwicklung, die Prozesse und den Einfluss von Thermokarstdynamik zu untersuchen, wurden mehrere Sedimentkerne von rezenten Seen und ausgelaufenen Seebecken analysiert, um folgende Forschungsfragen zu beantworten: 1. Zu welcher Zeit degradierte Permafrost und wann entwickelten sich Thermokarstseen? Was waren hemmende oder verstärkende Faktoren? 2. Was sind dominierende Prozesse während der Entwicklung von Thermokarstseen und wie spiegeln sich diese in Proxy-Aufzeichnungen wieder? 3. Wie hat Thermokarstdynamik damals und heute zur Bedeutung von organischer Substanz in Sedimenten und im Kohlenstoffkreislauf beigetragen? Die in dieser Arbeit angewandten Methoden basieren auf einem sogenannten „multi-proxy“ Ansatz, der sedimentologische, geochemische, geochronologische und mikropaläontologische Analysen, sowie die Untersuchung von stabilen Isotopen und die Hydrochemie von Porenwasser und -eis, verbindet. Feldmessungen der modernen Wasserqualität und Beckenmorphometrie komplettieren die Umweltuntersuchungen. Auf Grundlage der untersuchten Sedimentkerne lässt sich die Degradation von Permafrost und die Dynamik von Thermokarst auf zeitlich verschiedenen Skalen rekonstruieren. Die Analyse eines Sedimentkerns vom GG-Becken auf der nördlichen Seward-Halbinsel (Alaska) zeigt eine vorwiegend terrestrische Akkumulation von Yedoma während des Früh- und Mittel-Wisconsin mit zwischenzeitlich feuchteren Verhältnissen zwischen 44,5 und 41,5 ka BP. Diese frühe Feuchtgebietsphase wurde durch die Akkumulation einer 1 m dicken Tephra-Lage beendet, welche sehr wahrscheinlich von der Eruption des heutigen South Killeak Maar vor etwa 42.000 Jahren stammt. Eine Schichtlücke im Sedimentkern von etwa 22,5 und 0,23 ka BP gibt einen Hinweis auf Thermokarstentwicklung in der Umgebung der Kernlokation, welche bis heute ein Yedoma-Rudiment bildet. Der Thermokarstsee, der GG-Becken formte, entstand 230 ± 30 cal a BP und drainierte im Frühling 2005 AD. Vier Jahre nach der Drainage war der Talik des Sees in einer Tiefe von 268 cm noch ungefroren. Ein Permafrostkern vom Mama Rhonda-Becken auf der nördlichen Seward-Halbinsel archivierte eine vollständige limnische Fazies mit mehreren Seephasen. Die erste Seegeneration entstand am Übergang vom Spätglazial zum Frühholozän um etwa 11,8 cal ka BP; das alte Seebecken (Grandma Rhonda) ist bis heute südlich der Kernlokation erhalten. Etwa um 9,0 cal ka BP entwickelte sich ein eher flaches und dynamisches Seesystem mit aktiv erodierenden Ufern und potenziell zwischengeschalteten Flachwasser- oder Feuchtgebietsphasen (Mama Rhonda). Die Drainage vom Mama Rhonda-See etwa 1,1 cal ka BP wurde gefolgt von gradueller Torfakkumulation und einem von oben zurückfrierenden See-Talik Es wurde ein deutlich geringerer organischer Kohlenstoff-Gehalt in Grandma Rhonda-Ablagerungen (TOC im Mittel 2,5 Gew.-%) festgestellt, als in Mama Rhonda Ablagerungen (TOC im Mittel 7,9 Gew.-%). Dies zeigt den bedeutenden Einfluss von Thermokarst auf biogeochemische Kreisläufe, da in verschiedenen Seegenerationen organischen Kohlenstoff durch Permafrost-Tauen im Seesystem mobilisiert wird. Seesedimentkerne aus der Uferzone und dem zentralen Bereich von Peatball Lake auf der Arktischen Küstenebene von Alaska, ergaben eine junge Thermokarstdynamik von 1.400 Jahren, welche auf der Basis von absoluten Datierungen und Uferexpansionsraten rekonstruiert wurde. Nach der Seeinitiierung als Rest-See eines zuvor ausgelaufenen Seebeckens, vertiefte sich Peatball Lake verhältnismäßig schnell mit zunehmender Sauerstoffanreicherung der Wassersäule, wie aus laminierten Sedimenten und hohen Fe/Ti- und Fe/S-Verhältnissen im Sediment ersichtlich ist. Die Sedimente von Peatball Lake archivierten einen Wechsel des Ablagerungsregimes bei Ausdehnung der Seefläche und einen Wechsel der Sedimentquelle von ursprünglichen, rein terrestrischen Ablagerungen und bereits umgelagerten Sedimenten aus drainierten Seebecken. Angezeigt wird dieser Wechsel durch eine Veränderung im Eintrag organischen Materials in das Seesystem, was wiederum das Potential von Thermokarstseen bei der Aufarbeitung alten Kohlenstoffs aus degradierendem Permafrost im Einzugsgebiet verdeutlicht. Der Seesedimentkern von der Herschel Insel im Yukon (Kanada) deckt das gesamte Holozän ab. Nach der Seeentstehung um 11,7 cal ka BP und einer Zeit intensiver