TY - JOUR A1 - Licht, Alexis A1 - Dupont-Nivet, Guillaume A1 - Win, Zaw A1 - Swe, Hnin Hnin A1 - Kaythi, Myat A1 - Roperch, Pierrick A1 - Ugrai, Tamas A1 - Littell, Virginia A1 - Park, Diana A1 - Westerweel, Jan A1 - Jones, Dominic A1 - Poblete, Fernando A1 - Aung, Day Wa A1 - Huang, Huasheng A1 - Hoorn, Carina A1 - Sein, Kyaing T1 - Paleogene evolution of the Burmese forearc basin and implications for the history of India-Asia convergence JF - Geological Society of America bulletin N2 - The geological history of the Burmese subduction margin, where India obliquely subducts below Indochina, remains poorly documented although it is key to deciphering geodynamic models for the evolution of the broader Tibetan-Himalayan orogen. Various scenarios for the evolution of the orogen have been proposed, including a collision of India with Myanmar in the Paleogene, a significant extrusion of Myanmar and Indochina from the India-Asia collision zone, or very little change in paleogeography and subduction regime since the India-Asia collision. This article examines the history of the Burmese forearc basin, with a particular focus on Eocene-Oligocene times to reconstruct the evolution of the Burmese margin during the early stages of the India-Asia collision. We report on sedimentological, geochemical, petrographical, and geochronological data from the Chindwin Basin-the northern part of the Burmese forearc-and integrate these results with previous data from other basins in central Myanmar. Our results show that the Burmese margin acted as a regular Andean-type subduction margin until the late middle Eocene, with a forearc basin that was open to the trench and fed by the denudation of the Andean volcanic arc to the east. We show that the modern tectonic configuration of central Myanmar formed 39-37 million years ago, when the Burmese margin shifted from an Andean-type margin to a hyper-oblique margin. The forearc basin was quickly partitioned into individual pull-apart basins, bounded to the west by a quickly emerged accretionary prism, and to the east by synchronously exhumed basement rocks, including coeval high-grade metamorphics. We interpret this shift as resulting from the onset of strike-slip deformation on the subduction margin leading to the formation of a paleo-sliver plate, with a paleo fault system in the accretionary prism, pull-apart basins in the forearc, and another paleo fault system in the backarc. This evolution implies that hyper-oblique convergence below the Burmese margin is at least twice older than previously thought. Our results reject any India-Asia convergence scenario involving an early Paleogene collision of India with Myanmar. In contrast, our results validate conservative geodynamic models arguing for a close-to-modern precollisional paleogeometry for the Indochina Peninsula, and indicate that any post-collisional rotation of Indochina, if it occurred at all, must have been achieved by the late middle Eocene. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1130/B35002.1 SN - 0016-7606 SN - 1943-2674 VL - 131 IS - 5-6 SP - 730 EP - 748 PB - American Institute of Physics CY - Boulder ER - TY - GEN A1 - Liu, Qi A1 - Kämpf, Horst A1 - Bussert, Robert A1 - Krauze, Patryk A1 - Horn, Fabian A1 - Nickschick, Tobias A1 - Plessen, Birgit A1 - Wagner, Dirk A1 - Alawi, Mashal T1 - Influence of CO2 degassing on the microbial community in a dry mofette field in Hartoušov, Czech Republic (Western Eger Rift) T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The Cheb Basin (CZ) is a shallow Neogene intracontinental basin filled with fluvial and lacustrine sediments that is located in the western part of the Eger Rift. The basin is situated in a seismically active area and is characterized by diffuse degassing of mantle-derived CO2 in mofette fields. The Hartousov mofette field shows a daily CO2 flux of 23-97 tons of CO2 released over an area of 0.35 km(2) and a soil gas concentration of up to 100% CO2. The present study aims to explore the geo-bio interactions provoked by the influence of elevated CO2 concentrations on the geochemistry and microbial community of soils and sediments. To sample the strata, two 3-m cores were recovered. One core stems from the center of the degassing structure, whereas the other core was taken 8 m from the ENE and served as an undisturbed reference site. The sites were compared regarding their geochemical features, microbial abundances, and microbial community structures. The mofette site is characterized by a low pH and high TOC/sulfate contents. Striking differences in the microbial community highlight the substantial impact of elevated CO2 concentrations and their associated side effects on microbial processes. The abundance of microbes did not show a typical decrease with depth, indicating that the uprising CO2-rich fluid provides sufficient substrate for chemolithoautotrophic anaerobic microorganisms. Illumine MiSeq sequencing of the 16S rRNA genes and multivariate statistics reveals that the pH strongly influences microbial composition and explains around 38.7% of the variance at the mofette site and 22.4% of the variance between the mofette site and the undisturbed reference site. Accordingly, acidophilic microorganisms (e.g., OTUs assigned to Acidobacteriaceae and Acidithiobacillus) displayed a much higher relative abundance at the mofette site than at the reference site. The microbial community at the mofette site is characterized by a high relative abundance of methanogens and taxa involved in sulfur cycling. The present study provides intriguing insights into microbial life and geo-bio interactions in an active seismic region dominated by emanating mantle-derived CO2-rich fluids, and thereby builds the basis for further studies, e.g., focusing on the functional repertoire of the communities. However, it remains open if the observed patterns can be generalized for different time-points or sites. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1100 KW - geo-bio interaction KW - elevated CO2 concentration KW - paleo-sediment KW - deep biosphere KW - acidophilic microorganisms KW - Acidobactetiaceae KW - Acidithiobacillus KW - Acidothermus Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-471153 SN - 1866-8372 IS - 1100 ER - TY - JOUR A1 - Liu, Qi A1 - Kämpf, Horst A1 - Bussert, Robert A1 - Krauze, Patryk A1 - Horn, Fabian A1 - Nickschick, Tobias A1 - Plessen, Birgit A1 - Wagner, Dirk A1 - Alawi, Mashal T1 - Influence of CO2 degassing on the microbial community in a dry mofette field in Hartoušov, Czech Republic (Western Eger Rift) JF - Frontiers in Microbiology N2 - The Cheb Basin (CZ) is a shallow Neogene intracontinental basin filled with fluvial and lacustrine sediments that is located in the western part of the Eger Rift. The basin is situated in a seismically active area and is characterized by diffuse degassing of mantle-derived CO2 in mofette fields. The Hartousov mofette field shows a daily CO2 flux of 23-97 tons of CO2 released over an area of 0.35 km(2) and a soil gas concentration of up to 100% CO2. The present study aims to explore the geo-bio interactions provoked by the influence of elevated CO2 concentrations on the geochemistry and microbial community of soils and sediments. To sample the strata, two 3-m cores were recovered. One core stems from the center of the degassing structure, whereas the other core was taken 8 m from the ENE and served as an undisturbed reference site. The sites were compared regarding their geochemical features, microbial abundances, and microbial community structures. The mofette site is characterized by a low pH and high TOC/sulfate contents. Striking differences in the microbial community highlight the substantial impact of elevated CO2 concentrations and their associated side effects on microbial processes. The abundance of microbes did not show a typical decrease with depth, indicating that the uprising CO2-rich fluid provides sufficient substrate for chemolithoautotrophic anaerobic microorganisms. Illumine MiSeq sequencing of the 16S rRNA genes and multivariate statistics reveals that the pH strongly influences microbial composition and explains around 38.7% of the variance at the mofette site and 22.4% of the variance between the mofette site and the undisturbed reference site. Accordingly, acidophilic microorganisms (e.g., OTUs assigned to Acidobacteriaceae and Acidithiobacillus) displayed a much higher relative abundance at the mofette site than at the reference site. The microbial community at the mofette site is characterized by a high relative abundance of methanogens and taxa involved in sulfur cycling. The present study provides intriguing insights into microbial life and geo-bio interactions in an active seismic region dominated by emanating mantle-derived CO2-rich fluids, and thereby builds the basis for further studies, e.g., focusing on the functional repertoire of the communities. However, it remains open if the observed patterns can be generalized for different time-points or sites. KW - geo–bio interaction KW - elevated CO2 KW - concentration KW - paleo-sediment KW - deep biosphere KW - acidophilic microorganisms KW - Acidobacteriaceae KW - Acidithiobacillus KW - Acidothermus Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.02787 SN - 1664-302X VL - 9 PB - Frontiers Media CY - Lausanne ER - TY - GEN A1 - Wetzel, Maria A1 - Kempka, Thomas A1 - Kühn, Michael T1 - Quantifying rock weakening due to decreasing calcite mineral content by numerical simulations T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The quantification of changes in geomechanical properties due to chemical reactions is of paramount importance for geological subsurface utilisation, since mineral dissolution generally reduces rock stiffness. In the present study, the effective elastic moduli of two digital rock samples, the Fontainebleau and Bentheim sandstones, are numerically determined based on micro-CT images. Reduction in rock stiffness due to the dissolution of 10% calcite cement by volume out of the pore network is quantified for three synthetic spatial calcite distributions (coating, partial filling and random) using representative sub-cubes derived from the digital rock samples. Due to the reduced calcite content, bulk and shear moduli decrease by 34% and 38% in maximum, respectively. Total porosity is clearly the dominant parameter, while spatial calcite distribution has a minor impact, except for a randomly chosen cement distribution within the pore network. Moreover, applying an initial stiffness reduced by 47% for the calcite cement results only in a slightly weaker mechanical behaviour. Using the quantitative approach introduced here substantially improves the accuracy of predictions in elastic rock properties compared to general analytical methods, and further enables quantification of uncertainties related to spatial variations in porosity and mineral distribution. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1092 KW - digital rock physics KW - micro-CT KW - elastic properties KW - numerical simulation KW - chemical-mechanical interaction KW - Code_Aster KW - composite properties Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473089 SN - 1866-8372 IS - 1092 ER - TY - GEN A1 - Siddiqui, Tarique Adnan A1 - Maute, Astrid A1 - Pedatella, Nick A1 - Yamazaki, Yosuke A1 - Lühr, Hermann A1 - Stolle, Claudia T1 - On the variability of the semidiurnal solar and lunar tides of the equatorial electrojet during sudden stratospheric warmings T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The variabilities of the semidiurnal solar and lunar tides of the equatorial electrojet (EEJ) are investigated during the 2003, 2006, 2009 and 2013 major sudden stratospheric warming (SSW) events in this study. For this purpose, ground-magnetometer recordings at the equatorial observatories in Huancayo and Fúquene are utilized. Results show a major enhancement in the amplitude of the EEJ semidiurnal lunar tide in each of the four warming events. The EEJ semidiurnal solar tidal amplitude shows an amplification prior to the onset of warmings, a reduction during the deceleration of the zonal mean zonal wind at 60∘ N and 10 hPa, and a second enhancement a few days after the peak reversal of the zonal mean zonal wind during all four SSWs. Results also reveal that the amplitude of the EEJ semidiurnal lunar tide becomes comparable or even greater than the amplitude of the EEJ semidiurnal solar tide during all these warming events. The present study also compares the EEJ semidiurnal solar and lunar tidal changes with the variability of the migrating semidiurnal solar (SW2) and lunar (M2) tides in neutral temperature and zonal wind obtained from numerical simulations at E-region heights. A better agreement between the enhancements of the EEJ semidiurnal lunar tide and the M2 tide is found in comparison with the enhancements of the EEJ semidiurnal solar tide and the SW2 tide in both the neutral temperature and zonal wind at the E-region altitudes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1075 KW - middle atmosphere KW - latitude ionosphere KW - temperature changes KW - lower thermosphere KW - magnetic field KW - TIME-GCM KW - winds KW - circulation KW - events KW - winter Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468389 SN - 1866-8372 IS - 1075 SP - 1545 EP - 1562 ER - TY - GEN A1 - Olatunji, Akinade S. A1 - Kolawole, Tesleem O. A1 - Oloruntola, Moroof A1 - Günter, Christina T1 - Evaluation of pollution of soils and particulate matter around metal recycling factories in Southwestern Nigeria T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Background. Metal recycling factories (MRFs) have developed rapidly in Nigeria as recycling policies have been increasingly embraced. These MRFs are point sources for introducing potentially toxic elements (PTEs) into environmental media. Objectives. The aim of this study was to determine the constituents (elemental and mineralogy) of the wastes (slag and particulate matter, (PM)) and soils around the MRFs and to determine the level of pollution within the area. Methods. Sixty samples (30 slag samples, 15 soil samples and 15 PM samples) were collected for this study. The soils, slag and PM samples were analyzed for elemental constituents using inductively coupled plasma optical emission spectrometry. Mineralogy of the PM was determined using scanning electron microscope-energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS), and soil mineralogy was determined by an X-ray diffractometer (XRD). Results. The results of the soil analyses revealed the following concentrations for the selected metals in mg/kg include lead (Pb) (21.0-2399.0), zinc (Zn) (56.0-4188.0), copper (Cu) (10.0-1470.0), nickel (Ni) (6.0-215.0), chromium (Cr) (921.0-1737.0) and cadmium (Cd) (below detectable limit (Bdl)-18.1). For the slags the results were Pb (68.0-.333.0), Zn (1364.0-3062), Cu (119.0-1470.0), Ni (12.0-675.0), Cr (297-1737) and Cd (Bdl-15.8). The results in µg/g for the metal analysis in PM were Pb (4.6-160.0), Zn (18.0-471.0), Cu (2.5-11.0), Ni (0.8-4.2), and Cr (2.5-11.0), while Cd was undetected. The slags are currently utilized for filling the foundations of buildings and roads, providing additional pathways for the introduction of PTEs into the environment from the suspended materials generated from mechanical breakdown of the slags. Conclusions. The MRFs were found to have impacted the quality of environmental media through the introduction of PTEs, impairing soil quality, in addition to PM, which can have detrimental health consequences. Further studies on the health implications of these pollutants and their impacts on human health are needed. Competing Interests. The authors declare no competing financial interests T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1074 KW - potentially toxic elements KW - metal recycling plants KW - slags KW - pollution indices Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-471560 SN - 1866-8372 IS - 1074 SP - 20 EP - 30 ER - TY - JOUR A1 - Baes, Marzieh A1 - Sobolev, Stephan Vladimir A1 - Quinteros, Javier T1 - Subduction initiation in mid-ocean induced by mantle suction flow JF - Geophysical journal international N2 - Pre-existing weakness zones in the lithosphere such as transform faults/fracture zones and extinct mid-oceanic ridges have been suggested to facilitate subduction initiation in an intra-oceanic environment. Here, we propose that the additional forcing coming from the mantle suction flow is required to trigger the conversion of a fracture zone/transform fault into a converging plate boundary. This suction flow can be induced either from the slab remnants of former converging plate boundaries or/and from slabs of neighbouring active subduction zones. Using 2-D coupled thermo-mechanical models, we show that a sufficiently strong mantle flow is able to convert a fracture zone/transform fault into a subduction zone. However, this process is feasible only if the fracture zone/transform fault is very close to the mid-oceanic ridge. Our numerical model results indicate that time of subduction initiation depends on the velocity, domain size and location of mantle suction flow and age of the oceanic plate. KW - Numerical modelling KW - Subduction zone processes KW - oceanic transform and fracture zone processes Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1093/gji/ggy335 SN - 0956-540X SN - 1365-246X VL - 215 IS - 3 SP - 1515 EP - 1522 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Krüger, Frank A1 - Kulikova, Galina A1 - Landgraf, Angela T1 - Magnitudes for the historical 1885 (Belovodskoe), the 1887 (Verny) and the 1889 (Chilik) earthquakes in Central Asia determined from magnetogram recordings JF - Geophysical journal international N2 - Six large magnitude earthquakes in Central Asia which occurred at the end of the 19th century were recorded on early magnetographs in Great Britain. Scalar seismic moment estimates of the 1911 Chon-Kemin, the 1902 Atushi and the 1907 Karatag earthquakes in Central Asia were recently determined by historical seismogram modelling. For those events, we find agreement between moment magnitudes estimated from seismograms and from magnetograms. This supports the assumption of linear scaling of magnetogram amplitudes as function of M-0, which we then use to estimate the moment magnitudes for earlier large-magnitude events, that is, the 1885 Belovodskoe, 1887 Verny and 1889 Chilik earthquakes. The magnetometer data imply that the Chilik earthquake had M(W)7.9, slightly smaller than the Chon-Kemin event with M(W)8.0. The Verny earthquake, however, for which we estimate M(W)7.7, is likely larger than listed in catalogues (M7.3). Similarly, we find a larger magnitude M(W)7.6 (instead of the previous M6.9) for the Belovodskoe earthquake, but this remains uncertain due to measurement imprecision. KW - Earthquake source observations KW - Seismicity and tectonics KW - Intraplate processes Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1093/gji/ggy377 SN - 0956-540X SN - 1365-246X VL - 215 IS - 3 SP - 1824 EP - 1840 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Coesfeld, Jacqueline A1 - Anderson, Sharolyn J. A1 - Baugh, Kimberly A1 - Elvidge, Christopher D. A1 - Schernthanner, Harald A1 - Kyba, Christopher C. M. T1 - Variation of Individual Location Radiance in VIIRS DNB Monthly Composite Images JF - Remote sensing N2 - With the growing size and use of night light time series from the Visible Infrared Imaging Radiometer Suite Day/Night Band (DNB), it is important to understand the stability of the dataset. All satellites observe differences in pixel values during repeat observations. In the case of night light data, these changes can be due to both environmental effects and changes in light emission. Here we examine the stability of individual locations of particular large scale light sources (e.g., airports and prisons) in the monthly composites of DNB data from April 2012 to September 2017. The radiances for individual pixels of most large light emitters are approximately normally distributed, with a standard deviation of typically 15-20% of the mean. Greenhouses and flares, however, are not stable sources. We observe geospatial autocorrelation in the monthly variations for nearby sites, while the correlation for sites separated by large distances is small. This suggests that local factors contribute most to the variation in the pixel radiances and furthermore that averaging radiances over large areas will reduce the total variation. A better understanding of the causes of temporal variation would improve the sensitivity of DNB to lighting changes. KW - artificial light at night KW - light pollution KW - night lights KW - VIIRS DNB Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.3390/rs10121964 SN - 2072-4292 VL - 10 IS - 12 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - GEN A1 - Al-Halbouni, Djamil A1 - Holohan, Eoghan P. A1 - Taheri, Abbas A1 - Schöpfer, Martin P. J. A1 - Emam, Sacha A1 - Dahm, Torsten T1 - Geomechanical modelling of sinkhole development using distinct elements BT - model verification for a single void space and application to the Dead Sea area T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Mechanical and/or chemical removal of material from the subsurface may generate large subsurface cavities, the destabilisation of which can lead to ground collapse and the formation of sinkholes. Numerical simulation of the interaction of cavity growth, host material deformation and overburden collapse is desirable to better understand the sinkhole hazard but is a challenging task due to the involved high strains and material discontinuities. Here, we present 2-D distinct element method numerical simulations of cavity growth and sinkhole development. Firstly, we simulate cavity formation by quasi-static, stepwise removal of material in a single growing zone of an arbitrary geometry and depth. We benchmark this approach against analytical and boundary element method models of a deep void space in a linear elastic material. Secondly, we explore the effects of properties of different uniform materials on cavity stability and sinkhole development. We perform simulated biaxial tests to calibrate macroscopic geotechnical parameters of three model materials representative of those in which sinkholes develop at the Dead Sea shoreline: mud, alluvium and salt. We show that weak materials do not support large cavities, leading to gradual sagging or suffusion-style subsidence. Strong materials support quasi-stable to stable cavities, the overburdens of which may fail suddenly in a caprock or bedrock collapse style. Thirdly, we examine the consequences of layered arrangements of weak and strong materials. We find that these are more susceptible to sinkhole collapse than uniform materials not only due to a lower integrated strength of the overburden but also due to an inhibition of stabilising stress arching. Finally, we compare our model sinkhole geometries to observations at the Ghor Al-Haditha sinkhole site in Jordan. Sinkhole depth ∕ diameter ratios of 0.15 in mud, 0.37 in alluvium and 0.33 in salt are reproduced successfully in the calibrated model materials. The model results suggest that the observed distribution of sinkhole depth ∕ diameter values in each material type may partly reflect sinkhole growth trends. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1061 KW - rock mass KW - karst KW - dissolution KW - reflection KW - subsidence KW - subrosion KW - collapse KW - simulation KW - scale KW - fault Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468435 SN - 1866-8372 IS - 1061 ER - TY - GEN A1 - Schneider, Matthias A1 - Günter, Christina A1 - Taubert, Andreas T1 - Co-deposition of a hydrogel/calcium phosphate hybrid layer on 3D printed poly(lactic acid) scaffolds via dip coating BT - Towards automated biomaterials fabrication T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The article describes the surface modification of 3D printed poly(lactic acid) (PLA) scaffolds with calcium phosphate (CP)/gelatin and CP/chitosan hybrid coating layers. The presence of gelatin or chitosan significantly enhances CP co-deposition and adhesion of the mineral layer on the PLA scaffolds. The hydrogel/CP coating layers are fairly thick and the mineral is a mixture of brushite, octacalcium phosphate, and hydroxyapatite. Mineral formation is uniform throughout the printed architectures and all steps (printing, hydrogel deposition, and mineralization) are in principle amenable to automatization. Overall, the process reported here therefore has a high application potential for the controlled synthesis of biomimetic coatings on polymeric biomaterials. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1057 KW - 3D printing KW - dip-coating KW - poly(lactic acid) KW - PLA KW - calcium phosphate KW - gelatin KW - chitosan KW - hydrogel KW - calcium phosphate hybrid material KW - biomaterials Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474427 SN - 1866-8372 IS - 1057 ER - TY - GEN A1 - Epp, Laura Saskia A1 - Kruse, Stefan A1 - Kath, Nadja J. A1 - Stoof-Leichsenring, Kathleen Rosemarie A1 - Tiedemann, Ralph A1 - Pestryakova, Luidmila Agafyevna A1 - Herzschuh, Ulrike T1 - Temporal and spatial patterns of mitochondrial haplotype and species distributions in Siberian larches inferred from ancient environmental DNA and modeling T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Changes in species' distributions are classically projected based on their climate envelopes. For Siberian forests, which have a tremendous significance for vegetation-climate feedbacks, this implies future shifts of each of the forest-forming larch (Larix) species to the north-east. However, in addition to abiotic factors, reliable projections must assess the role of historical biogeography and biotic interactions. Here, we use sedimentary ancient DNA and individual-based modelling to investigate the distribution of larch species and mitochondrial haplotypes through space and time across the treeline ecotone on the southern Taymyr peninsula, which at the same time presents a boundary area of two larch species. We find spatial and temporal patterns, which suggest that forest density is the most influential driver determining the precise distribution of species and mitochondrial haplotypes. This suggests a strong influence of competition on the species' range shifts. These findings imply possible climate change outcomes that are directly opposed to projections based purely on climate envelopes. Investigations of such fine-scale processes of biodiversity change through time are possible using paleoenvironmental DNA, which is available much more readily than visible fossils and can provide information at a level of resolution that is not reached in classical palaeoecology. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1052 KW - ecological genetics KW - ecological modelling KW - palaeoecology KW - plant ecology KW - climate change KW - introgression KW - temperature KW - treeline KW - vegetation KW - mitochondrial haplotypes KW - Siberian larch KW - larch species KW - range shifts KW - vegetation-climate feedbacks KW - ecosystems KW - impacts KW - dynamics Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468352 SN - 1866-8372 IS - 1052 ER - TY - GEN A1 - Jobe, Jessica Ann Thompson A1 - Li, Tao A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Chen, Jie A1 - Burbank, Douglas W. T1 - Dating growth strata and basin fill by combining 26Al/10Be burial dating and magnetostratigraphy BT - constraining active deformation in the Pamir–Tian Shan convergence zone, NW China T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Cosmogenic burial dating enables dating of coarse-grained, Pliocene-Pleistocene sedimentary units that are typically difficult to date with traditional methods, such as magnetostratigraphy. In the actively deforming western Tarim Basin in NW China, Pliocene-Pleistocene conglomerates were dated at eight sites, integrating Al-26/Be-10 burial dating with previously published magnetostratigraphic sections. These samples were collected from growth strata on the flanks of growing folds and from sedimentary units beneath active faults to place timing constraints on the initiation of deformation of structures within the basin and on shortening rates on active faults. These new basin-fill and growthstrata ages document the late Neogene and Quaternary growth of the Pamir and Tian Shan orogens between >5 and 1 Ma and delineate the eastward propagation of deformation at rates up to 115 km/m.y. and basinward growth of both mountain belts at rates up to 12 km/m.y. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1044 KW - thrust belts KW - Tarim Basin KW - cosmogenic AL-26 KW - production rates KW - foreland basin KW - erosion rates KW - deep crust KW - half-life KW - NE Pamir KW - evolution Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-468067 SN - 1866-8372 IS - 1044 SP - 806 EP - 828 ER - TY - GEN A1 - Lara, Mark J. A1 - Nitze, Ingmar A1 - Große, Guido A1 - McGuire, David T1 - Tundra landform and vegetation productivity trend maps for the Arctic Coastal Plain of northern Alaska T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Arctic tundra landscapes are composed of a complex mosaic of patterned ground features, varying in soil moisture, vegetation composition, and surface hydrology over small spatial scales (10-100 m). The importance of microtopography and associated geomorphic landforms in influencing ecosystem structure and function is well founded, however, spatial data products describing local to regional scale distribution of patterned ground or polygonal tundra geomorphology are largely unavailable. Thus, our understanding of local impacts on regional scale processes (e.g., carbon dynamics) may be limited. We produced two key spatiotemporal datasets spanning the Arctic Coastal Plain of northern Alaska (similar to 60,000 km(2)) to evaluate climate-geomorphological controls on arctic tundra productivity change, using (1) a novel 30m classification of polygonal tundra geomorphology and (2) decadal-trends in surface greenness using the Landsat archive (1999-2014). These datasets can be easily integrated and adapted in an array of local to regional applications such as (1) upscaling plot-level measurements (e.g., carbon/energy fluxes), (2) mapping of soils, vegetation, or permafrost, and/or (3) initializing ecosystem biogeochemistry, hydrology, and/or habitat modeling. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1035 KW - spatial-distribution KW - lake basins KW - microtopography KW - water KW - ice KW - accumulation KW - degradation KW - permafrost KW - dynamics KW - barrow Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459875 SN - 1866-8372 IS - 1035 ER - TY - JOUR A1 - Wojcik, Robin A1 - Donhauser, Johanna A1 - Frey, Beat W. A1 - Holm, Stine A1 - Holland, Alexandra A1 - Anesio, Alexandre M. A1 - Pearce, David A. A1 - Malard, Lucie A1 - Wagner, Dirk A1 - Benning, Liane G. T1 - Linkages between geochemistry and microbiology in a proglacial terrain in the High Arctic JF - Annals of glaciology N2 - Proglacial environments are ideal for studying the development of soils through the changes of rocks exposed by glacier retreat to weathering and microbial processes. Carbon (C) and nitrogen (N) contents as well as soil pH and soil elemental compositions are thought to be dominant factors structuring the bacterial, archaeal and fungal communities in the early stages of soil ecosystem formation. However, the functional linkages between C and N contents, soil composition and microbial community structures remain poorly understood. Here, we describe a multivariate analysis of geochemical properties and associated microbial community structures between a moraine and a glaciofluvial outwash in the proglacial area of a High Arctic glacier (Longyearbreen, Svalbard). Our results reveal distinct differences in developmental stages and heterogeneity between the moraine and the glaciofluvial outwash. We observed significant relationships between C and N contents, delta C-13(org) and delta N-15 isotopic ratios, weathering and microbial abundance and community structures. We suggest that the observed differences in microbial and geochemical parameters between the moraine and the glaciofluvial outwash are primarily a result of geomorphological variations of the proglacial terrain. KW - biogeochemistry KW - glacial geomorphology KW - glacier chemistry KW - microbiology KW - processes and landforms of glacial erosion Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1017/aog.2019.1 SN - 0260-3055 SN - 1727-5644 VL - 59 IS - 77 SP - 95 EP - 110 PB - Cambridge Univ. Press CY - Cambridge ER - TY - JOUR A1 - Heinrich, Ingo A1 - Balanzategui, Daniel A1 - Bens, Oliver A1 - Blasch, Gerald A1 - Blume, Theresa A1 - Boettcher, Falk A1 - Borg, Erik A1 - Brademann, Brian A1 - Brauer, Achim A1 - Conrad, Christopher A1 - Dietze, Elisabeth A1 - Dräger, Nadine A1 - Fiener, Peter A1 - Gerke, Horst H. A1 - Güntner, Andreas A1 - Heine, Iris A1 - Helle, Gerhard A1 - Herbrich, Marcus A1 - Harfenmeister, Katharina A1 - Heussner, Karl-Uwe A1 - Hohmann, Christian A1 - Itzerott, Sibylle A1 - Jurasinski, Gerald A1 - Kaiser, Knut A1 - Kappler, Christoph A1 - Koebsch, Franziska A1 - Liebner, Susanne A1 - Lischeid, Gunnar A1 - Merz, Bruno A1 - Missling, Klaus Dieter A1 - Morgner, Markus A1 - Pinkerneil, Sylvia A1 - Plessen, Birgit A1 - Raab, Thomas A1 - Ruhtz, Thomas A1 - Sachs, Torsten A1 - Sommer, Michael A1 - Spengler, Daniel A1 - Stender, Vivien A1 - Stüve, Peter A1 - Wilken, Florian T1 - Interdisciplinary Geo-ecological Research across Time Scales in the Northeast German Lowland Observatory (TERENO-NE) JF - Vadose zone journal N2 - The Northeast German Lowland Observatory (TERENO-NE) was established to investigate the regional impact of climate and land use change. TERENO-NE focuses on the Northeast German lowlands, for which a high vulnerability has been determined due to increasing temperatures and decreasing amounts of precipitation projected for the coming decades. To facilitate in-depth evaluations of the effects of climate and land use changes and to separate the effects of natural and anthropogenic drivers in the region, six sites were chosen for comprehensive monitoring. In addition, at selected sites, geoarchives were used to substantially extend the instrumental records back in time. It is this combination of diverse disciplines working across different time scales that makes the observatory TERENO-NE a unique observation platform. We provide information about the general characteristics of the observatory and its six monitoring sites and present examples of interdisciplinary research activities at some of these sites. We also illustrate how monitoring improves process understanding, how remote sensing techniques are fine-tuned by the most comprehensive ground-truthing site DEMMIN, how soil erosion dynamics have evolved, how greenhouse gas monitoring of rewetted peatlands can reveal unexpected mechanisms, and how proxy data provides a long-term perspective of current ongoing changes. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.2136/vzj2018.06.0116 SN - 1539-1663 VL - 17 IS - 1 PB - Soil Science Society of America CY - Madison ER - TY - GEN A1 - Walther, Sophia A1 - Guanter, Luis A1 - Heim, Birgit A1 - Jung, Martin A1 - Duveiller, Gregory A1 - Wolanin, Aleksandra A1 - Sachs, Torsten T1 - Assessing the dynamics of vegetation productivity in circumpolar regions with different satellite indicators of greenness and photosynthesis T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - High-latitude treeless ecosystems represent spatially highly heterogeneous landscapes with small net carbon fluxes and a short growing season. Reliable observations and process understanding are critical for projections of the carbon balance of the climate-sensitive tundra. Space-borne remote sensing is the only tool to obtain spatially continuous and temporally resolved information on vegetation greenness and activity in remote circumpolar areas. However, confounding effects from persistent clouds, low sun elevation angles, numerous lakes, widespread surface inundation, and the sparseness of the vegetation render it highly challenging. Here, we conduct an extensive analysis of the timing of peak vegetation productivity as shown by satellite observations of complementary indicators of plant greenness and photosynthesis. We choose to focus on productivity during the peak of the growing season, as it importantly affects the total annual carbon uptake. The suite of indicators are as follows: (1) MODIS-based vegetation indices (VIs) as proxies for the fraction of incident photosynthetically active radiation (PAR) that is absorbed (fPAR), (2) VIs combined with estimates of PAR as a proxy of the total absorbed radiation (APAR), (3) sun-induced chlorophyll fluorescence (SIF) serving as a proxy for photosynthesis, (4) vegetation optical depth (VOD), indicative of total water content and (5) empirically upscaled modelled gross primary productivity (GPP). Averaged over the pan-Arctic we find a clear order of the annual peak as APAR ≦ GPP 2–10 m) compacted salt layer formerly suggested to lie at ca. 35–40 m depth. Instead, seismic reflection amplitudes and velocities image with good continuity a complex interlocking of alluvial fan deposits and lacustrine sediments of the Dead Sea between 0 and 200 m depth. Furthermore, the underground section of areas affected by sinkholes is characterized by highly scattering wave fields and reduced seismic interval velocities. We propose that the Dead Sea mud layers, which comprise distributed inclusions or lenses of evaporitic chloride, sulfate, and carbonate minerals as well as clay silicates, become increasingly exposed to unsaturated water as the sea level declines and are consequently destabilized and mobilized by both dissolution and physical erosion in the subsurface. This new interpretation of the underlying cause of sinkhole development is supported by surface observations in nearby channel systems. Overall, this study shows that shear wave seismic reflection technique is a promising method for enhanced near-surface imaging in such challenging alluvial fan settings. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 979 KW - salt dissolution KW - hazard KW - coast KW - area KW - subsidence KW - shoreline KW - karst KW - lake Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-459134 SN - 1866-8372 IS - 979 SP - 1079 EP - 1098 ER - TY - JOUR A1 - Ferrero, Silvio A1 - Borghini, Alessia A1 - Wunder, Bernd A1 - Walle, Markus A1 - Günter, Christina A1 - Ziemann, Martin Andreas T1 - A treasure chest full of nanogranitoids BT - an archive to investigate crustal melting in the Bohemian Massif JF - Metamorphic Geology: Microscale to Mountain Belts N2 - The central European Bohemian Massif has undergone over two centuries of scientific investigation which has made it a pivotal area for the development and testing of modern geological theories. The discovery of melt inclusions in high-grade rocks, either crystallized as nanogranitoids or as glassy inclusions, prompted the re-evaluation of the area with an ‘inclusionist’ eye. Melt inclusions have been identified in a wide range of rocks, including felsic/perpotassic granulites, migmatites, eclogites and garnet clinopyroxenites, all the result of melting events albeit over a wide range of pressure/temperature conditions (800–1000°C/0.5–5 GPa). This contribution provides an overview of such inclusions and discusses the qualitative and quantitative constraints they provide for melting processes, and the nature of melts and fluids involved in these processes. In particular, data on trace-element signatures of melt inclusions trapped at mantle depths are presented and discussed. Moreover, experimental re-homogenization of nanogranitoids provided microstructural criteria allowing assessment of the conditions at which melt and host are mutually stable during melting. Overall this work aims to provide guidelines and suggestions for petrologists wishing to explore the fascinating field of melt inclusions in metamorphic terranes worldwide, based on the newest discoveries from the still-enigmatic Bohemian Massif. Y1 - 2018 SN - 978-1-78620-400-4 U6 - https://doi.org/10.1144/SP478.19 SN - 0305-8719 VL - 478 SP - 13 EP - 38 PB - Geological Soc Publishing House CY - Bath ER - TY - JOUR A1 - Borghini, Alessia A1 - Ferrero, Silvio A1 - Wunder, Bernd A1 - Laurent, Oscar A1 - Ziemann, Martin Andreas T1 - Granitoid melt inclusions in orogenic peridotite and the origin of garnet clinopyroxenite JF - Geology N2 - Granitic melt inclusions were found in layers of garnet clinopyroxenites from orogenic peridotites hosted in high-pressure felsic granulites of the Granulitgebirge, central Europe. The inclusions are both glassy and crystallized, and occur as clusters in the garnet. Microstructural features suggest that the inclusions formed while garnet was growing as a peritectic phase, likely alongside clinopyroxene. The chemistry of the melt, in particular its trace element signature, shows a crustal contribution, probably due to the involvement of phengite in the melt-producing reaction, most likely in the presence of a fluid. The presence of a granitoid melt in mantle rocks may be the result of localized melting of a phengite-bearing protolith either already present in the peridotites or, more likely, within the local deeply subducted crustal units. In the latter case, the melt would have infiltrated the peridotites and generated pyroxenite via metasomatism. In either case, the presence of granitoid inclusions in orogenic peridotite provides direct evidence for a genetic connection between a high-pressure crustal melt and garnet pyroxenites. The in situ characterization of these remnants of natural melt provides direct quantitative constraints on (one of) the agents responsible for the interaction between crust and mantle. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1130/G45316.1 SN - 0091-7613 SN - 1943-2682 VL - 46 IS - 11 SP - 1007 EP - 1010 PB - American Institute of Physics CY - Boulder ER - TY - THES A1 - Reger, Carolin T1 - Dating of alluvial fans from NW Argentina using cosmogenic nuclides and optically stimulated luminescence technique N2 - Alluvial fans are important geomorphic markers and sedimentary archives of tectonic and climatic changes. Hence, basins providing perfect studying conditions can often be found in arid regions due to the low weathering impact and thus well preservation of sedimentary features. Twelve samples for optically/infrared stimulated luminescence (OSL/IRSL) dating and one depth profile for cosmogenic radionuclide dating (10Be) were collected in the Santa Maria Valley in NW Argentina, where the exceptional preservation of several generations of alluvial fans allow exploring the external forcing conditions that led to repeated cycles of incision and aggradation. The results of the OSL/IRSL dating yielded ages ranging between 0.4 ± 0.1 ka and 271.8 ± 24.5 ka. Previous studies next to the study area indicate a depositional age of 1.5-2 Mio years for the oldest generation of alluvial fans, which might still be supported by our ongoing 10Be dating. Due to field observations, sediment provenance, stratigraphic characteristics and the geomorphic pattern of erosion, seven (/eight) generations of alluvial fan deposits were recognized. Comparing my ages with global glaciation cycles as well as linking them to temperature proxies retrieved from a lake on the Altiplano Plateau, a good fit between alluvial fan accumulation phases and global glacial periods (corresponding to cold/wet phases within the central Andes) is observed. This suggests that aggradation occurs during the early stages of glacial periods, while incision is expected at the end of glacial phases. This pattern might be linked to variations in the vegetational cover (controlled by water availability), which will decrease/increase during hot and dry/cold and wet interglacial/glacial phases favoring/limiting sediment production and will increase/decrease during cold and wet/hot and dry glacial/interglacial phases. Even though the eastern Andean margin is showing neotectonic activities and is assumed to be active up to recent times, deformation and seismicity might most probably have played only a minor role in relation to the rather short timescale reflected by the data. N2 - Schwemmfächer stellen wichtige geomorphologische Erkennungszeichen und gute sedimentologische Archive von tektonischen wie auch klimatischen Veränderungen dar. Aus diesem Grund sind Becken mit ausgezeichneten Forschungsbedingungen oft in ariden Gebieten vorzufinden, da die Schwemmfächer auf Grund der geringen Verwitterung in diesen Gebieten meist gut erhalten sind. Im Santa Maria Tal in NW Argentinien wurden zwölf Proben zur Datierung mit Optisch/Infrarot Stimulierter Lumineszenz (OSL/IRSL) genommen sowie ein Tiefenprofil zur Datierung des kosmogenen Radionuklids 10Be erstellt. Die gute Erhaltung mehrerer Generationen von Schwemmfächern in diesem Gebiet gestattet die Untersuchung externer Bedingungen, welche zu wiederholten Zyklen von Akkumulation und Einschneidung der alluvialen Ablagerungen führten. Die Ergebnisse der OSL/IRSL Datierung lieferten Alter zwischen 0.4 ± 0.1 ka und 271.8 ± 24.5 ka. Frühere Veröffentlichungen zu angrenzenden Forschungsgebieten ließen auf ein maximales Alter der ältesten Schwemmfächer-Generation von 1.5-2 Millionen Jahren schließen, was in Zukunft noch durch die laufenden 10Be-Datierungen belegt werden könnte. Sieben (/acht) Generationen von Schwemmfächern konnten, gestützt durch die Altersdatierungen sowie Geländebeobachtungen zu Herkunft der Sedimente, stratigraphische Eigenschaften und Beobachtungen zum geomorphologischen Erosionsmuster des jeweiligen Schwemmfächers, unterschieden werden. Bei dem Vergleich meiner Daten mit globalen glazialen Zyklen sowie einem Temperatur-Proxy aus einem Seebohrkern auf dem Altiplano-Plateau, überschnitten sich die Ablagerungsphasen der Schwemmfächer im Santa Maria Becken mit globalen Kaltzeiten und kalten/feuchten Zyklen innerhalb der Anden. Es besteht die Annahme, dass Ablagerung während dem Übergang von Warm- zu Kaltzeiten bis hin zu glazialen Maxima auftritt, während Phasen der Einschneidung gegen Ende globaler Kaltzeiten zu erwarten sind. Dieses Muster dürfte durch die Varianz an Vegetationsbedeckung, bedingt durch die klimatischen Schwankungen, zu erklären sein, welche wahrscheinlich bei erhöhter Dichte (Kaltzeiten) als Sedimentbarriere an der Grenze der Sediment-Ursprungsregion dient. Trotz der in der Vergangenheit auftretenden, neotektonischen Aktivitäten am östlichen Rand der Anden und der Annahme anhaltender tektonischer Aktivität wird Deformation und seismischen Aktivitäten auf Grund der kurzen Zeitspanne, welche von den Daten umfasst wird, nur eine Nebenrolle im Entstehungsprozess der Schwemmfächer zugeschrieben. T2 - Datierung von Schwemmfächern in NW Argentinien mit Hilfe von kosmogenen Nukliden und Optisch Stimulierter Lumineszenz Technologie KW - fan KW - alluvial KW - argentina KW - OSL KW - cosmogenic KW - nuclides KW - Schwemmfächer KW - Argentinien KW - kosmogen KW - Nuklide KW - Lumineszenz Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-471470 ER - TY - JOUR A1 - Knudsen, Erlend Moster A1 - Heinold, Bernd A1 - Dahlke, Sandro A1 - Bozem, Heiko A1 - Crewell, Susanne A1 - Gorodetskaya, Irina V. A1 - Heygster, Georg A1 - Kunkel, Daniel A1 - Maturilli, Marion A1 - Mech, Mario A1 - Viceto, Carolina A1 - Rinke, Annette A1 - Schmithusen, Holger A1 - Ehrlich, Andre A1 - Macke, Andreas A1 - Lüpkes, Christof A1 - Wendisch, Manfred T1 - Meteorological conditions during the ACLOUD/PASCAL field campaign near Svalbard in early summer 2017 JF - Atmospheric chemistry and physics N2 - The two concerted field campaigns, Arctic CLoud Observations Using airborne measurements during polar Day (ACLOUD) and the Physical feedbacks of Arctic planetary boundary level Sea ice, Cloud and AerosoL (PASCAL), took place near Svalbard from 23 May to 26 June 2017. They were focused on studying Arctic mixed-phase clouds and involved observations from two airplanes (ACLOUD), an icebreaker (PASCAL) and a tethered balloon, as well as ground-based stations. Here, we present the synoptic development during the 35-day period of the campaigns, using near-surface and upper-air meteorological observations, as well as operational satellite, analysis, and reanalysis data. Over the campaign period, short-term synoptic variability was substantial, dominating over the seasonal cycle. During the first campaign week, cold and dry Arctic air from the north persisted, with a distinct but seasonally unusual cold air outbreak. Cloudy conditions with mostly low-level clouds prevailed. The subsequent 2 weeks were characterized by warm and moist maritime air from the south and east, which included two events of warm air advection. These synoptical disturbances caused lower cloud cover fractions and higher-reaching cloud systems. In the final 2 weeks, adiabatically warmed air from the west dominated, with cloud properties strongly varying within the range of the two other periods. Results presented here provide synoptic information needed to analyze and interpret data of upcoming studies from ACLOUD/PASCAL, while also offering unprecedented measurements in a sparsely observed region. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.5194/acp-18-17995-2018 SN - 1680-7316 SN - 1680-7324 VL - 18 IS - 24 SP - 17995 EP - 18022 PB - Copernicus CY - Göttingen ER - TY - THES A1 - Brune, Sascha T1 - Modelling continental rift dynamics T1 - Modellierung kontinentaler Riftdynamik N2 - Continental rift systems open up unique possibilities to study the geodynamic system of our planet: geodynamic localization processes are imprinted in the morphology of the rift by governing the time-dependent activity of faults, the topographic evolution of the rift or by controlling whether a rift is symmetric or asymmetric. Since lithospheric necking localizes strain towards the rift centre, deformation structures of previous rift phases are often well preserved and passive margins, the end product of continental rifting, retain key information about the tectonic history from rift inception to continental rupture. Current understanding of continental rift evolution is based on combining observations from active rifts with data collected at rifted margins. Connecting these isolated data sets is often accomplished in a conceptual way and leaves room for subjective interpretation. Geodynamic forward models, however, have the potential to link individual data sets in a quantitative manner, using additional constraints from rock mechanics and rheology, which allows to transcend previous conceptual models of rift evolution. By quantifying geodynamic processes within continental rifts, numerical modelling allows key insight to tectonic processes that operate also in other plate boundary settings, such as mid ocean ridges, collisional mountain chains or subduction zones. In this thesis, I combine numerical, plate-tectonic, analytical, and analogue modelling approaches, whereas numerical thermomechanical modelling constitutes the primary tool. This method advanced rapidly during the last two decades owing to dedicated software development and the availability of massively parallel computer facilities. Nevertheless, only recently the geodynamical modelling community was able to capture 3D lithospheric-scale rift dynamics from onset of extension to final continental rupture. The first chapter of this thesis provides a broad introduction to continental rifting, a summary of the applied rift modelling methods and a short overview of previews studies. The following chapters, which constitute the main part of this thesis feature studies on plate boundary dynamics in two and three dimension followed by global scale analyses (Fig. 1). Chapter II focuses on 2D geodynamic modelling of rifted margin formation. It highlights the formation of wide areas of hyperextended crustal slivers via rift migration as a key process that affected many rifted margins worldwide. This chapter also contains a study of rift velocity evolution, showing that rift strength loss and extension velocity are linked through a dynamic feed-back. This process results in abrupt accelerations of the involved plates during rifting illustrating for the first time that rift dynamics plays a role in changing global-scale plate motions. Since rift velocity affects key processes like faulting, melting and lower crustal flow, this study also implies that the slow-fast velocity evolution should be imprinted in rifted margin structures. Chapter III relies on 3D Cartesian rift models in order to investigate various aspects of rift obliquity. Oblique rifting occurs if the extension direction is not orthogonal to the rift trend. Using 3D lithospheric-scale models from rift initialisation to breakup I could isolate a characteristic evolution of dominant fault orientations. Further work in Chapter III addresses the impact of rift obliquity on the strength of the rift system. We illustrate that oblique rifting is mechanically preferred over orthogonal rifting, because the brittle yielding requires a lower tectonic force. This mechanism elucidates rift competition during South Atlantic rifting, where the more oblique Equatorial Atlantic Rift proceeded to breakup while the simultaneously active but less oblique West African rift system became a failed rift. Finally this Chapter also investigates the impact of a previous rift phase on current tectonic activity in the linkage area of the Kenyan with Ethiopian rift. We show that the along strike changes in rift style are not caused by changes in crustal rheology. Instead the rift linkage pattern in this area can be explained when accounting for the thinned crust and lithosphere of a Mesozoic rift event. Chapter IV investigates rifting from the global perspective. A first study extends the oblique rift topic of the previous chapter to global scale by investigating the frequency of oblique rifting during the last 230 million years. We find that approximately 70% of all ocean-forming rift segments involved an oblique component of extension where obliquities exceed 20°. This highlights the relevance of 3D approaches in modelling, surveying, and interpretation of many rifted margins. In a final study, we propose a link between continental rift activity, diffuse CO2 degassing and Mesozoic/Cenozoic climate changes. We used recent CO2 flux measurements in continental rifts to estimate worldwide rift-related CO2 release, which we based on the global extent of rifts through time. The first-order correlation to paleo-atmospheric CO2 proxy data suggests that rifts constitute a major element of the global carbon cycle. N2 - Kontinentale Grabensysteme eröffnen einzigartige Einsichten in das geodynamische System unseres Planeten: Geodynamische Lokalisierungs-prozesse prägen die Morphologie von Riftsystemen, indem sie die zeitabhängige Aktivität von Störungen, die topographische Entwicklung des Rifts oder dessen Symmetrieentwicklung kontrollieren. Da die Verformung oft in Richtung des Riftzentrums lokalisiert, sind die Deformationsstrukturen früherer Riftphasen meist gut erhalten und passive Ränder, die Endprodukte kontinentalen Riftings, beinhalten wichtige Informationen über die tektonische Geschichte vom Riftbeginn bis zum kontinentalen Zerbrechen. Unser gegenwärtiges Verständnis der Riftentwicklung basiert auf der Kombination von Beobachtungen in aktiven Rifts mit Informationen, die an passiven Kontinental-rändern gesammelt wurden. Die Einbindung dieser isolierten Datensätze erfolgt oft konzeptionell und lässt Raum für subjektive Interpretationen. Geodynamische Vorwärtsmodelle haben jedoch das Potenzial, einzelne Datensätze quantitativ zu verknüpfen, wobei zusätzliche Informationen aus der Gesteinsmechanik und Rheologie verwendet werden, die es ermöglichen, frühere konzeptionelle Riftmodelle weiter zu entwickeln. In dieser Arbeit kombiniere ich numerische, plattentektonische, analytische und analoge Modellierungsansätze, wobei die numerische thermomechanische Modellierung das primäre Werkzeug darstellt. Diese Methode hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten aufgrund dedizierter Softwareentwicklung und der Verfügbarkeit von massiv parallelisierten Supercomputern sehr schnell entwickelt. Dennoch gelang es der geodynamischen Modellierungsgemeinschaft erst vor kurzem, die dreidimensionale lithosphärenskalige Riftentwicklung vom Beginn der Dehnung bis zum endgültigen Zerbrechen eines Kontinents zu erfassen. Meine Habilitationsschrift beinhaltet eine Einführung in