Thermokarstaktivität bis 11,0 cal ka BP, wird die Phase einer eher kontinuierlichen Sedimentation von einer Schichtlücke um 1,6 cal ka BP unterbrochen. Diese wurde entweder durch die Drainage des Sees oder einer allochthonen Rutschung instabiler Uferlinien verursacht. Die spezielle Situation des Sees auf einer Stauchendmoräne aus marinem Material spiegelt sich auch in dem Seesedimentarchiv wieder. Das Aussüßen des wachsenden Sees wird durch die abnehmende elektrische Leitfähigkeit im Porenwasser angezeigt. Der Wechsel von marinen und Süßwasserostrakoden- und Foraminiferengemeinschaften bestätigt zum einen die abnehmende Salinität des Sees, aber zeigt zum anderen auch episodische Umlagerung von allochthonem, marinem Sediment. Auf der Grundlange von Permafrost- und Seesedimentkernen zeigt diese Arbeit Beispiele spätquartärer Entwicklungsgeschichte typischer Arktischer Permafrostlandschaften im zentral-östlichen Beringia. Es werden komplexe Zusammenhänge zwischen lokalen Störungsprozessen, regionaler Umweltdynamik und globalen Klimaveränderungen aufgezeigt. Thermokarstseen spielen dabei eine wichtige Rolle im sich kontinuierlich verändernden Landschaftsbild der hohen Breiten und im Stoffkreislauf bei der Aufarbeitung organischer Substanz. KW - paleolimnology KW - permafrost degradation KW - periglacial landscape evolution KW - thermokarst processes KW - carbon cycling KW - central-eastern Beringia KW - Paläolimnologie KW - Permafrostdegradation KW - periglaziale Landschaftsentwicklung KW - Thermokarstprozesse KW - Kohlenstoffkreislauf KW - zentral-östliches Beringia Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101364 ER - TY - THES A1 - Konrad-Schmolke, Matthias T1 - Thermodynamic and geochemical modeling in metamorphic geology T1 - Thermodynamische und geochemische Modellierungen in metamorpher Geologie N2 - Quantitative thermodynamic and geochemical modeling is today applied in a variety of geological environments from the petrogenesis of igneous rocks to the oceanic realm. Thermodynamic calculations are used, for example, to get better insight into lithosphere dynamics, to constrain melting processes in crust and mantle as well as to study fluid-rock interaction. The development of thermodynamic databases and computer programs to calculate equilibrium phase diagrams have greatly advanced our ability to model geodynamic processes from subduction to orogenesis. However, a well-known problem is that despite its broad application the use and interpretation of thermodynamic models applied to natural rocks is far from straightforward. For example, chemical disequilibrium and/or unknown rock properties, such as fluid activities, complicate the application of equilibrium thermodynamics. One major aspect of the publications presented in this Habilitationsschrift are new approaches to unravel dynamic and chemical histories of rocks that include applications to chemically open system behaviour. This approach is especially important in rocks that are affected by element fractionation due to fractional crystallisation and fluid loss during dehydration reactions. Furthermore, chemically open system behaviour has also to be considered for studying fluid-rock interaction processes and for extracting information from compositionally zoned metamorphic minerals. In this Habilitationsschrift several publications are presented where I incorporate such open system behaviour in the forward models by incrementing the calculations and considering changing reacting rock compositions during metamorphism. I apply thermodynamic forward modelling incorporating the effects of element fractionation in a variety of geodynamic and geochemical applications in order to better understand lithosphere dynamics and mass transfer in solid rocks. In three of the presented publications I combine thermodynamic forward models with trace element calculations in order to enlarge the application of geochemical numerical forward modeling. In these publications a combination of thermodynamic and trace element forward modeling is used to study and quantify processes in metamorphic petrology at spatial scales from µm to km. In the thermodynamic forward models I utilize Gibbs energy minimization to quantify mineralogical changes along a reaction path of a chemically open fluid/rock system. These