kontinentale Rifttektonik, eine Zusammenfassung der angewendeten Modellierungsmethoden und einen kurzen Überblick über Vorstudien. In dem Hauptteil dieser Arbeit werden Untersuchungen auf Plattenrandskala in zwei und drei Dimensionen durchgeführt, gefolgt von globalen Analysen der Riftentwicklung. Dabei beschreibe ich die Bildung extrem ausgedehnter kontinentaler Kruste, die an vielen gerifteten Kontinentalrändern beobachtet wurde, die Rückkopplung zwischen Riftdynamik und Plattenbewegungen, der Wirkung von Riftschrägheit und tektonischer Vererbung auf die Riftarchitektur sowie den Einfluss von Riftsystemen auf CO2-Entgasung in Bezug auf die paläoklimatische Entwicklung der Erde seit dem Zerbrechen Pangäas. KW - rifting KW - modelling KW - plate tectonics KW - geodynamics KW - Grabenbruch KW - Modellierung KW - Plattentektonik KW - Geodynamik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432364 ER - TY - THES A1 - Engelhardt, Jonathan T1 - 40Ar/39Ar geochronology of ICDP PALEOVAN drilling cores T1 - 40Ar/39Ar Geochronologie der ICDP PALEOVAN Bohrkerne N2 - The scientific drilling campaign PALEOVAN was conducted in the summer of 2010 and was part of the international continental drilling programme (ICDP). The main goal of the campaign was the recovery of a sensitive climate archive in the East of Anatolia. Lacustrine deposits underneath the lake floor of ‘Lake Van’ constitute this archive. The drilled core material was recovered from two locations: the Ahlat Ridge and the Northern Basin. A composite core was constructed from cored material of seven parallel boreholes at the Ahlat Ridge and covers an almost complete lacustrine history of Lake Van. The composite record offered sensitive climate proxies such as variations of total organic carbon, K/Ca ratios, or a relative abundance of arboreal pollen. These proxies revealed patterns that are similar to climate proxy variations from Greenland ice cores. Climate variations in Greenland ice cores have been dated by modelling the timing of orbital forces to affect the climate. Volatiles from melted ice aliquots are often taken as high-resolution proxies and provide a base for fitting the according temporal models. The ICDP PALEOVAN scientific team fitted proxy data from the lacustrine drilling record to ice core data and constructed an age model. Embedded volcaniclastic layers had to be dated radiometrically in order to provide independent age constraints to the climate-stratigraphic age model. Solving this task by an application of the 40Ar/39Ar method was the main objective of this thesis. Earlier efforts to apply the 40Ar/39Ar dating resulted in inaccuracies that could not be explained satisfactorily. The absence of K-rich feldspars in suitable tephra layers implied that feldspar crystals needed to be 500 μm in size minimum, in order to apply single-crystal 40Ar/39Ar dating. Some of the samples did not contain any of these grain sizes or only very few crystals of that size. In order to overcome this problem this study applied a combined single-crystal and multi-crystal approach with different crystal fractions from the same sample. The preferred method of a stepwise heating analysis of an aliquot of feldspar crystals has been applied to three samples. The Na-rich crystals and their young geological age required 20 mg of inclusion-free, non-corroded feldspars. Small sample volumes (usually 25 % aliquots of 5 cm3 of sample material – a spoon full of tephra) and the widespread presence of melt-inclusion led to the application of combined single- and multigrain total fusion analyses. 40Ar/39Ar analyses on single crystals have the advantage of being able to monitor the presence of excess 40Ar and detrital or xenocrystic contamination in the samples. Multigrain analyses may hide the effects from these obstacles. The results from the multigrain analyses are therefore discussed with respect to the findings from the respective cogenetic single crystal ages. Some of the samples in this study were dated by 40Ar/39Ar on feldspars on multigrain separates and (if available) in combination with only a few single crystals. 40Ar/39Ar ages from two of the samples deviated statistically from the age model. All other samples resulted in identical ages. The deviations displayed older ages than those obtained from the age model. t-Tests compared radiometric ages with available age control points from various proxies and from the relative paleointensity of the earth magnetic field within a stratigraphic range of ± 10 m. Concordant age control points from different relative chronometers indicated that deviations are a result of erroneous 40Ar/39Ar ages. The thesis argues two potential reasons for these ages: (1) the irregular appearance of 40Ar from rare melt- and fluid- inclusions and (2) the contamination of the samples with older crystals due to a rapid combination of assimilation and ejection. Another aliquot of feldspar crystals that underwent separation for the application of 40Ar/39Ar dating was investigated for geochemical inhomogeneities. Magmatic zoning is ubiquitous in the volcaniclastic feldspar crystals. Four different types of magmatic zoning were detected. The zoning types are compositional zoning (C-type zoning), pseudo-oscillatory zoning of trace ele- ment concentrations (PO-type zoning), chaotic and patchy zoning of major and trace element concentrations (R-type zoning) and concentric zoning of trace elements (CC-type zoning). Sam- ples that deviated in 40Ar/39Ar ages showed C-type zoning, R-type zoning or a mix of different types of zoning (C-type and PO-type). Feldspars showing PO-type zoning typically represent the smallest grain size fractions in the samples. The constant major element compositions of these crystals are interpreted to represent the latest stages in the compositional evolution of feldspars in a peralkaline melt. PO-type crystals contain less melt- inclusions than other zoning types and are rarely corroded. This thesis concludes that feldspars that show PO-type zoning are most promising chronometers for the 40Ar/39Ar method, if samples provide mixed zoning types of Quaternary anorthoclase feldspars. Five samples were dated by applying the 40Ar/39Ar method to volcanic glass. High fractions of atmospheric Ar (typically > 98%) significantly hampered the precision of the 40Ar/39Ar ages and resulted in rough age estimates that widely overlap the age model. Ar isotopes indicated that the glasses bore a chorine-rich Ar-end member. The chlorine-derived 38Ar indicated chlorine-rich fluid-inclusions or the hydration of the volcanic glass shards. This indication strengthened the evidence that irregularly distributed melt-inclusions and thus irregular distributed excess 40Ar influenced the problematic feldspar 40Ar/39Ar ages. Whether a connection between a corrected initial 40Ar/36Ar ratio from glasses to the 40Ar/36Ar ratios from pore waters exists remains unclear. This thesis offers another age model, which is similarly based on the interpolation of the temporal tie points from geophysical and climate-stratigraphic data. The model used a PCHIP- interpolation (piecewise cubic hermite interpolating polynomial) whereas the older age model used a spline-interpolation. Samples that match in ages from 40Ar/39Ar dating of feldspars with the earlier published age model were additionally assigned with an age from the PCHIP- interpolation. These modelled ages allowed a recalculation of the Alder Creek sanidine mineral standard. The climate-stratigraphic calibration of an 40Ar/39Ar mineral standard proved that the age versus depth interpolations from PAELOVAN drilling cores were accurate, and that the applied chronometers recorded the temporal evolution of Lake Van synchronously. Petrochemical discrimination of the sampled volcaniclastic material is also given in this thesis. 41 from 57 sampled volcaniclastic layers indicate Nemrut as their provenance. Criteria that served for the provenance assignment are provided and reviewed critically. Detailed correlations of selected PALEOVAN volcaniclastics to onshore samples that were described in detail by earlier studies are also discussed. The sampled volcaniclastics dominantly have a thickness of < 40 cm and have been ejected by small to medium sized eruptions. Onshore deposits from these types of eruptions are potentially eroded due to predominant strong winds on Nemrut and Süphan slopes. An exact correlation with the data presented here is therefore equivocal or not possible at all. Deviating feldspar 40Ar/39Ar ages can possibly be explained by inherited 40Ar from feldspar xenocrysts contaminating the samples. In order to test this hypothesis diffusion couples of Ba were investigated in compositionally zoned feldspar crystals. The diffusive behaviour of Ba in feldspar is known, and gradients in the changing concentrations allowed for the calculation of the duration of the crystal’s magmatic development since the formation of the zoning interface. Durations were compared with degassing scenarios that model the Ar-loss during assimilation and subsequent ejection of the xenocrystals. Diffusive equilibration of the contrasting Ba concentrations is assumed to generate maximum durations as the gradient could have been developed in several growth and heating stages. The modelling does not show any indication of an involvement of inherited 40Ar in any of the deviating samples. However, the analytical set-up represents the lower limit of the required spatial resolution. Therefore, it cannot be excluded that the degassing modelling relies on a significant overestimation of the maximum duration of the magmatic history. Nevertheless, the modelling of xenocrystal degassing evidences that the irregular incorporation of excess 40Ar by melt- and fluid inclusions represents the most critical problem that needs to be overcome in dating volcaniclastic feldspars from the PALEOVAN drill cores. This thesis provides the complete background in generating and presenting 40Ar/39Ar ages that are compared to age data from a climate-stratigraphic model. Deviations are identified statistically and then discussed in order to find explanations from the age model and/or from 40Ar/39Ar geochronology. Most of the PALEOVAN stratigraphy provides several chronometers that have been proven for their synchronicity. Lacustrine deposits from Lake Van represent a key archive for reconstructing climate evolution in the eastern Mediterranean and in the Near East. The PALEOVAN record offers a climate-stratigraphic age model with a remarkable accuracy and resolution. N2 - Die PALEOVAN−Bohrkampagne des internationalen kontinentalen Bohrprogramms ICDP wurde im Sommer 2010 realisiert. Das übergeordnete Ziel dieser Kampagne war die Entnahme eines Klimaarchivs im Osten Anatoliens. Als Archiv dienen Süßwasserablagerungen am Grund des Vansees. PALEOVAN Bohrkerne bieten lakustrine Ablagerungen von zwei Lokalitäten des Sees, und zwar der Ahlat Ridge und des Northern Basins. Durch das Zusammenstellen bestmöglicher Bohrkernbestände aus sieben parallelen Bohrungen auf der Ahlat Ridge, konnte die nahezu vollständige Aufzeichnung der Geschichte des Sees gewonnen werden. Dieses detaillierte Archiv zeichnete sensible Klimafaktoren auf. Als Beispiele sind zu nennen: die Variationen organischen Kohlenstoffs, das Verhältnis von Kalium zu Kalzium und die Anteile arborealer Pollen gegenüber dem Gesamtpollenbestand. Stellvertreterdaten für Klimavariationen (sogenannte Proxies) ähneln in ihrem Muster sehr stark den bekannten Klimavariationen aus Eisbohrkernen des Grönlandeises. Da das Timing der Klimavariationen in den Grönlandeiskernen durch Datierungen mithilfe im Eis gespeicherter Gasphasen und orbitaler Modellberechnungen sehr genau bekannt ist, konnten Sedimentolog*innen des PALEOVAN−Teams ein klimastratigraphisches Altersmodell aus den Proxies berechnen. Die Kernaufgabe der hier vorgelegten Dissertation ist es, eingelagerte pyroklastische Ablagerungen mithilfe der 40Ar/39Ar−Methode zu datieren und das Altersmodell zu diskutieren. Die Notwendigkeit der 40Ar/39Ar−Datierungen war besonders gegeben, da vorab publizierte radiometrische Datierungen von ICDP−PALEOVAN Bohrkernen statistisch nicht ausreichend beschrieben wurden und vorhandene Abweichungen gegenüber dem Altersmodell undiskutiert blieben. An der westlichen und nördlichen Küste des Sees befinden sich zwei Stratovulkane: Nemrut und Süphan. Beide Vulkane haben über die Dauer der kompletten Seegeschichte pyroklastisches Material im See abgelagert. Feldspäte und vulkanische Gläser aus rhyolitischen und trachytischen Auswurfprodukten wurden auf ihre Zusammensetzung untersucht und es wurde ihre Eignung für eine Anwendung der 40Ar/39Ar−Geochronologie festgestellt. Die Abwesenheit hoher Kaliumkonzentrationen in Feldspäten aus geeigneten pyroklastischen Lagen bedeutet, dass Kristalle eine Mindestgröße von ca. 500 Mikrometer benötigen, um Analysen an einzelnen Kristallen durchführen zu können. Nicht alle Proben liefern ausreichend Kristalle dieser groben Korngröße. Somit wurde eine Methode gewählt, die Mehrkorn und Einzelkornanalysen miteinander kombiniert. Die bevorzugte Methode des schrittweisen Ausheizens war nur mit drei Proben möglich. Grund dafür ist, dass der geringe Kaliumgehalt und das junge geologische Alter große Mengen (ca. 20 mg) einschluss− und korrosionsfreier Feldspäte benötigten. Die geringen Probenmengen (25% Aliquot von üblicherweise 5 cm3 Probenmaterial) und die Omnipräsenz von Schmelzeinschlüssen in den Feldspäten legten nahe, auf die Methodik des schlagartigen Ausheizens von Einzel− und Mehrkornproben zu setzen. 40Ar/39Ar−Datierungen an einzelnen Feldspäten haben den Vorteil, dass sich ein vorhandener Überschuss von 40Ar oder Kontaminationen detritischer Körner leicht feststellen lassen und in der Altersberechnung berücksichtigt werden können. Mehrkornanalysen zeigen diese Hürden nur bei intensiver Kontamination und bergen die Gefahr, radiometrische Alter zu bestimmen, die von dem tatsächlichen geologischen Alter abweichen, weil sie zu alt sind. 40Ar/39Ar−Datierungen in dieser Dissertation wurden deshalb für die meisten Proben mithilfe von Mehrkornanalysen und (wenn vorhanden) in Kombination mit wenigen Einzelkornanalysen durchgeführt. Bis auf die Resultate zweier Proben sind die radiometrischen Alter der Feldspäte statistisch gesehen identisch zu den Altersabschätzungen des klimastratigraphischen Altersmodells. Abweichungen zeigen ausschließlich ältere radiometrische Alter einzelner Kornfraktionen. Die beiden abweichenden Proben sind ebenfalls älter als das Altersmodell. Eine statistische Auswertung mittels t−Tests beweist die Abweichungen der radiometrischen von den klimastratigraphischen Altersdaten. Das Altersmodell wurde mit jedem der radiometrischen Alter innerhalb eines stratigraphischen Einzugsbereichs von ± 10 Metern verglichen. Die Konkordanz der Altershinweise aus unterschiedlichen Klimaproxies und aus geophysikalischen Altershinweisen (durch das Identifizieren zeitlich bekannter Variationen des Erdmagnetfelds) legen nahe, dass beiden Abweichungen fehlerhafte 40 Ar/39 Ar−Datierungen zugrunde liegen. Zwei mögliche Ursachen werden in Betracht gezogen: (1) unregelmäßiges beziehungsweise vereinzeltes Auftreten von überschüssigem 40Ar im Zusammenhang mit Schmelz− und Fluideinschlüssen oder (2) Kontamination der Probe mit älteren, xenokristischen Feldspäten durch eine zügige (im Zeitraum von Tagen) Kombination von magmatischer Assimilation und Auswurf des Materials. Ebenfalls nicht auszuschließen ist eine detritische Kontamination. Die normalverteilten 40Ar/39Ar−Werte der Proben sind allerdings untypisch für eine detritische Kontamination. Je ein Aliquot der selektierten Kristallfraktionen wurde intensiv auf vorhandene Zonierungen untersucht. Alle untersuchten Feldspatproben zeigen Elementzonierungen, die sich einteilen lassen. Die Zonierungen sind entweder kompositionelle Zonierungen der Hauptzusammensetzung („C-type – compositional type“), pseudo-oszillatorische Zonierungen gewisser Spurenelementkonzentrationen („PO-type“), konzentrische Zonierungen von Spurenelementkonzentrationen („CC-type – concentric type“) und chaotisch-fleckige Zonierungsmuster („R-type – resorbed and patchy“). Proben, deren 40Ar/39Ar−Alter abweichen, zeigen Zonierungen in ihrer Hauptzusammensetzung (C-type), fleckige Zonierungen (R-type) oder zeigen eine Mischung aus unterschiedlichen Zonierungstypen (C-type und PO-type). Feldspäte, die ausschließlich eine Zonierung ihrer Spurenelmente (PO-type) zeigen, liegen typischerweise in kleineren Korngrößen vor und markieren Zusammensetzungen, die typisch sind für die spätesten Phasen der magmatischen Entwicklung von Feldspäten in peralkalinen Gesteinen. Diese Kristalle sind in der Regel arm an Schmelzeinschlüssen und nur selten korrodiert. Die vorliegende Arbeit weist Feldspäte, die keine Zonierung in ihrer Hauptzusammensetzung, sondern nur pseudo-oszillatorische Spurenelementvariationen aufzeigen, als ideale Chronometer für die Anwendung der 40Ar/39Ar−Methode an Quartären, kaliumarmen Feldspäten aus. Um Abweichende Proben erneut zu analysieren und um stratigraphische Abschnitte zu datieren, die nicht erfolgreich beprobt werden konnten, wurden fünf Proben datiert, indem die 40Ar/39Ar−Methode auf vulkanisches Glas angewendet wurde. Hohe Gehalte an atmosphärischem Argon (in der Regel > 98 %) führten allerdings zu ungenauen radiometrischen Altersbestimmungen, die aufgrund ihrer großen Fehler keine Abweichungen vom Altersmodell zeigen. Die Gläser zeigen Hinweise darauf, dass Variationen in den Altern der Feldspäte auf die Gegenwart eines Ar-Reservoirs in Schmelzeinschlüssen zurückzuführen sein könnte, das weder radiogen noch atmosphärisch ist. Ob eine Verknüpfung der Ar-Isotopien in vulkanischen Gläsern und in Porenwässern gegeben ist, bleibt offen. Instrumentelle und methodische Hürden lassen nur eine Vermutung zu, dass Porenwässer und vulkanische Gläser in ihren Ar-Isotopendaten eine Verknüpfung zeigen könnten. Ein neues Alterstiefenmodell, das ebenfalls auf der Interpolation von Altershinweisen durch Klimaproxies und geophysikalischer Daten basiert wird in dieser Arbeit ebenfalls vorgelegt. Im Gegensatz zu bestehenden „Spline“-Interpolationen wurde in dieser Dissertation eine PCHIP- Interpolation bevorzugt. Abgesehen von abweichenden Proben wurden allen Proben, die mithilfe der 40Ar/39Ar−Methode an Feldspäten datiert sind, zusätzlich ein klimastratigraphisches Modellalter zugewiesen. Diese Modellalter bieten die Grundlage dafür, das Alter des in der Datierung benutzten Mineralstandards (Alder Creek Sanidine) nachrechnen zu können. Die erfolgreiche klimastratigraphische Kalibrierung des Standards beweist, dass Alterstiefenmodelle aus den PALEOVAN-Bohrkernen genau sind, und dass alle verwendeten Chronometer innerhalb der angezeigten Varianzen ein synchrones Timing zulassen. Die Dissertation bietet petrochemische Charakterisierungen der entnommenen Proben an und diskutiert nachvollziehbar mögliche Provenanzen der Pyroklastite. 