results are combined with mass balanced trace element calculations to determine the trace element distribution between rock and melt/fluid during the metamorphic evolution. Thus, effects of mineral reactions, fluid-rock interaction and element transport in metamorphic rocks on the trace element and isotopic composition of minerals, rocks and percolating fluids or melts can be predicted. One of the included publications shows that trace element growth zonations in metamorphic garnet porphyroblasts can be used to get crucial information about the reaction path of the investigated sample. In order to interpret the major and trace element distribution and zoning patterns in terms of the reaction history of the samples, we combined thermodynamic forward models with mass-balance rare earth element calculations. Such combined thermodynamic and mass-balance calculations of the rare earth element distribution among the modelled stable phases yielded characteristic zonation patterns in garnet that closely resemble those in the natural samples. We can show in that paper that garnet growth and trace element incorporation occurred in near thermodynamic equilibrium with matrix phases during subduction and that the rare earth element patterns in garnet exhibit distinct enrichment zones that fingerprint the minerals involved in the garnet-forming reactions. In two of the presented publications I illustrate the capacities of combined thermodynamic-geochemical modeling based on examples relevant to mass transfer in subduction zones. The first example focuses on fluid-rock interaction in and around a blueschist-facies shear zone in felsic gneisses, where fluid-induced mineral reactions and their effects on boron (B) concentrations and isotopic compositions in white mica are modeled. In the second example, fluid release from a subducted slab and associated transport of B and variations in B concentrations and isotopic compositions in liberated fluids and residual rocks are modeled. I show that, combined with experimental data on elemental partitioning and isotopic fractionation, thermodynamic forward modeling unfolds enormous capacities that are far from exhausted. In my publications presented in this Habilitationsschrift I compare the modeled results to geochemical data of natural minerals and rocks and demonstrate that the combination of thermodynamic and geochemical models enables quantification of metamorphic processes and insights into element cycling that would have been unattainable so far. Thus, the contributions to the science community presented in this Habilitatonsschrift concern the fields of petrology, geochemistry, geochronology but also ore geology that all use thermodynamic and geochemical models to solve various problems related to geo-materials. N2 - Große Teile des Planeten auf dem wir leben sind für direkte Beobachtungen unzugänglich. Dieser Umstand umfasst nicht nur eine räumliche Komponente, so wie dies z.B. in den Tiefseegräben der Ozeane oder im Erdinneren der Fall ist sondern auch eine zeitliche Komponente, da viele für uns lebenswichtigen Prozesse, wie z.B. die Verschiebung der Kontinentalplatten, in für uns kaum beobachtbaren Raten stattfinden. Daher sind sogenannte Proxies, d.h. Archive in denen Informationen über die untersuchten Prozesse aus der längeren Vergangenheit gespeichert sind für die Geowissenschaften von sehr großer Bedeutung. Der wohl bekannteste Proxy ist zur Zeit CO2, dessen Konzentration in der Atmosphäre mit der Lufttemperatur korreliert wird. Als Archive für diesen Proxy dienen in der Regel Luftblasen in den Schichten der Eisschilde. Ist der Prozess bekannt, der den Proxy mit der gesuchten Information verbindet, im Falle von CO2 ist das der weitgehend bekannte sogenannte Treibhaus-Effekt, der die Oberflächentemperatur auf der Erde kontrolliert, kann man aus den Daten der Vergangenheit auf die Zukunft rückschließen. Wichtig ist dabei natürlich, dass der Prozess, der den Proxy kontrolliert genau bekannt ist, denn sonst führen dessen Messungen und die Interpretation der Daten zu falschen Rückschlüssen. In der von mir vorgelegten Habilitationsschrift geht es um Prozesse, die bestimmte Proxies in Gesteinen kontrollieren und darum, aus den Messungen der Proxies Rückschlüsse über Prozesse machen zu können, die weit außerhalb unseres direkt beobachtbaren Raumes liegen. Bei den untersuchten Prozessen handelt es sich um die sogenannte Lithosphärendynamik, die Bewegung der Gesteine in den obersten etwa 100km unseres Planeten. Diese Dynamik und die damit verbundenen Massenbewegungen sind weder räumlich noch zeitlich gut zu beobachten, die Prozesse laufen meist in größeren Tiefen und im Maßstab von Millionen von Jahren ab, sind aber dennoch für die Menschen von größter Bedeutung, da sie für Erdbeben, Vulkanausbrüche aber auch für die Lagerstättenbildung verantwortlich sind. Bewegungen der Gesteine in der Lithosphäre gehen mit Druck- und Temperaturänderungen in den Gesteinen einher. Die Gesteine versuchen sich diesen Änderungen anzupassen, was durch chemische Veränderungen in den Mineralen aus denen die Gesteine bestehen, geschieht. Solche Veränderungen infolge der Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen sind uns allen bekannt: Eis schmilzt, wenn die Umgebungstemperatur über dem Gefrierpunkt liegt und die Kraft, die wir im Verbrennungsmotor aus der chemischen Reaktion zwischen Benzin und Luft gewinnen setzen wir in Bewegung um. Die Berechnung solcher chemischer Anpassungen an sich ändernde Umgebungsbedingungen erfolgt mit Hilfe der Thermodynamik. Mit thermodynamischen Modellen können wir voraussagen welche Veränderungen in einem chemischen System auftreten, wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern. Im Bezug auf Gesteine bedeutet dies, dass wir die chemische Zusammensetzung der Minerale bei bestimmten Druck und Temperaturbedingungen voraussagen können und umgekehrt auch aus der chemischen Zusammensetzung der Minerale auf die Druck- und Temperaturbedingungen bei ihrer Entstehung rückschließen können. Einige Minerale, wie z.B. Granat oder Feldspat weisen in Gesteinen oft eine chemische Zonierung auf, d.h. wie die Jahresringe in einem Baum haben solche Minerale konzentrische Anwachssäume, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden und so ein Archiv über die erfahrenen Druck- und Temperaturveränderungen in der Geschichte des Gesteins darstellen. Zur Interpretation dieser Zonierungen bedarf es komplexer thermodynamischer Modellierungen mit denen ich mich in den hier zusammengefassten publizierten Arbeiten beschäftigt habe. In den in dieser Habilitationsschrift zusammengefassten Arbeiten arbeite ich vor allem heraus, dass sowohl die Haupt- als auch die Spurenelementzonierungen in den Mineralen Granat und Hellglimmer hervorragende Indikatoren für Elementtransportprozesse in den Gesteinen sind. In Granat können Haupt- und Seltenerdelementzonierungen herangezogen werden um Elementfraktionierungsprozesse während der Gesteinsentwicklung zu detektieren. In den Hellglimmern ist die Konzentration und isotopische Zusammensetzung von Bor indikativ für eine Fluid-Gesteins-Wechselwirkung. Ich zeige, dass mit von mir und meinen Co-Autoren entwickelten thermodynamisch-geochemischen Modellen solche Elementtransportprozesse quantifiziert werden können. In den hier vorgelegten Arbeiten verwende ich solche numerischen Modelle um Prozesse vom µm bis km Maßstab zu quantifizieren. KW - geology KW - petrology KW - thermodynamic modelling KW - Geologie KW - Petrologie KW - thermodynamische Modellierungen Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101805 ER - TY - THES A1 - Bande, Alejandro T1 - The tectonic evolution of the western Tien Shan T1 - Die tektonische Entwicklung des westlichen Tien Shan N2 - Intracontinental deformation usually is a result of tectonic forces associated with distant plate collisions. In general, the evolution of mountain ranges and basins in this environment is strongly controlled by the distribution and geometries of preexisting structures. Thus, predictive models usually fail in forecasting the deformation evolution in these kinds of settings. Detailed information on each range and basin-fill is vital to comprehend the evolution of intracontinental mountain belts and basins. In this dissertation, I have investigated the complex Cenozoic tectonic evolution of the western Tien Shan in Central Asia, which is one of the most active intracontinental ranges in the world. The work presented here combines a broad array of datasets, including thermo- and geochronology, paleoenvironmental interpretations, sediment provenance and subsurface interpretations in