41 von 57 entnommenen Proben lassen sich Nemrut zuordnen. Kriterien, die für eine Zuordnung herangezogen wurden, werden aufgezeigt und diskutiert. Eine mögliche Korrelation der datierten Proben zu pyroklastischen Einheiten, die in der Literatur an den Hängen der Stratovulkane im Detail beschrieben wurden, wird ebenfalls diskutiert. Die beprobten pyroklasitischen Lagen haben geringe Mächtigkeiten (in der Regel < 40 cm) und liegen mittleren bis kleineren Eruptionen zugrunde. Diese Eruptionen hinterlassen keine oder nur schwer definierbare pyroklastische Einheiten von geringer Mächtigkeit an Land. Eine genaue Korrelation ist mit den hier präsentierten Daten deshalb nicht oder nur sehr vage möglich. Abweichende radiometrische Alter aus Datierungen von Feldspat könnten im Zusammenhang mit vererbtem 40Ar aus Xenokristallen stehen. Um diese Hypothese zu testen, wurden diffusionsabhängige Konzentrationsschwankungen von Barium in zonierten Feldspäten untersucht. Da das diffusive Verhalten von Barium in Feldspat bekannt ist, kann durch die Analyse des Konzentrationsgradienten die Dauer der magmatischen Entwicklung ab der Bildung der untersuchten Zonierung berechnet werden. Diese Zeitspanne wurde genutzt, um zu modellieren, ob Xenokristalle während einer unvollständigen Assimilation komplett entgast werden. Dafür wurde angenommen, dass das diffusive Angleichen von unterschiedlichen Bariumkonzentrationen maximale Werte für die Dauer von der Assimilation bis zum Auswurf liefert. Die Modellierung zeigt, dass vererbtes 40Ar aus Xenokristallen keinen Anteil an den abweichenden Altern haben. Allerdings sind die erhobenen Diffusionsgradienten am Rande der benötigten analytischen Auflösung, und eine Überschätzung der Dauer der magmatischen Prozesse kann nicht ausgeschlossen werden. Die Diffusionsprofile sind ein weiterer Hinweis dafür, dass unregelmäßige beziehungsweise vereinzelte Quellen von überschüssigem 40Ar die schwierigste Hürde für 40Ar/39Ar−Datierungen an ICDP-PALEOVAN Bohrkernen darstellen. Die vorgelegte Arbeit bietet nicht nur 40Ar/39Ar−Datierungen, um das vorhandene Altersmodell kritisch zu diskutieren, sondern zeigt, wie Abweichungen statistisch zu erfassen sind, welche mineralogischen Beobachtungen in die Interpretation abweichender radiometrischer Alter miteinbezogen werden sollten und wie die Synchronizität verschiedener Chronometer getestet werden kann. Die Korrektheit des klima-stratigraphischen Timings der PALEOVAN Kerne ist mit dieser Arbeit nachgewiesen. Vergleiche der Proxydaten zu anderen Klimaarchiven deren Auflösung sogar höher als die der Milankovitchzyklen ist (die Auflösung der Dnsgaard-Oeschger Ereignisse), existieren für viele Kerne des PALEOVAN-Archivs. Die Kerne aus dem PALEOVAN Projekt repräsentieren damit ein Schlüsselarchiv für die Rekonstruktion des Klimas im Nahen Osten. Dieses Archiv bietet ein klima-stratigraphisches Altersmodell von bemerkenswerter Genauigkeit und Auflösung. KW - Lake Van KW - feldspar KW - lacustrine record KW - volcaniclastics KW - 40Ar/39Ar KW - Vansee KW - Feldspat KW - lakustrine Abfolge KW - Vulkaniklastika KW - 40Ar/39Ar Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429539 ER - TY - THES A1 - Tofelde, Stefanie T1 - Signals stored in sediment T1 - Signale in Sedimenten BT - fluvial sediments as records of landscape evolution BT - wie Flusssedimente Landschaftsentwicklung aufzeichnen N2 - Tectonic and climatic boundary conditions determine the amount and the characteristics (size distribution and composition) of sediment that is generated and exported from mountain regions. On millennial timescales, rivers adjust their morphology such that the incoming sediment (Qs,in) can be transported downstream by the available water discharge (Qw). Changes in climatic and tectonic boundary conditions thus trigger an adjustment of the downstream river morphology. Understanding the sensitivity of river morphology to perturbations in boundary conditions is therefore of major importance, for example, for flood assessments, infrastructure and habitats. Although we have a general understanding of how rivers evolve over longer timescales, the prediction of channel response to changes in boundary conditions on a more local scale and over shorter timescales remains a major challenge. To better predict morphological channel evolution, we need to test (i) how channels respond to perturbations in boundary conditions and (ii) how signals reflecting the persisting conditions are preserved in sediment characteristics. This information can then be applied to reconstruct how local river systems have evolved over time. In this thesis, I address those questions by combining targeted field data collection in the Quebrada del Toro (Southern Central Andes of NW Argentina) with cosmogenic nuclide analysis and remote sensing data. In particular, I (1) investigate how information on hillslope processes is preserved in the 10Be concentration (geochemical composition) of fluvial sediments and how those signals are altered during downstream transport. I complement the field-based approach with physical experiments in the laboratory, in which I (2) explore how changes in sediment supply (Qs,in) or water discharge (Qw) generate distinct signals in the amount of sediment discharge at the basin outlet (Qs,out). With the same set of experiments, I (3) study the adjustments of alluvial channel morphology to changes in Qw and Qs,in, with a particular focus in fill-terrace formation. I transfer the findings from the experiments to the field to (4) reconstruct the evolution of a several-hundred meter thick fluvial fill-terrace sequence in the Quebrada del Toro. I create a detailed terrace chronology and perform reconstructions of paleo-Qs and Qw from the terrace deposits. In the following paragraphs, I summarize my findings on each of these four topics. First, I sampled detrital sediment at the outlet of tributaries and along the main stem in the Quebrada del Toro, analyzed their 10Be concentration ([10Be]) and compared the data to a detailed hillslope-process inventory. The often observed non-linear increase in catchment-mean denudation rate (inferred from [10Be] in fluvial sediment) with catchment-median slope, which has commonly been explained by an adjustment in landslide-frequency, coincided with a shift in the main type of hillslope processes. In addition, the [10Be] in fluvial sediments varied with grain-size. I defined the normalized sand-gravel-index (NSGI) as the 10Be-concentration difference between sand and gravel fractions divided by their summed concentrations. The NSGI increased with median catchment slope and coincided with a shift in the prevailing hillslope processes active in the catchments, thus making the NSGI a potential proxy for the evolution of hillslope processes over time from sedimentary deposits. However, the NSGI recorded hillslope-processes less well in regions of reduced hillslope-channel connectivity and, in addition, has the potential to be altered during downstream transport due to lateral sediment input, size-selective sediment transport and abrasion. Second, my physical experiments revealed that sediment discharge at the basin outlet (Qs,out) varied in response to changes in Qs,in or Qw. While changes in Qw caused a distinct signal in Qs,out during the transient adjustment phase of the channel to new boundary conditions, signals related to changes in Qs,in were buffered during the transient phase and likely only become apparent once the channel is adjusted to the new conditions. The temporal buffering is related to the negative feedback between Qs,in and channel-slope adjustments. In addition, I inferred from this result that signals extracted from the geochemical composition of sediments (e.g., [10Be]) are more likely to represent modern-day conditions during times of aggradation, whereas the signal will be temporally buffered due to mixing with older, remobilized sediment during times of channel incision. Third, the same set of experiments revealed that river incision, channel-width narrowing and terrace cutting were initiated by either an increase in Qw, a decrease in Qs,in or a drop in base level. The lag-time between the external perturbation and the terrace cutting determined (1) how well terrace surfaces preserved the channel profile prior to perturbation and (2) the degree of reworking of terrace-surface material. Short lag-times and well preserved profiles occurred in cases with a rapid onset of incision. Also, lag-times were synchronous along the entire channel after upstream perturbations (Qw, Qs,in), whereas base-level fall triggered an upstream migrating knickzone, such that lag-times increased with distance upstream. Terraces formed after upstream perturbations (Qw, Qs,in) were always steeper when compared to the active channel in new equilibrium conditions. In the base-level fall experiment, the slope of the terrace-surfaces and the modern channel were similar. Hence, slope comparisons between the terrace surface and the modern channel can give insights into the mechanism of terrace formation. Fourth, my detailed terrace-formation chronology indicated that cut-and-fill episodes in the Quebrada del Toro followed a ~100-kyr cyclicity, with the oldest terraces ~ 500 kyr old. The terraces were formed due to variability in upstream Qw and Qs. Reconstructions of paleo-Qs over the last 500 kyr, which were restricted to times of sediment deposition, indicated only minor (up to four-fold) variations in paleo-denudation rates. Reconstructions of paleo-Qw were limited to the times around the onset of river incision and revealed enhanced discharge from 10 to 85% compared to today. Such increases in Qw are in agreement with other quantitative paleo-hydrological reconstructions from the Eastern Andes, but have the advantage of dating further back in time. N2 - Tektonische und klimatische Bedingungen bestimmen die Menge, Größenverteilung und Zusammensetzung von Sedimenten, welche in Gebirgsregionen produziert und von dort exportiert werden. Über Jahrtausende hinweg passen Flüsse ihre Morphologie an, um den Sedimenteintrag (Qs,in) mit dem verfügbaren Wasserabfluss (Qw) flussabwärts zu transportieren. Änderungen in den klimatischen oder tektonischen Randbedingungen lösen flussabwärts eine Anpassung der Flussmorphologie aus. Ein besseres Verständnis darüber, wie sensitiv Flüsse auf Perturbationen in den Randbedingungen reagieren, ist entscheidend, um beispielsweise Überflutungspotential besser abschätzen zu können. Obwohl wir generell ein gutes Verständnis für die Entwicklung von Flüssen auf langen Zeitskalen haben, können wir durch veränderte Randbedingungen ausgelöste Flussdynamiken lokal und auf kurzen Zeitskalen nur schwer vorhersagen. Um die Entwicklung der Flussmorphologie besser zu verstehen, beziehungsweise vorhersagen zu können, müssen wir testen, (1) wie Flüsse auf veränderte Randbedingungen reagieren und (2) wie Signale, welche die vorherschenden Bedingungen reflektieren, in Sedimenten konserviert werden. Diese Informationen können wir nutzen, um die Entwicklung von lokalen Flusssystemen zu rekonstruieren. In der vorliegenden Arbeit adressiere ich diese Fragen durch die Analyse von kosmogenen Nukleiden und Fernerkundungsdaten in der Quebrada del Toro (südliche Zentralanden in NW Argentinien). Insbesondere untersuche ich, wie (1) Informationen über Hangprozesse in der 10Be Konzentration (geochemische Zusammensetzung) von Flusssedimenten gespeichert werden und wie diese Signale durch den Transport flussabwärts überprägt werden. Ich ergänze diesen geländebasierten Ansatz mit physikalischen Experimenten im Labor, mit welchen ich untersuche, wie (2) Veränderungen in der Sedimentzufuhr (Qs,in) oder der Abflussmenge (Qw) eindeutige Signale in der Menge an Sedimentaustrag (Qs,out) am Beckenauslass generieren. Mit denselben Experimenten untersuche ich (3) die Anpassung der Flussmorphologie auf Veränderungen in Qw und Qs,in mit einem speziellen Fokus auf der Entstehung von Flussterrassen. Ich übertrage die Erkenntnisse von den Experimenten ins Gelände und (4) rekonstruiere die Entstehung von einer mehreren hundert Meter mächtigen Terrassensequenz in der Quebrada del Toro. Ich erstelle eine detaillierte Terrassenchronologie und führe mit Hilfe der Terrassenablagerungen Rekonstruktion von Qs und Qw für die Vergangenheit durch. In den folgenden Paragraphen fasse ich meine Ergebnisse zu den vier Forschungsschwerpunkten dieser Arbeit zusammen. Erstens habe ich Flusssedimente an den Mündungen von Nebenflüssen, sowie entlang des Hauptflusses in der Quebrada del Toro beprobt, die jeweilige 10Be Konzentration ([10Be]) bestimmt und die Daten mit einem detaillierten Hangprozess-Inventar verglichen. Der häufig beobachtete, nicht-lineare Anstieg der durchschnittlichen Denudationsrate des Einzugsgebietes (abgeleitet aus der [10Be] der Flusssedimente) mit der Hangneigung eines Einzugsgebietes fiel mit einer Verschiebung der wesentlichen, aktiven Hangprozesse zusammen. Zusätzlich variierte die [10Be] der Flusssedimente mit den Korngrößen. Ich habe den normalisierten Sand-Schotter-Index (NSGI) definiert, welcher sich aus der Differenz der [10Be] zwischen der Sand- und der Kiesfraktion, geteilt durch ihre summierte Konzentration, berechnet. Der NSGI stieg mit dem Median der Hangneigung eines Einzugsgebietes und fiel wiederum mit einer Verschiebung der vorherrschenden Hangprozesse im jeweiligen Einzugsgebiet zusammen. Diese Beobachtung qualifiziert den NSGI als einen potentiellen Proxy, um die Entwicklung von Hangprozessen über die Zeit aus Sedimentablagerungen zu rekonstruieren. Es ist jedoch einzuschränken, dass der NSGI durch den Transport flussabwärts auf Grund von temporärer Sedimentablagerung, lateraler Sedimentzufuhr, größenselektivem Sedimenttransport und Abrasion überprägt werden kann. Zweitens haben die Laborexperimente gezeigt, dass der Sedimentaustrag am Beckenauslass (Qs,out) auf Grund von Veränderungen in Qs,in oder Qw variiert. Während Veränderungen in Qw ein eindeutiges Signal in Qs,out während der transienten Anpassungsphase des Flusses an die neuen Randbedingungen hervorriefen, wurden durch Qs,in ausgelöste Signale während der transienten Anpassungsphase gepuffert. Sie werden vermutlich erst sichtbar, nachdem der Fluss sich an die neuen Randbedingungen angepasst hat. Das zeitliche Puffern ist mit der negativen Rückkopplung zwischen Qs,in und dem Flussgradienten zu erklären. Zusätzlich deuten die Ergebnisse darauf hin, dass sich Signale, welche in der geochemischen Zusammenstzung von Sediment gespeichert sind (z.B. [10Be]), in Phasen der Flussaufschotterung mit einer höheren Wahrscheinlichkeit die heutigen Bedingungen repräsentieren. Dagegen sind Signale in Zeiten der Flusseinschneidung aufgrund von Mischung mit älteren, remobilisierten Sedimenten gepuffert. Drittens haben dieselben Experimente gezeigt, dass Flusseinschneidung, Flussbettverengung sowie Terrassenbildung entweder durch eine Zunahme an Qw, eine Abnahme in Qs,in oder durch ein Absinken der Flussbasis initiiert werden konnte. Die Zeitverzögerung zwischen der Perturbation der Randbedingungen und der Terrassenformation bestimmt (1) wie gut Terrassenoberflächen das Flussprofil vom Zeitpunkt unmittelbar vor der Störung representieren und (2) den Grad an Umschichtung des Terrassenoberflächenmaterials. Kurze Verzögerungszeiten und gut erhaltende Profile konnten in Fällen eines schnellen Einsetzens der Flusseinschneidung beobachtet werden. Außerdem waren die Verzögerungszeiten entlang des Flusslaufes synchron im Falle einer Perturbation im Flussoberlauf (Qw, Qs,in), während ein Abfallen der Flussbasis einen flussaufwärts migrierenden Knickpunkt ausgelöst hat, sodass die Verzögerungszeiten in flussaufwärts Richtung zunahmen. Terrassen, welche durch Perturbationen im Flussoberlauf (Qw, Qs,in) gebildet wurden, waren steiler im Vergleich zum aktiven Fluss, nachdem dieser sich an die neuen Randbedingungen angepasst hat. In dem Experiment, bei welchem die Flussbasis abgesenkt wurde, waren die Neigung der Terrassenoberflächen und des aktiven Flussesbettes ähnlich. Daher können Vergleiche zwischen der Neigung der Terrassenoberflächen mit dem aktiven Flussbett auf den Mechanismus der Terrassenformation hinweisen. Viertens hat die detaillierte Terrassenchronologie gezeigt, dass die Einschneide-und-Ablagerungsepisoden in der Quebrada del Toro einem ~100 ka Zyklus folgen, beginnend mit der ersten Terrasse vor ca. 500 ka. Die Terrassen wurden durch Variabilität in Qw und Qs,in gebildet. Rekonstruktionen von Qs über die letzten 500 ka, beschränkt auf die Zeiten von Sedimentablagerung, zeigten eine eher geringe Variabilität (maximal vierfach) in Denudationsraten an. Rekonstruktionen des Abflusses waren beschränkt auf die Zeitpunkte um das Einsetzen der Flusseinschneidung herum und deuteten auf vermehrten Abfluss zwischen 10 und 85% im Vergleich zu heutigen Bedingungen hin. Vermehrter Abfluss in dieser Größenordnung stimmt mit anderen quantitativen Rekonstruktionen zur Hydrologie der Ost-Anden überein, diese Methode hat jedoch den Vorteil, dass sie zeitlich weiter zurück reicht. KW - sediment-routing system KW - signal propagation KW - alluvial channel morphology KW - fluvial fill terraces KW - Cenral Andes KW - Sedimenttransportsystem KW - Signalweiterleitung KW - Gerinnemorphologie KW - Flussterrassen KW - Zentralanden Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427168 ER - TY - THES A1 - Sieg, Tobias T1 - Reliability of flood damage estimations across spatial scales T1 - Verlässlichkeit von Hochwasserschadensschätzungen über räumliche Skalen N2 - Extreme Naturereignisse sind ein integraler Bestandteil der Natur der Erde. Sie werden erst dann zu Gefahren für die Gesellschaft, wenn sie diesen Ereignissen ausgesetzt ist. Dann allerdings können Naturgefahren verheerende Folgen für die Gesellschaft haben. Besonders hydro-meteorologische Gefahren wie zum Beispiel Flusshochwasser, Starkregenereignisse, Winterstürme, Orkane oder Tornados haben ein hohes Schadenspotential und treten rund um den Globus auf. Einhergehend mit einer immer wärmer werdenden Welt, werden auch Extremwetterereignisse, welche potentiell Naturgefahren auslösen können, immer wahrscheinlicher. Allerdings trägt nicht nur eine sich verändernde Umwelt zur Erhöhung des Risikos von Naturgefahren bei, sondern auch eine sich verändernde Gesellschaft. Daher ist ein angemessenes Risikomanagement erforderlich um die Gesellschaft auf jeder räumlichen Ebene an diese Veränderungen anzupassen. Ein essentieller Bestandteil dieses Managements ist die Abschätzung der ökonomischen Auswirkungen der Naturgefahren. Bisher allerdings fehlen verlässliche Methoden um die Auswirkungen von hydro-meteorologischen Gefahren abzuschätzen. Ein Hauptbestandteil dieser Arbeit ist daher die Entwicklung und Anwendung einer neuen Methode, welche die Verlässlichkeit der Schadensschätzung verbessert. Die Methode wurde beispielhaft zur Schätzung der ökonomischen Auswirkungen eines Flusshochwassers auf einzelne Unternehmen bis hin zu den Auswirkungen auf das gesamte Wirtschaftssystem Deutschlands erfolgreich angewendet. Bestehende Methoden geben meist wenig Information über die Verlässlichkeit ihrer Schätzungen. Da diese Informationen Entscheidungen zur Anpassung an das Risiko erleichtern, wird die Verlässlichkeit der Schadensschätzungen mit der neuen Methode dargestellt. Die Verlässlichkeit bezieht sich dabei nicht nur auf die Schadensschätzung selber, sondern auch auf die Annahmen, die über betroffene Gebäude gemacht werden. Nach diesem Prinzip kann auch die Verlässlichkeit von Annahmen über die Zukunft dargestellt werden, dies ist ein wesentlicher Aspekt für Prognosen. Die Darstellung der Verlässlichkeit und die erfolgreiche Anwendung zeigt das Potential der Methode zur Verwendung von Analysen für gegenwärtige und zukünftige hydro-meteorologische Gefahren. N2 - Natural extreme events are an integral part of nature on planet earth. Usually these events are only considered hazardous to humans, in case they are exposed. In this case, however, natural hazards can have devastating impacts on human societies. Especially hydro-meteorological hazards have a high damage potential in form of e.g. riverine and pluvial floods, winter storms, hurricanes and tornadoes, which can occur all over the globe. Along with an increasingly warm climate also an increase in extreme weather which potentially triggers natural hazards can be expected. Yet, not only changing natural systems, but also changing societal systems contribute to an increasing risk associated with these hazards. These can comprise increasing exposure and possibly also increasing vulnerability to the impacts of natural events. Thus, appropriate risk management is required to adapt all parts of society to existing and upcoming risks at various spatial scales. One essential part of risk management is the risk assessment including the estimation of the economic impacts. However, reliable methods for the estimation of economic impacts due to hydro-meteorological hazards are still missing. Therefore, this thesis deals with the question of how the reliability of hazard damage estimates can be improved, represented and propagated across all spatial scales. This question is investigated using the specific example of economic impacts to companies as a result of riverine floods in Germany. Flood damage models aim to describe the damage processes during a given flood event. In other words they describe the vulnerability of a specific object to a flood. The models can be based on empirical data sets collected after flood events. In this thesis tree-based models trained with survey data are used for the estimation of direct economic flood impacts on the objects. It is found that these machine learning models, in conjunction with increasing sizes of data sets used to derive the models, outperform state-of-the-art damage models. However, despite the performance improvements induced by using multiple variables and more data points, large prediction errors remain at the object level. The occurrence of the high errors was explained by a further investigation using distributions derived from tree-based models. The investigation showed that direct economic impacts to individual objects cannot be modeled by a normal distribution. Yet, most state-of-the-art approaches assume a normal distribution and take mean values as point estimators. Subsequently, the predictions are unlikely values within the distributions resulting in high errors. At larger spatial scales more objects are considered for the damage estimation. This leads to a better fit of the damage estimates to a normal distribution. Consequently, also the performance of the point estimators get better, although large errors can still occur due to the variance of the normal distribution. It is recommended to use distributions instead of point estimates in order to represent the reliability of damage estimates. In addition current approaches also mostly ignore the uncertainty associated with the characteristics of the hazard and the exposed objects. For a given flood event e.g. the estimation of the water level at a certain building is prone to uncertainties. Current approaches define exposed objects mostly by the use of land use data sets. These data sets often show inconsistencies, which introduce additional uncertainties. Furthermore, state-of-the-art approaches also imply problems of missing consistency when predicting the damage at different spatial scales. This is due to the use of different types of exposure data sets for model derivation and application. In order to face these issues a novel object-based method was developed in this thesis. The method enables a seamless estimation of hydro-meteorological hazard damage across spatial scales including uncertainty quantification. The application and validation of the method resulted in plausible estimations at all spatial scales without overestimating the uncertainty. Mainly newly available data sets containing individual buildings make the application of the method possible as they allow for the identification of flood affected objects by overlaying the data sets with water masks. However, the identification of affected objects with two different water masks revealed huge differences in the number of identified objects. Thus, more effort is needed for their identification, since the number of objects affected determines the order of magnitude of the economic flood impacts to a large extent. In general the method represents the uncertainties associated with the three components of risk namely hazard, exposure and vulnerability, in form of probability distributions. The object-based approach enables a consistent propagation of these uncertainties in space. Aside from the propagation of damage estimates and their uncertainties across spatial scales, a propagation between models estimating direct and indirect economic impacts was demonstrated. This enables the inclusion of uncertainties associated with the direct economic impacts within the estimation of the indirect economic impacts. Consequently, the modeling procedure facilitates the representation of the reliability of estimated total economic impacts. The representation of the estimates' reliability prevents reasoning based on a false certainty, which might be attributed to point estimates. Therefore, the developed approach facilitates a meaningful flood risk management and adaptation planning. The successful post-event application and the representation of the uncertainties qualifies the method also for the use for future risk assessments. Thus, the developed method enables the representation of the assumptions made for the future risk assessments, which is crucial information for future risk management. This is an important step forward, since the representation of reliability associated with all components of risk is currently lacking in all state-of-the-art methods assessing future risk. In conclusion, the use of object-based methods giving results in the form of distributions instead of point estimations is recommended. The improvement of the model performance by the means of multi-variable models and additional data points is possible, but small. Uncertainties associated with all components of damage estimation should be included and represented within the results. Furthermore, the findings of the thesis suggest that, at larger scales, the influence of the uncertainty associated with the vulnerability is smaller than those associated with the hazard and exposure. This leads to the conclusion that for an increased reliability of flood damage estimations and risk assessments, the improvement and active inclusion of hazard and exposure, including their uncertainties, is needed in addition to the improvements of the models describing the vulnerability of the objects. KW - hydro-meteorological risk KW - damage modeling KW - uncertainty KW - probabilistic approach KW - economic impacts KW - OpenStreetMap KW - hydro-meteorologische Risiken KW - Schadensmodellierung KW - Unsicherheiten KW - probabilistischer Ansatz KW - ökonomische Auswirkungen KW - OpenStreetMap Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426161 ER - TY - THES A1 - Öztürk, Ugur T1 - Learning more to predict landslides T1 - Ein verbessertes Wissen zur Prognose von Hangrutschungen N2 - Landslides are frequent natural hazards in rugged terrain, when the resisting frictional force of the surface of rupture yields to the gravitational force. These forces are functions of geological and morphological factors, such as angle of internal friction, local slope gradient or curvature, which remain static over hundreds of years; whereas more dynamic triggering events, such as rainfall and earthquakes, compromise the force balance by temporarily reducing resisting forces or adding transient loads. This thesis investigates landslide distribution and orientation due to landslide triggers (e.g. rainfall) at different scales (6-4∙10^5 km^2) and aims to link rainfall movement with the landslide distribution. It additionally explores the local impacts of the extreme rainstorms on landsliding and the role of precursory stability conditions that could be induced by an earlier trigger, such as an earthquake. Extreme rainfall is a common landslide trigger. Although several studies assessed rainfall intensity and duration to study the distribution of thus triggered landslides, only a few case studies quantified spatial rainfall patterns (i.e. orographic effect). Quantifying the regional trajectories of extreme rainfall could aid predicting landslide prone regions in Japan. To this end, I combined a non-linear correlation metric, namely event synchronization, and radial statistics to assess the general pattern of extreme rainfall tracks over distances of hundreds of kilometers using satellite based rainfall estimates. Results showed that, although the increase in rainfall intensity and duration positively correlates with landslide occurrence, the trajectories of typhoons and frontal storms were insufficient to explain landslide distribution in Japan. Extreme rainfall trajectories inclined northwestwards and were concentrated along some certain locations, such as coastlines of southern Japan, which was unnoticed in the landslide distribution of about 5000 rainfall-triggered landslides. These landslides seemed to respond to the mean annual rainfall rates. Above mentioned findings suggest further investigation on a more local scale to better understand the mechanistic response of landscape to extreme rainfall in terms of landslides. On May 2016 intense rainfall struck southern Germany triggering high waters and landslides. The highest damage was reported at the Braunsbach, which is located on the tributary-mouth fan formed by the Orlacher Bach. Orlacher Bach is a ~3 km long creek that drains a catchment of about ~6 km^2. I visited this catchment in June 2016 and mapped 48 landslides along the creek. Such high landslide activity was not reported in the nearby catchments within ~3300 km^2, despite similar rainfall intensity and duration based on weather radar estimates. My hypothesis was that several landslides were triggered by rainfall-triggered flash floods that undercut hillslope toes along the Orlacher Bach. I found that morphometric features such as slope and curvature play an important role in landslide distribution on this micro scale study site (<10 km^2). In addition, the high number of landslides along the Orlacher Bach could also be boosted by accumulated damages on hillslopes due karst weathering over longer time scales. Precursory damages on hillslopes could also be induced by past triggering events that effect landscape evolution, but this interaction is hard to assess independently from the latest trigger. For example, an earthquake might influence the evolution of a landscape decades long, besides its direct impacts, such as landslides that follow the earthquake. Here I studied the consequences of the 2016 Kumamoto Earthquake (MW 7.1) that triggered some 1500 landslides in an area of ~4000 km^2 in central Kyushu, Japan. Topography, i.e. local slope and curvature, both amplified and attenuated seismic waves, thus controlling the failure mechanism of those landslides (e.g. progressive). I found that topography fails in explaining the distribution and the preferred orientation of the landslides after the earthquake; instead the landslides were concentrated around the northeast of the rupture area and faced mostly normal to the rupture plane. This preferred location of the landslides was dominated mainly by the directivity effect of the strike-slip earthquake, which is the propagation of wave energy along the fault in the rupture direction; whereas amplitude variations of the seismic radiation altered the preferred orientation. I suspect that the earthquake directivity and the asymmetry of seismic radiation damaged hillslopes at those preferred locations increasing landslide susceptibility. Hence a future weak triggering event, e.g. scattered rainfall, could further trigger landslides at those damaged hillslopes. N2 - Hangrutschungen treten häufig in steilem Gelände auf, wenn die Erdanziehungskraft die Scherkräfte an der Oberfläche übersteigt. Diese Kräfte beinhalten geologische und geomorphologische Faktoren wie den Reibungswinkel oder die Neigung und Krümmung von Hängen, die über Jahrhunderte statisch bleiben können. Dynamische Ereignisse wie Regenfälle und Erdbeben können hingegen das Kräftegleichgewicht beeinträchtigen, indem sie Widerstandskräfte vorübergehend reduzieren oder Lasten temporär hinzufügen. Diese Arbeit untersucht die Verteilung und Orientierung von Hangrutschungen in Abhängigkeit von Auslösern (z.B. Niederschlag) auf verschiedenen Skalenebenen (6-4∙10^5 km^2) und verknüpft die Bewegung des Niederschlagssystems mit der Hangrutschungsverteilung. Zudem werden lokale Auswirkungen von extremen Gewittern auf Hangrutschungen untersucht, sowie vorausgehende Stabilitätsbedingungen, die durch ein früheres Ereignis, beispielsweise ein Erdbeben, verändert werden können. Extremer Niederschlag ist ein weithin bekannter Auslöser für Hangrutschungen. Obwohl mehrere Studien die Verteilung von Hangrutschungen mit der Niederschlagsintensität und -dauer verglichen haben, beachteten nur wenige Fallstudien das räumliche Bewegungsmuster des Niederschlags, i.e. den orographischen Effekt. Eine solche Quantifizierung könnte die Vorhersage von hangrutschungsgefährdete Regionen in Japan verbessern. Hierfür habe ich ein nicht-lineares Korrelationsmaß (event synchronization) auf regionale Sturmbahnen in Japan angewendet, um deren räumliche Verteilung durch satellitengestützen Regenschätzungen nachzuvollziehen. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass sich die Verteilung von Hangrutschungen nur unzureichend mit den Zugbahnen von Taifunen und Sturmtiefen erklären lässt. Die Stabilität von Hängen scheint mehr durch mittlere Jahresniederschlagsmengen beeinflusst zu werden. Erzielte Ergebnisse zeigen, dass weitere Untersuchungen auf lokaler Ebene nötig sind, um die unmittelbare Auswirkungen von Extremniederschlägen auf Hangstabilität und -rutschungen besser zu verstehen. Im Mai 2016 kam es in Süddeutschland zu einem heftigen Gewitter, das Hochwasser und Hangrutschungen ausgelöst hat. Der höchste Schaden wurde in Braunsbach, dessen Zentrum sich am Zufluss des Orlacher Bachs befindet, gemeldet. Der Orlacher Bach ist ~3 lang und hat ein Einzugsgebiet von etwa ~6 km^2. Ich habe dieses Einzugsgebiet im Juni 2016 besucht und 48 Hangrutschungen entlang des Baches kartiert. Ich vermutete, dass mehrere Hangrutschungen durch Sturzfluten ausgelöst wurden, welche die Hänge entlang des Orlacher Baches unterspülten. Ich stellte fest, dass morphometrische Merkmale wie die lokale Hangneigung und -krümmung eine wichtige Rolle bei der Hangrutschungsverteilung auf dieser Mikroskala spielen (<10 km^2). Darüber hinaus könnte die hohe Anzahl von Hangrutschungen am Orlacher Bach auch durch Karstverwitterung über längere Zeiträume verstärkt werden. Zahlreiche in der Vergangenheit liegende Ereignisse können die Stabilität eines Hanges beeinflussen. Der Einfluss solcher Ereignisse ist nur sehr schwer unabhängig voneinander abschätzbar. Beispielseise könnte ein Erdbeben die Entwicklung einer Landschaft über Jahrzehnte hin beeinflussen. Hier erforsche ich die Folgen des Kumamoto-Erdbebens 2016 (MW 7.1) das im Zentrum von Kyushu, Japan, ca. 1500 Hangrutschungen in einem Gebiet von ~4000 km^2 ausgelöst hat. Die Topographie (Hangneigung und -krümmung) verstärkte schwächte seismische Wellen gleichermaßen ab, wodurch der Auslösemechanismus dieser Hangrutschungen (z.B. progressiv) gesteuert wird. Ich konnte belegen, dass die Topographie die Verteilung und die bevorzugte Ausrichtung der Hangrutsche nach dem Erdbeben nicht erklären kann; stattdessen waren die Hangrutschungen um den Nordosten des Bruchgebiets herum konzentriert und standen meist senkrecht zur Bruchfläche. Diese bevorzugte Lage der Erdrutsche wurde hauptsächlich durch den Richtwirkungseffekt des Blattverschiebung-Erdbebens dominiert. Bei diesem handelt es sich um die Ausbreitung der Wellenenergie entlang des Bruches in Bruchrichtung, während Amplitudenvariationen der seismischen Strahlung die bevorzugte Orientierung ändern. Ich vermute, dass die Richtwirkung des Erdbebens und die Asymmetrie der seismischen Strahlung die Hangneigung an diesen bevorzugten Stellen schädigten und die Anfälligkeit für Hangrutschungen erhöhten. Daher könnte ein zukünftiges schwaches Ereignis wie z.B. ein unbedeutender Niederschlag an diesen beschädigten Hängen weitere Hangrutschungen auslösen. KW - landslides KW - complex networks KW - event synchronization KW - typhoons KW - Kumamoto earthquake KW - Braunsbach flash flood KW - Hangrutschungen KW - komplexes Netzwerk KW - Synchronisation von Ereignissen KW - Taifune KW - Kumamoto Erdbeben KW - Braunsbach Sturzflut Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426439 ER - TY - THES A1 - Stettner, Samuel T1 - Exploring the seasonality of rapid Arctic changes from space T1 - Erkundung der Saisonalität schneller arktischer Veränderungen aus dem Weltraum BT - monitoring of permafrost disturbance, snow cover and vegetation in tundra environments with TerraSAR-X BT - Überwachung von Permafroststörungen, Schneebedeckung und Vegetation in Tundra-Umgebungen mit TerraSAR-X N2 - Arctic warming has implications for the functioning of terrestrial Arctic ecosystems, global climate and socioeconomic systems of northern communities. A research gap exists in high spatial resolution monitoring and understanding of the seasonality of permafrost degradation, spring snowmelt and vegetation phenology. This thesis explores the diversity and utility of dense TerraSAR-X (TSX) X-Band time series for monitoring ice-rich riverbank erosion, snowmelt, and phenology of Arctic vegetation at long-term study sites in the central Lena Delta, Russia and on Qikiqtaruk (Herschel Island), Canada. In the thesis the following three research questions are addressed: • Is TSX time series capable of monitoring the dynamics of rapid permafrost degradation in ice-rich permafrost on an intra-seasonal scale and can these datasets in combination with climate data identify the climatic drivers of permafrost degradation? • Can multi-pass and multi-polarized TSX time series adequately monitor seasonal snow cover and snowmelt in small Arctic catchments and how does it perform compared to optical satellite data and field-based measurements? • Do TSX time series reflect the phenology of Arctic vegetation and how does the recorded signal compare to in-situ greenness data from RGB time-lapse camera data and vegetation height from field surveys? To answer the research questions three years of TSX backscatter data from 2013 to 2015 for the Lena Delta study site and from 2015 to 2017 for the Qikiqtaruk study site were used in quantitative and qualitative analysis complimentary with optical satellite data and in-situ time-lapse imagery. The dynamics of intra-seasonal ice-rich riverbank erosion in the central Lena Delta, Russia were quantified using TSX backscatter data at 2.4 m spatial resolution in HH polarization and validated with 0.5 m spatial resolution optical satellite data and field-based time-lapse camera data. Cliff top lines were automatically extracted from TSX intensity images using threshold-based segmentation and vectorization and combined in a geoinformation system with manually digitized cliff top lines from the optical satellite data and rates of erosion extracted from time-lapse cameras. The results suggest that the cliff top eroded at a constant rate throughout the entire erosional season. Linear mixed models confirmed that erosion was coupled with air temperature and precipitation at an annual scale, seasonal fluctuations did not influence 22-day erosion rates. The results highlight the potential of HH polarized X-Band backscatter data for high temporal resolution monitoring of rapid permafrost degradation. The distinct signature of wet snow in backscatter intensity images of TSX data was exploited to generate wet snow cover extent (SCE) maps on Qikiqtaruk at high temporal resolution. TSX SCE showed high similarity to Landsat 8-derived SCE when using cross-polarized VH data. Fractional snow cover (FSC) time series were extracted from TSX and optical SCE and compared to FSC estimations from in-situ time-lapse imagery. The TSX products showed strong agreement with the in-situ data and significantly improved the temporal resolution compared to the Landsat 8 time series. The final combined FSC time series revealed two topography-dependent snowmelt patterns that corresponded to in-situ measurements. Additionally TSX was able to detect snow patches longer in the season than Landsat 8, underlining the advantage of TSX for detection of old snow. The TSX-derived snow information provided valuable insights into snowmelt dynamics on Qikiqtaruk previously not available. The sensitivity of TSX to vegetation structure associated with phenological changes was explored on Qikiqtaruk. Backscatter and coherence time series were compared to greenness data extracted from in-situ digital time-lapse cameras and detailed vegetation parameters on 30 areas of interest. Supporting previous results, vegetation height corresponded to backscatter intensity in co-polarized HH/VV at an incidence angle of 31°. The dry, tall shrub dominated ecological class showed increasing backscatter with increasing greenness when using the cross polarized VH/HH channel at 32° incidence angle. This is likely driven by volume scattering of emerging and expanding leaves. Ecological classes with more prostrate vegetation and higher bare ground contributions showed decreasing backscatter trends over the growing season in the co-polarized VV/HH channels likely a result of surface drying instead of a vegetation structure signal. The results from shrub dominated areas are promising and provide a complementary data source for high temporal monitoring of vegetation phenology. Overall this thesis demonstrates that dense time series of TSX with optical remote sensing and in-situ time-lapse data are complementary and can be used to monitor rapid and seasonal processes in Arctic landscapes at high spatial and temporal resolution. N2 - Die Erwärmung der Arktis hat Auswirkungen auf die Stabilität und Funktion terrestrischer arktischer Ökosysteme, auf das globale Klima, sowie auf sozioökonomische Systeme nördlicher Gemeinden. Es besteht eine Forschungslücke bei der Überwachung der Saisonalität von Permafrostdegradation, Schneebedeckung und Vegetationsphänologie. Diese Dissertation untersucht den Nutzen von TerraSAR-X (TSX) X-Band Daten für die Überwachung eisreicher Ufererosion, Schneeschmelze, sowie Phänologie arktischer Vegetation im zentralen Lena Delta in Russland und auf Qikiqtaruk (Herschel Island), Kanada. Die Dynamik intrasaisonaler eisreicher Ufererosion im zentralen Lena-Delta in Russland wurde mit TSX Rückstreuintensitätsbildern quantifiziert und mit optischen Satelliten-Daten und Feldmessungen validiert. Kliff Kanten wurden automatisch aus TSX-Intensitätsbildern extrahiert und in einem Geoinformationssystem mit manuell digitalisierten Kliff Kanten aus optischen Satellitendaten, sowie mit Erosionsraten aus Zeitrafferkameras zusammengeführt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Kliff Kante während der gesamten Auftauzeit mit konstanter Geschwindigkeit zurückzog. Die Verwendung von linearen Mischmodellen bestätigte, dass die Erosion im jährlichen Maßstab mit der Lufttemperatur und dem Niederschlag gekoppelt war, saisonale Schwankungen beeinflussten die Erosionsrate nicht. Die Ergebnisse stützen die Verwendung von TSX zur Überwachung schneller Permafrostdegradation mit hoher zeitlicher Auflösung. Die eindeutige Signatur von nassem Schnee in TSX Rückstreuintensitätsbildern wurde genutzt, um Schneeverteilungskarten (SCE) auf Qikiqtaruk in hoher zeitlicher Auflösung zu erzeugen. Aus TSX abgeleitete SCE zeigten eine große Ähnlichkeit zu SCE aus Landsat 8 Daten. Zeitreihen von prozentualer Schneebedeckung (FSC) wurden aus TSX und optischen SCE extrahiert und mit FSC-Schätzungen aus in-situ Zeitrafferkamera Daten verglichen. Auch hier zeigte TSX eine starke Übereinstimmung mit den in-situ-Daten und verbesserte die zeitliche Auflösung im Vergleich zur Landsat 8 Zeitreihe erheblich. Aus einer finalen kombinierten FSC-Zeitreihe konnten zwei Muster von Schneeschmelzen in ausgewählten Einzugsgebieten abgeleitet werden, die sich mit den in-situ Messungen deckten. Zusätzlich konnte TSX später in der Saison Schnee länger erkennen als Landsat 8, was den Vorteil von TSX zur Erkennung von Altschnee unterstreicht. Die TSX-abgeleiteten Schnee-Informationen lieferten wertvolle Einblicke in die Schneeschmelz-Dynamik auf Qikiqtaruk, welche zuvor nicht verfügbar waren. Die Empfindlichkeit von TSX für Vegetationsstruktur, die mit phänologischen Veränderungen einhergeht, wurde auf Qikiqtaruk untersucht. Rückstreu- und Kohärenzzeitreihen wurden aus 30 Testgebieten extrahiert. Die Rückstreu- und Kohärenzsignale wurden mit Vitalitäts-Daten verglichen, die aus in-situ-Zeitrafferkamera Zeitreihen extrahiert wurden. Die Ergebnisse zeigten einen Zusammenhang zwischen Vegetationshöhe und der Rückstreuintensität in HH / VV polarisierten Daten bei einem Einfallswinkel von 31 °. Ferner zeigte die ökologische Klasse mit einer Kombination von hohen Sträuchern und trockenen Oberflächenbedingungen eine zunehmende Rückstreuung mit zunehmende Pflanzenvitalität, wenn der kreuzpolarisierte VH / HH-Kanal bei 32 ° Einfallswinkel verwendet wurde. Die Ergebnisse aus strauchdominierten Klassen sind vielversprechend und liefern eine ergänzende Datenquelle für zeitlich hochaufgelöste Beobachtung der Vegetationsphänologie. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass TSX X-Band-Daten schnelle und saisonale Prozesse in arktischen Landschaften mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung überwachen können. KW - SAR KW - remote sensing KW - arctic KW - SAR KW - Fernerkundung KW - Arktis Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-425783 ER - TY - THES A1 - Ramage, Justine Lucille T1 - Impact of Hillslope Thermokarst on the Nearshore Carbon Budget Along the Yukon Coast, Canada N2 - In ice-rich permafrost regions, changes in the permafrost thermal regime cause surface disturbances. These changes are amplified by the increase in air temperatures recorded in the Arctic in the past decades. Thermokarst is a process that leads to surface subsidence and formation of characteristic landforms following thawing of ice-rich permafrost or melting of massive ice. Thermokarst is widespread on hillslopes and the number of associated landforms is increasing in the Arctic. Through this process large amounts of material are eroded and transported to the sea or accumulate along hillslopes. While hillslope thermokarst modifies terrestrial and aquatic ecosystems, there is limited understanding of its environmental impact at a regional scale. In this thesis we quantify the environmental impacts of hillslope thermokarst on the valley and nearshore ecosystems along the Yukon Coast, Canada. Using supervised machine learning, we identified geomorphic factors that favour the development of coastal retrogressive thaw slump (RTS), one of the most dynamic hillslope thermokarst landform. Coastal geomorphology and ground ice type and content play a major role in RTS occurrence. Using aerial photographs and satellite imagery, we traced the evolution of RTSs between 1952 and 2011. During this time, the number and areal coverage of RTSs increased by 73%. RTSs eroded and partly released to the nearshore zone organic carbon contained in millions of cubic meters of material. Our results show that 56% of the RTSs identified along the coast in 2011 have eroded 16.6 × 10^6 m3 of material; a large part (45%) was transported alongshore due to coastal processes. Moreover, we show that RTSs are a major contributor to the carbon budget in the nearshore ecosystem: 17% of the coastal RTSs identified in 2011 contributed annually up to 0.6% of the organic carbon released by coastal retreat along the Yukon Coast. To assess the impact of hillslope thermokarst on the terrestrial ecosystem, we measured the spatial distribution of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) along hillslopes in three Arctic valleys. We highlight the high spatial variability in the distribution of SOC and TN in the valleys. This distribution is caused by complex soil processes occurring along the hillslopes. Hillslope thermokarst impacts the degradation of organic matter and affects the storage of SOC and TN. N2 - Veränderungen im thermalen Regime des Permafrosts verursachen Störungen der Erdoberfläche. Diese Veränderungen werden durch die in der Arktis seit Jahrzehnten ansteigenden Temperaturen verstärkt. Thermokarst ist ein Prozess, welcher die Erdoberfläche durch Schmelzen von Grundeis, oder Auftauen von Permafrost absacken lässt, wodurch charakteristische Landformen entstehen. Thermokarst ist vor allem entlang von Hängen weit verbreitet und die Anzahl der damit verbundenen Landformen in der Arktis steigt stetig an. Dieser Prozess mobilisiert große Mengen an Material, welche in Richtung Meer transportiert oder entlang von Hängen akkumuliert werden. Während entlang von Hängen auftretender Thermokarst terrestrische sowie aquatische Ökosysteme stark verändert, ist dessen Einfluss auf regionaler Skala zurzeit noch Gegenstand der Forschung. In dieser Arbeit quantifizieren wir die Auswirkungen von Thermokarstprozessen entlang von Hängen auf die umliegenden Ökosysteme der küstennahen Täler und Nahküstenbereiche entlang der Yukon Küste in Kanada. Mittels überwachtem maschinellen Lernen haben wir geomorphische Faktoren identifiziert, welche die Entwicklung von retrogressiven Auftaurutschungen (RTS) begünstigen. RTS sind eine Erscheinungsform von Thermokarst entlang von Hängen. Die Küstengeomorphologie, sowie der Grundeistyp und -inhalt sind die wesentlichen bestimmenden Faktoren für das Auftreten von RTS. Wir haben Luftbildaufnahmen und Satellitenbilder genutzt, um die Evolution von RTS im Zeitraum von 1952 bis 2011 zu verfolgen. Während dieser Zeit ist die Anzahl und Ausdehnung von RTS linear angestiegen. Wir zeigen, dass 56% der RTS welche entlang der Küste in 2011 identifiziert wurden, 16.6 × 106 m3 an Material erodiert haben. Hiervon wurden 45% durch Küstenprozesse entlang der Küste transportiert. RTS tragen wesentlich zu dem Kohlenstoff-Budget des Nahküstenbereiches bei: 17% der in 2011 identifizierten RTS, haben 0.6% des organischen Kohlenstoffes transportiert, welcher durch Küstenerosion entlang der Yukon Küste jährlich freigesetzt wird. Um den Einfluss von Thermokarst entlang von Hängen auf das terrestrische Ökosystem zu beurteilen, haben wir die räumliche Verteilung von organischem Bodenkohlenstoff und Stickstoff (SOC, TN) entlang von Hangprofilen in drei arktischen Tälern analysiert.Wir weisen auf eine hohe räumliche Variabilität in der Verteilung von SOC und TN hin, welche auf komplexe Bodenprozesse zurückzuführen ist, welche entlang von Hängen auftreten. Thermokarst entlang von Hängen hat einen großen Einfluss auf die Degradierung von organischem Material und die Speicherung von SOC und TN. N2 - Le changement climatique est la cause de la dégradation rapide du pergélisol à travers les régions arctiques et subarctiques. Cette dégradation s’exprime par des changements dans la taille, l’abondance et la structure des glissements rétrogressifs dus au dégel (GRD) et autres processus de pente thermokarstiques. Ces processus d’érosion des pentes contribuent au transport de sédiments vers l’Océan Arctique. Bien que l’impact des processus thermokarstiques sur les écosystèmes terrestres et aquatiques soit reconnu, il n’y a toujours pas d’étude qui quantifie leurs impacts sur les écosystèmes côtiers de l’Arctique. Dans cette thèse, nous quantifions les impacts des thermokarstes de pente dans les vallées et le long de la côte du Yukon, Canada. Nous avons utilisé des méthodes statistiques telles que les arbres de classification et les régressions logistiques pour identifier les facteurs qui favorisent le développement des GRD, un des modelés de dégradation du pergélisol le plus actif. La géomorphologie côtière ainsi que la nature et la quantité de glace dans le sol jouent un rôle prépondérant dans le développement des GRD. En utilisant des images satellite et des photos aériennes, nous avons suivi l’évolution des glissements rétrogressifs dus au dégel entre 1952 et 2011. Sur cette période, le nombre et l’étendue des GRD ont augmenté de 73% le long de la côte du Yukon. Les GRD ont érodé et partiellement relâché dans l’océan du carbon organic contenu dans des millions de mètres cubes de sédiments. Nos résultats montrent que 56% des GRD identifiés le long de la côte en 2011 ont érodé 16.6 × 106 m3 de sédiments; 45% a été transporté dans l’océan. De plus, notre étude montre que les GRD ont un rôle majeur sur le budget du carbone dans les milieux côtiers : 17% des GRD identifiés en 2011 ont relâché 0.6% du carbone érodé annuellement du fait de l’érosion côtière. Nous avons aussi étudié la dégradation du pergélisol le long des pentes des vallées périglaciaires, dans l’objectif de comprendre leurs impacts sur les sols et sur les stocks de carbone et d’azote. Nos résultats montrent qu’il y a une grande variabilité dans la distribution du carbone et de l’azote dans les vallées. Ces disparités sont causées par de complexes processus thermiques au niveau des sols. Les processus de pente thermokarstiques ont un impact important sur la dégradation de la matière organique dans les sols et affectent le stockage du carbone et de l’azote dans les régions Arctiques de pergélisol. KW - permafrost KW - thermokarst KW - soil organic carbon KW - retrogressive thaw slump KW - thermoerosion KW - carbon budget KW - Permafrost KW - thermokarst KW - Bodenkohlenstoff KW - retrogressiven Auftaurutschungen KW - thermoerosion KW - Kohlenstoff-Budget Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421867 ER - TY - THES A1 - Angermann, Lisa T1 - Hillslope-stream connectivity across scales T1 - Mehrskalige Untersuchung der Hang-Bach Konnektivität N2 - The concept of hydrologic connectivity summarizes all flow processes that link separate regions of a landscape. As such, it is a central theme in the field of catchment hydrology, with influence on neighboring disciplines such as ecology and geomorphology. It is widely acknowledged to be an important key in understanding the response behavior of a catchment and has at the same time inspired research on internal processes over a broad range of scales. From this process-hydrological point of view, hydrological connectivity is the conceptual framework to link local observations across space and scales. This is the context in which the four studies this thesis comprises of were conducted. The focus was on structures and their spatial organization as important control on preferential subsurface flow. Each experiment covered a part of the conceptualized flow path from hillslopes to the stream: soil profile, hillslope, riparian zone, and stream. For each study site, the most characteristic structures of the investigated domain and scale, such as slope deposits and peat layers were identified based on preliminary or previous investigations or literature reviews. Additionally, further structural data was collected and topographical analyses were carried out. Flow processes were observed either based on response observations (soil moisture changes or discharge patterns) or direct measurement (advective heat transport). Based on these data, the flow-relevance of the characteristic structures was evaluated, especially with regard to hillslope to stream connectivity. Results of the four studies revealed a clear relationship between characteristic spatial structures and the hydrological behavior of the catchment. Especially the spatial distribution of structures throughout the study domain and their interconnectedness were crucial for the establishment of preferential flow paths and their relevance for large-scale processes. Plot and hillslope-scale irrigation experiments showed that the macropores of a heterogeneous, skeletal soil enabled preferential flow paths at the scale of centimeters through the otherwise unsaturated soil. These flow paths connected throughout the soil column and across the hillslope and facilitated substantial amounts of vertical and lateral flow through periglacial slope deposits. In the riparian zone of the same headwater catchment, the connectivity between hillslopes and stream was controlled by topography and the dualism between characteristic subsurface structures and the