order to track changes in tectonic deformation. Most of the identified changes are connected and can be related to regional-scale processes that governed the evolution of the western Tien Shan. The NW-SE trending Talas-Fergana fault (TFF) separates the western from the central Tien Shan and constitutes a world-class example of the influence of preexisting anisotropies on the subsequent structural development of a contractile orogen. While to the east most of ranges and basins have a sub-parallel E-W trend, the triangular-shaped Fergana basin forms a substantial feature in the western Tien Shan morphology with ranges on all three sides. In this thesis, I present 55 new thermochronologic ages (apatite fission track and zircon (U-Th)/He)) used to constrain exhumation histories of several mountain ranges in the western Tien Shan. At the same time, I analyzed the Fergana basin-fill looking for progressive changes in sedimentary paleoenvironments, source areas and stratal geometrical configurations in the subsurface and outcrops. The data presented in this thesis suggests that low cooling rates (<1°C Myr-1), calm depositional environments, and low depositional rates (<10 m Myr-1) were widely distributed across the western Tien Shan, describing a quiescent tectonic period throughout the Paleogene. Increased cooling rates in the late Cenozoic occurred diachronously and with variable magnitudes in different ranges. This rapid cooling stage is interpreted to represent increased erosion caused by active deformation and constrains the onset of Cenozoic deformation in the western Tien Shan. Time-temperature histories derived from the northwestern Tien Shan samples show an increase in cooling rates by ~25 Ma. This event is correlated with a synchronous pulse iv in the South Tien Shan. I suggest that strike-slip motion along the TFF commenced at the Oligo-Miocene boundary, facilitating CCW rotation of the Fergana basin and enabling exhumation of the linked horsetail splays. Higher depositional rates (~150 m Myr-1) in the Oligo-Miocene section (Massaget Fm.) of the Fergana basin suggest synchronous deformation in the surrounding ranges. The central Alai Range also experienced rapid cooling around this time, suggesting that the onset of intramontane basin fragmentation and isolation is coeval. These results point to deformation starting simultaneously in the late Oligocene – early Miocene in geographically distant mountain ranges. I suggest that these early uplifts are controlled by reactivated structures (like the TFF), which are probably the frictionally weakest and most-suitably oriented for accommodating and transferring N-S horizontal shortening along the western Tien Shan. Afterwards, in the late Miocene (~10 Ma), a period of renewed rapid cooling affected the Tien Shan and most mountain ranges and inherited structures started to actively deform. This episode is widely distributed and an increase in exhumation is interpreted in most of the sampled ranges. Moreover, the Pliocene section in the basin subsurface shows the higher depositional rates (>180 m Myr-1) and higher energy facies. The deformation and exhumation increase further contributed to intramontane basin partitioning. Overall, the interpretation is that the Tien Shan and much of Central Asia suffered a global increase in the rate of horizontal crustal shortening. Previously, stress transfer along the rigid Tarim block or Pamir indentation has been proposed to account for Himalayan hinterland deformation. However, the extent of the episode requires a different and broader geodynamic driver. N2 - Intra-kontinentale Deformation der Erdkruste ist in der Regel das Ergebnis weitreichender tektonischer Kräfte, die durch Interaktion der Erdplatten an entfernten Kontinentalrändern entstehen. Eine entscheidende Rolle bei der Entwicklungsgeschichte der so entstehenden Gebirge, spielt das Vorhandensein und die Orientierung präexistierender Strukturen in der Kruste. Diese Komplexität lässt bekannte Vorhersagemodelle zur Bestimmung der Deformationsgeschichte häufig scheitern. Um die Deformationsprozesse intra-kontinentaler Gebiete dennoch besser zu verstehen, sind detaillierte Informationen über die Entstehungsgeschichte einzelner Bergketten und benachbarter Becken von essentieller Bedeutung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der känozoischen Entwicklung tektonischer Prozesse in einer der aktivsten intra-kontinentalen Gebirgsketten der Welt, dem westlichen Tian Shan Gebirge in Zentralasien. Um räumliche und zeitliche Veränderungen der tektonischen Deformation besser nachvollziehen zu können, wird in dieser Arbeit ein breites Spektrum an Datensätzen, aus Thermo- und Geochronologie, Paläoumwelt-Interpretation, Sediment-Provenienz und der Interpretationen seismischer Profile, kombiniert. Die somit identifizierten Prozesse deuten auf einen engen Bezug und können mit regional übergreifenden Prozessen in Beziehung gesetzt werden, die für die Entwicklung des westlichen Tian Shan Gebirges verantwortlich sind. Ein Paradebeispiel des Einflusses präexistierender Krustenanomalien auf die strukturelle Entstehung eines intra-kontinentalen Gebirges wie dem Tian Shan ist die NW-SE streichende Talas-Fergana-Störung, die den westlichen vom zentralen Tian Shan trennt. Während der östlich gelegene Zentralbereich des Orogens durch subparallele, E-W streichende Gebirgszüge und Becken charakterisiert ist, ist das markant dreieckförmige Fergana-Becken im westlichen Tian Shan von allen Seiten durch hohe Gebirgsrücken flankiert. Kern dieser Arbeit sind 55 neue thermochronologische Altersdatierungen (aus Apatit-Spaltspuren-Analyse und U-Th/He an Zirkonen), mit deren Hilfe die Exhumationsgeschichte mehrerer Gebirgszüge im westlichen Tian Shan untersucht wurde. Des Weiteren wurde die sedimentäre Beckenfüllung des benachbarten Fergana-Beckens auf sukzessive Veränderungen der Paläoumweltbedingungen, der Sediment-Provenienz und der geometrischen Konfiguration der Sedimente, am Aufschluss und im Untergrund untersucht. Ergebnisse dieser Arbeit zeigen niedrige Abkühlungs- (<1°C Myr-1) und Sedimentationsraten (<10 m Myr-1) im Gebiet des westlichen Tian Shan im Paläogen und deuten auf eine tektonisch ruhige und relativ stabile Region. Demgegenüber stehen erhöhte Abkühlungsraten im späten Känozoikum, die in den verschiedenen Gebirgsketten diachron und mit unterschiedlicher Intensität einsetzen. Diese zweite Phase deutet auf erhöhte Erosionsprozesse, hervorgerufen durch aktive Deformation, und markiert den Beginn der känozoischen Deformation im westlichen Tian Shan Gebirge. Temperaturgeschichten im Gebiet des NW Tian Shan zeigen erhöhte Abkühlungsraten vor ~25 Ma und korrelieren zeitlich mit ähnlichen Ereignissen im südlichen Tian Shan. Ich vermute, dass Horizontalverschiebungen entlang der Talas-Fergana-Störung an der Oligozän-Miozän-Grenze zur Rotation des Fergana-Beckens gegen den Uhrzeigersinn, und darüber hinaus zur Exhumation entlang diverser Nebenstörungen führten. Erhöhte Sedimentationsraten (~150 m Myr-1) der Oligo-Miozänen Einheiten im Fergana Becken (Massaget Fm.) deuten ebenfalls auf eine synchrone Deformationsphase umliegender Gebieten zu dieser Zeit. Dies ist durch erhöhte Abkühlungsraten im zentralen Alai (südlich des Fergana Beckens) gut dokumentiert und impliziert, dass die intra-montane Fragmentierung und Isolierung, der ehemals zusammenhängenden Sedimentbecken, zur gleichen Zeit erfolgte. Diese Beobachtungen deuten auf eine Deformationsgeschichte hin, die zeitgleich ihren Ursprung in zwei voneinander entfernten Regionen hat. Diese frühen Hebungen scheinen durch reaktivierte Strukturen (wie der Talas-Fergana-Störung) gesteuert worden zu sein, deren Orientierung optimal für eine N-S Einengung im Bereich des westlichen Tian Shan geeignet ist. Eine erneute Phase schneller Abkühlung im späten Miozän (~10 Ma) führte zur Aktivierung der meisten heutigen Gebirgszüge und der Reaktivierung prä-existierender Strukturen. Diese Deformationsphase zeigt eine weite Verbreitung und einen Anstieg der Exhumationsraten in den meisten beprobten Bereichen. Darüberhinaus steigen die pliozänen Sedimentationsraten (>180 m Myr-1) im Fergana-Becken und die Faziesanalyse der Sedimente zeigt hoch-energetische Ablagerungsbedingungen. Fazit dieser Arbeit ist, dass der Tian Shan und ein Großteil Zentralasiens durch erhöhte Verkürzungsraten der Kruste stark beeinflusst wurden. Früher ging man davon aus, dass Stresstransfer entlang des stabilen Tarim-Blocks oder die Indentation des Pamir-Gebirges zur Deformation im Hinterland des Himalaya führten. Die beobachteten Deformationsmuster deuten jedoch auf einen