geomorphological heterogeneity of the stream channel. At the small scale (1 m to 10 m) highest gains always occurred at steps along the longitudinal streambed profile, which also controlled discharge patterns at the large scale (100 m) during base flow conditions (number of steps per section). During medium and high flow conditions, however, the impact of topography and parafluvial flow through riparian zone structures prevailed and dominated the large-scale response patterns. In the streambed of a lowland river, low permeability peat layers affected the connectivity between surface water and groundwater, but also between surface water and the hyporheic zone. The crucial factor was not the permeability of the streambed itself, but rather the spatial arrangement of flow-impeding peat layers, causing increased vertical flow through narrow “windows” in contrast to predominantly lateral flow in extended areas of high hydraulic conductivity sediments. These results show that the spatial organization of structures was an important control for hydrological processes at all scales and study areas. In a final step, the observations from different scales and catchment elements were put in relation and compared. The main focus was on the theoretical analysis of the scale hierarchies of structures and processes and the direction of causal dependencies in this context. Based on the resulting hierarchical structure, a conceptual framework was developed which is capable of representing the system’s complexity while allowing for adequate simplifications. The resulting concept of the parabolic scale series is based on the insight that flow processes in the terrestrial part of the catchment (soil and hillslopes) converge. This means that small-scale processes assemble and form large-scale processes and responses. Processes in the riparian zone and the streambed, however, are not well represented by the idea of convergence. Here, the large-scale catchment signal arrives and is modified by structures in the riparian zone, stream morphology, and the small-scale interactions between surface water and groundwater. Flow paths diverge and processes can better be represented by proceeding from large scales to smaller ones. The catchment-scale representation of processes and structures is thus the conceptual link between terrestrial hillslope processes and processes in the riparian corridor. N2 - Das Konzept der hydrologischen Konnektivität umfasst alle Fließprozesse, welche verschiedene Bereiche einer Landschaft verbinden. Als solches ist es ein zentrales Thema in dem Forschungsbereich der Einzugsgebietshydrologie und beeinflusst auch benachbarte Disziplinen wie die Ökologie oder die Geomorphologie. Es ist allgemein akzeptiert, dass das Konzept der Konnektivität ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis von Einzugsgebietsdynamiken ist, gleichzeitig inspiriert es die Erforschung interner Prozesse auf verschiedenen Skalen. Von dieser prozesshydrologischen Perspektive gesehen, bietet Konnektivität einen konzeptionellen Rahmen, um lokale Beobachtungen über Raum und Skalen miteinander in Verbindung zu setzen. In diesem Kontext stehen die vier Studien dieser Doktorarbeit. Der Fokus lag dabei auf räumlichen Strukturen als wichtigem Kontrollfaktor für präferentielle Fließpfade als spezieller Form unterirdischer Fließprozesse. Die Experimente deckten dabei je einen Abschnitt des konzeptionellen Fließweges vom Hang zum Bach exemplarisch ab: Bodenprofil und Hang, Hang und Auenbreich, und Bachbett. Für alle vier Studien wurden zunächst charakteristische Strukturen des Untersuchungsgebietes wie Schuttablagerungen am Hang oder Torfschichten im Flussbett auf Basis vorausgehender Untersuchungen und Literaturrecherchen identifiziert. Zusätzlich wurden weitere strukturelle Daten erfasst und digitale Geländemodelle ausgewertet. Anschließend wurde die Prozessrelevanz dieser Strukturen, vor allem im Hinblick auf die Hang-Bach-Konnektivität, untersucht. Die Ergebnisse der einzelnen Studien zeigten eine deutliche Verbindung zwischen den charakteristischen räumlichen Strukturen und dem hydrologischen Verhalten des untersuchten Gebietes. Insbesondere die räumliche Anordnung von Strukturen, d.h. die räumliche Verteilung und der Grad der Konnektivität der Strukturen, war ausschlaggebend für die Ausbildung präferenzieller Fließpfade und deren Relevanz für größerskalige Prozesse. Die räumliche Organisation von Strukturen war in allen Untersuchungsgebieten ein wichtiger Kontrollfaktor für hydrologische Prozesse. Die Beobachtungen auf verschiedenen Skalen und verschiedener Fließpfadabschnitte wurden miteinander in Verbindung gesetzt und verglichen. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der theoretischen Analyse der Skalenhierarchie von Strukturen und Prozessen und der Richtung der Kausalität in diesem Zusammenhang. Auf dieser Grundlage wurde als Synthese der einzelnen Studien ein Konzept entwickelt, welches in der Lage ist, die Komplexität eines Einzugsgebietes abzubilden und gleichzeitig adequate Vereinfachungen zuzulassen. Diese Konzept der parabelförmigen Skalenabfolge beruht auf der Erkenntnis, dass Fließprozesse im terrestrischen Bereich eines Einzugsgebietes, also im Boden und den Hängen, vorwiegend konvergieren und sich von der kleinen Skala zur größeren hin zusammenfügen. Die Prozesse in der Aue und dem Bachbett werden von diesem Prinzip der Konvergenz allerding nicht abgebildet. Die in den Böden und an den Hängen erzeugten Fließmuster des Einzugsgebiets werden von den Strukturen in der Aue, der Morphologie des Baches und den kleinskaligen Wechselwirkungen zwischen Fließgewässer und Sediment überprägt. Die Fließprozesse divergieren, und eine Beschreibung von der großen Skala hin zur kleineren ist hier besser geeignet. Die räumlich diskrete oder konzeptionelle Darstellung von Prozessen auf der Einzugsgebietsskala bietet so die Verbindung zwischen terrestrischer Hanghydrologie und der bachseitigen Auenhydrologie. KW - catchment hydrology KW - hillslope hydrology KW - riparian zone KW - hyporheic zone KW - Einzugsgebietshydrologie KW - Hanghydrologie KW - Auenbereich KW - hyporheische Zone Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424542 ER - TY - THES A1 - Agarwal, Ankit T1 - Unraveling spatio-temporal climatic patterns via multi-scale complex networks T1 - Aufklärung raumzeitlicher Klimamuster über komplexe Netzwerke mit mehreren Maßstäben N2 - The climate is a complex dynamical system involving interactions and feedbacks among different processes at multiple temporal and spatial scales. Although numerous studies have attempted to understand the climate system, nonetheless, the studies investigating the multiscale characteristics of the climate are scarce. Further, the present set of techniques are limited in their ability to unravel the multi-scale variability of the climate system. It is completely plausible that extreme events and abrupt transitions, which are of great interest to climate community, are resultant of interactions among processes operating at multi-scale. For instance, storms, weather patterns, seasonal irregularities such as El Niño, floods and droughts, and decades-long climate variations can be better understood and even predicted by quantifying their multi-scale dynamics. This makes a strong argument to unravel the interaction and patterns of climatic processes at different scales. With this background, the thesis aims at developing measures to understand and quantify multi-scale interactions within the climate system. In the first part of the thesis, I proposed two new methods, viz, multi-scale event synchronization (MSES) and wavelet multi-scale correlation (WMC) to capture the scale-specific features present in the climatic processes. The proposed methods were tested on various synthetic and real-world time series in order to check their applicability and replicability. The results indicate that both methods (WMC and MSES) are able to capture scale-specific associations that exist between processes at different time scales in a more detailed manner as compared to the traditional single scale counterparts. In the second part of the thesis, the proposed multi-scale similarity measures were used in constructing climate networks to investigate the evolution of spatial connections within climatic processes at multiple timescales. The proposed methods WMC and MSES, together with complex network were applied to two different datasets. In the first application, climate networks based on WMC were constructed for the univariate global sea surface temperature (SST) data to identify and visualize the SSTs patterns that develop very similarly over time and distinguish them from those that have long-range teleconnections to other ocean regions. Further investigations of climate networks on different timescales revealed (i) various high variability and co-variability regions, and (ii) short and long-range teleconnection regions with varying spatial distance. The outcomes of the study not only re-confirmed the existing knowledge on the link between SST patterns like El Niño Southern Oscillation and the Pacific Decadal Oscillation, but also suggested new insights into the characteristics and origins of long-range teleconnections. In the second application, I used the developed non-linear MSES similarity measure to quantify the multivariate teleconnections between extreme Indian precipitation and climatic patterns with the highest relevance for Indian sub-continent. The results confirmed significant non-linear influences that were not well captured by the traditional methods. Further, there was a substantial variation in the strength and nature of teleconnection across India, and across time scales. Overall, the results from investigations conducted in the thesis strongly highlight the need for considering the multi-scale aspects in climatic processes, and the proposed methods provide robust framework for quantifying the multi-scale characteristics. N2 - Das Klima ist ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Mechanismen und Rückkopplungen auf mehreren zeitlichen und räumlichen Skalen. Viele Studien beschäftigten sich mit dem diesem System, nur wenige jedoch konzentrierten sich auf das Multiskalenverhalten des Klimas. Vor allem die bis dato verfügbaren Techniken schränkten eine vertiefte Analyse der Klimavariabilität auf unterschiedlichen Skalen ein. Von großen Interesse in der aktuellen Klimaforschung sind Extremereignisse und plötzliche Veränderungen, welche höchstwahrscheinlich aus dem Zusammenwirken von Prozessen auf unterschiedlichen Skalen hervorgehen. Um Stürme, wiederkehrende Wetterlagen, jahreszeitliche Phänomene wie El Niño, Fluten, Dürren oder Klimaschwankungen über Jahrzehnte besser zu verstehen oder sogar vorhersagen zu können, müssen wir deren Dynamik auf unterschiedlichen Skalen quantifizieren. In der vorliegenden Arbeit werden Mittel und Wege präsentiert um das Zusammenwirken auf verschiedenen Skalen im Klimasystem besser zu verstehen und zu quantifizieren. Im ersten Teil dieser Arbeit stelle ich zwei Methoden, multi-scale event synchronization (MSES) und wavelet multi-scale correlation (WMC) vor, welche skalenspezifischen Eigenschaften in klimatischen Prozessen abbilden. Die vorgestellte Methode wurde mit mehreren synthetischen und realen Zeitreihen getestet um ihre Anwendbarkeit und Reproduzierbarkeit zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Methoden Beziehungen auf unterschiedlichen zeitlichen Skalen detaillierter als traditionelle Ansätze abbilden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit bilde ich klimatische Netzwerke mithilfe eines Maßes zur Ähnlichkeit auf Multiskalen. Dabei untersuche ich die Entwicklung von räumlichen Beziehungen um klimatische Prozesse auf mehreren Zeitskalen zu verstehen. Die Methoden WMC und MSES werden zusammen mit komplexen Netzwerken auf zwei Datensätze angewendet. In der ersten Anwendung werden klimatische Netzwerke mit WMC für univariate globale Meeresoberflächentemperaturen gebildet. Auf unterschiedlichen Zeitskalen sollen dabei kurze und lange Fernwirkungen, welche andernfalls auf einer einzigen Zeitskale unerkannt blieben, entdeckt werden. In diesem Klimanetzwerk ließ sich eine starke Variabilität über die Zeit feststellen, was auf eine skalenfreie und kleinräumige Netzstruktur auf großem, beziehungsweise kleinem Maßstab schließen lässt. Weitere Untersuchungen von Klimanetzwerken auf unterschiedlichen Zeitskalen zeigte (i) hohe Variabilität und Co-Variabilität in Regionen, und (ii) Fernbeziehungen auf kurzen und langen Entfernungen mit variabler räumlicher Distanz. Die Ergebnisse bestätigen bekannte physikalischen Wechselwirkungen und daher auch die Stärken meines Ansatzes. Dadurch ergeben sich neue Einblicke in die Klimatologie von Ozeanen, sodass beispielsweise konvektive Prozesse in der Atmosphäre eine Abhängigkeit über weite Entfernungen aufweisen können. In der zweiten Anwendung verwendeten wir das von mir entwickelte, nicht-lineare MSES Ähnlichkeitsmaß um multivariate Fernbeziehungen zwischen Starkniederschlägen und klimatischen Mustern über Indien zu quantifizieren. Unsere Ergebnisse bestätigen signifikante, nicht-lineare Einflüsse, welche von traditionellen Methoden bisher unzureichend abgebildet wurden. Des Weiteren fanden wir deutliche Schwankungen in der Stärke und in der Ausprägung von Fernbeziehungen über Indien und über Zeitskalen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Fallstudien, dass Multiskalen in Klimaprozessen entschieden berücksichtigt werden müssen und dass der entwickelte methodische Rahmen adäquat die charakteristischen Prozesse quantifizieren kann. KW - complex network KW - wavelet KW - climate global and local patterns KW - extreme events KW - multiscale network KW - event synchronization KW - komplexes Netzwerk KW - Wavelet KW - globale und lokale Muster des Klimas KW - extreme Ereignisse KW - Multiskalen Netzwerk KW - Ereignissynchronisation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423956 ER - TY - THES A1 - Hesse, Cornelia T1 - Integrated water quality modelling in meso- to large-scale catchments of the Elbe river basin under climate and land use change T1 - Integrierte Gewässergütemodellierung in mittel- bis großskaligen Einzugsgebieten der Elbe unter dem Einfluss von Klima- und Landnutzungsänderungen N2 - In einer sich ändernden Umwelt sind Fließgewässerökosysteme vielfältigen direkten und indirekten anthropogenen Belastungen ausgesetzt, die die Gewässer sowohl in ihrer Menge als auch in ihrer Güte beeinträchtigen können. Ein übermäßiger Eintrag von Nährstoffen verursacht etwa Massenentwicklungen von Algen und Sauerstoffdefizite in den Gewässern, was zum Verfehlen der Ziele der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) führen kann. In vielen europäischen Einzugsgebieten und auch dem der Elbe sind solche Probleme zu beobachten. Während der letzten Jahrzehnte entstanden diverse computergestützte Modelle, die zum Schutz und Management von Wasserressourcen genutzt werden können. Sie helfen beim Verstehen der Nährstoffprozesse und Belastungspfade in Einzugsgebieten, bei der Abschätzung möglicher Folgen von Klima- und Landnutzungsänderungen für die Wasserkörper, sowie bei der Entwicklung eventueller Kompensationsmaßnahmen. Aufgrund der Vielzahl an sich gegenseitig beeinflussenden Prozessen ist die Modellierung der Wasserqualität komplexer und aufwändiger als eine reine hydrologische Modellierung. Ökohydrologische Modelle zur Simulation der Gewässergüte, einschließlich des Modells SWIM (Soil and Water Integrated Model), bedürfen auch häufig noch einer Weiterentwicklung und Verbesserung der Prozessbeschreibungen. Aus diesen Überlegungen entstand die vorliegende Dissertation, die sich zwei Hauptanliegen widmet: 1) einer Weiterentwicklung des Nährstoffmoduls des ökohydrologischen Modells SWIM für Stickstoff- und Phosphorprozesse, und 2) der Anwendung des Modells SWIM im Elbegebiet zur Unterstützung eines anpassungsfähigen Wassermanagements im Hinblick auf mögliche zukünftige Änderungen der Umweltbedingungen. Die kumulative Dissertation basiert auf fünf wissenschaftlichen Artikeln, die in internationalen Zeitschriften veröffentlicht wurden. Im Zuge der Arbeit wurden verschiedene Modellanpassungen in SWIM vorgenommen, wie etwa ein einfacher Ansatz zur Verbesserung der Simulation der Wasser- und Nährstoffverhältnisse in Feuchtgebieten, ein um Ammonium erweiterter Stickstoffkreislauf im Boden, sowie ein Flussprozessmodul, das Umwandlungsprozesse, Sauerstoffverhältnisse und Algenwachstum im Fließgewässer simuliert, hauptsächlich angetrieben von Temperatur und Licht. Auch wenn dieser neue Modellansatz ein sehr komplexes Modell mit einer Vielzahl an neuen Kalibrierungsparametern und steigender Unsicherheit erzeugte, konnten gute Ergebnisse in den Teileinzugsgebieten und dem gesamten Gebiet der Elbe erzielt werden, so dass das Modell zur Abschätzung möglicher Folgen von Klimavariabilitäten und veränderten anthropogenen Einflüssen für die Gewässergüte genutzt werden konnte. Das neue Fließgewässermodul ist ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Nährstoffmodellierung in SWIM, vor allem für Stoffe, die hauptsächlich aus Punktquellen in die Gewässer gelangen (wie z.B. Phosphat). Der neue Modellansatz verbessert zudem die Anwendbarkeit von SWIM für Fragestellungen im Zusammenhang mit der WRRL, bei der biologische Qualitätskomponenten (wie etwa Phytoplankton) eine zentrale Rolle spielen. Die dargestellten Ergebnisse der Wirkungsstudien können bei Entscheidungsträgern und anderen Akteuren das Verständnis für zukünftige Herausforderungen im Gewässermanagement erhöhen und dazu beitragen, ein angepasstes Management für das Elbeeinzugsgebiet zu entwickeln. N2 - In a changing world facing several direct or indirect anthropogenic challenges the freshwater resources are endangered in quantity and quality. An excessive supply of nutrients, for example, can cause disproportional phytoplankton development and oxygen deficits in large rivers, leading to failure of the aims requested by the Water Framework Directive (WFD). Such problems can be observed in many European river catchments including the Elbe basin, and effective measures for improving water quality status are highly appreciated. In water resources management and protection, modelling tools can help to understand the dominant nutrient processes and to identify the main sources of nutrient pollution in a watershed. They can be effective instruments for impact assessments investigating the effects of changing climate or socio-economic conditions on the status of surface water bodies, and for testing the usefulness of possible protection measures. Due to the high number of interrelated processes, ecohydrological model approaches containing water quality components are more complex than the pure hydrological ones, and their setup and calibration require more efforts. Such models, including the Soil and Water Integrated