anderen, viel weitreichenderen geodynamischen Prozess hin. KW - tectonics KW - Tien Shan KW - thermochronology KW - Tektonik KW - Tien Shan KW - Thermochronologie Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398933 ER - TY - JOUR A1 - Ziegler, Moritz O. A1 - Rajabi, Mojtaba A1 - Heidbach, Oliver A1 - Hersir, Gylfi Pall A1 - Agustsson, Kristjan A1 - Arnadottir, Sigurveig A1 - Zang, Arno T1 - The stress pattern of Iceland JF - Tectonophysics : international journal of geotectonics and the geology and physics of the interior of the earth N2 - Iceland is located on the Mid-Atlantic Ridge which is the plate boundary between the Eurasian and the North American plates. It is one of the few places on earth where an active spreading centre is located onshore but the stress pattern has not been extensively investigated so far. In this paper we present a comprehensive compilation of the orientation of maximum horizontal stress (S-Hmax). In particular we interpret borehole breakouts and drilling induced fractures from borehole image logs in 57 geothermal wells onshore Iceland. The borehole results are combined with other stress indicators including earthquake focal mechanism solutions, geological information and overcoring measurements resulting in a dataset with 495 data records for the S-Hmax orientation. The reliability of each indicator is assessed according to the quality criteria of the World Stress Map project The majority of S-Hmax orientation data records in Iceland is derived from earthquake focal mechanism solutions (35%) and geological fault slip inversions (26%). 20% of the data are borehole related stress indicators. In addition minor shares of S-Hmax orientations are compiled, amongst others, from focal mechanism inversions and the alignment of fissure eruptions. The results show that the S-Hmax orientations derived from different depths and stress indicators are consistent with each other. The resulting pattern of the present-day stress in Iceland has four distinct subsets of S-Hmax orientations. The S-Hmax orientation is parallel to the rift axes in the vicinity of the active spreading regions. It changes from NE-SW in the South to approximately N-S in central Iceland and NNW-SSE in the North. In the Westfjords which is located far away from the ridge the regional S-Hmax rotates and is parallel to the plate motion. (C) 2016 Elsevier B.V. All rights reserved. KW - Iceland KW - Stress field KW - Stress pattern KW - Borehole image logs Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1016/j.tecto.2016.02.008 SN - 0040-1951 SN - 1879-3266 VL - 674 SP - 101 EP - 113 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Kalbe, Johannes A1 - Jagher, Reto A1 - Puempin, Christine T1 - The spring of Nadaouiyeh Ain Askar - Paleoecology of a Paleolithic oasis in arid central Syria JF - Palaeogeography, palaeoclimatology, palaeoecology : an international journal for the geo-sciences N2 - The site Nadaouiyeh Aïn Askar, an ancient artesian spring near the village of El Kowm, Central Syria, is an example of long lasting human occupation in a desert environment throughout the Middle and Late Pleistocene. The excavations expose a succession of sedimentary units, containing an artifact assemblage assigned to the Acheulean techno-complex. Unit VI, attributed to the Marine Isotope Stage 13, is rich in ostracod valves and was chosen for the present environmental study. From these sediments Heterocypris salina, H. incongruens, Cyprideis torosa, Ilyocypris cf. bradyi, I. inermis, I. cf. gibba, Darwinula stevensoni, Plesiocypridopsis newtoni, Pseudocandona compressa, Candona cf. neglecta, Pseudocandona sp., Trajancypris sp., Physocypria sp. and Mixtacandona sp. are documented for the first time in the Middle Pleistocene of the arid environment of central Syria. Data from these microfossils as well as geochemical proxies implicate three phases, turning the wetland from a palustrine setting into a spring supplied pond with increasing salinity. The high mineralization of the spring waters enables a discussion about early hominin adaptability to brackish waters as drinking water resources, common within the steppe and desert environments along the “out-of-Africa”—corridor in the eastern Mediterranean. KW - Syria KW - Lower Paleolithic KW - Marine Isotope Stage 13 KW - Desert wetland ecosystems KW - Ostracoda KW - Drinking water quality Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2016.01.030 SN - 0031-0182 SN - 1872-616X VL - 446 SP - 252 EP - 262 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Schmidt, Katja A1 - Walz, Ariane A1 - Jones, Isobel A1 - Metzger, Marc J. T1 - The Sociocultural Value of Upland Regions in the Vicinity of Cities in Comparison With Urban Green Spaces JF - Mountain research and development KW - Ecosystem services KW - mountains near cities KW - urban green spaces KW - social valuation KW - perception KW - preferences in land management KW - Scotland Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1659/MRD-JOURNAL-D-16-00044.1 SN - 0276-4741 SN - 1994-7151 VL - 36 SP - 465 EP - 474 PB - American Geophysical Union CY - Lawrence ER - TY - JOUR A1 - Fluschnik, Till A1 - Kriewald, Steffen A1 - Ros, Anselmo Garcia Cantu A1 - Zhou, Bin A1 - Reusser, Dominik Edwin A1 - Kropp, Jürgen A1 - Rybski, Diego T1 - The Size Distribution, Scaling Properties and Spatial Organization of Urban Clusters: A Global and Regional Percolation Perspective JF - ISPRS International Journal of Geo-Information N2 - Human development has far-reaching impacts on the surface of the globe. The transformation of natural land cover occurs in different forms, and urban growth is one of the most eminent transformative processes. We analyze global land cover data and extract cities as defined by maximally connected urban clusters. The analysis of the city size distribution for all cities on the globe confirms Zipf’s law. Moreover, by investigating the percolation properties of the clustering of urban areas we assess the closeness to criticality for various countries. At the critical thresholds, the urban land cover of the countries undergoes a transition from separated clusters to a gigantic component on the country scale. We study the Zipf-exponents as a function of the closeness to percolation and find a systematic dependence, which could be the reason for deviating exponents reported in the literature. Moreover, we investigate the average size of the clusters as a function of the proximity to percolation and find country specific behavior. By relating the standard deviation and the average of cluster sizes—analogous to Taylor’s law—we suggest an alternative way to identify the percolation transition. We calculate spatial correlations of the urban land cover and find long-range correlations. Finally, by relating the areas of cities with population figures we address the global aspect of the allometry of cities, finding an exponent δ ≈ 0.85, i.e., large cities have lower densities. Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.3390/ijgi5070110 SN - 2220-9964 VL - 5 SP - 1543 EP - 1559 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Traxl, Dominik A1 - Boers, Niklas A1 - Rheinwalt, Aljoscha A1 - Goswami, Bedartha A1 - Kurths, Jürgen T1 - The size distribution of spatiotemporal extreme rainfall clusters around the globe JF - Geophysical research letters N2 - The scaling behavior of rainfall has been extensively studied both in terms of event magnitudes and in terms of spatial extents of the events. Different heavy-tailed distributions have been proposed as candidates for both instances, but statistically rigorous treatments are rare. Here we combine the domains of event magnitudes and event area sizes by a spatiotemporal integration of 3-hourly rain rates corresponding to extreme events derived from the quasi-global high-resolution rainfall product Tropical Rainfall Measuring Mission 3B42. A maximum likelihood evaluation reveals that the distribution of spatiotemporally integrated extreme rainfall cluster sizes over the oceans is best described by a truncated power law, calling into question previous statements about scale-free distributions. The observed subpower law behavior of the distribution's tail is evaluated with a simple generative model, which indicates that the exponential truncation of an otherwise scale-free spatiotemporal cluster size distribution over the oceans could be explained by the existence of land masses on the globe. Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1002/2016GL070692 SN - 0094-8276 SN - 1944-8007 VL - 43 SP - 9939 EP - 9947 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER -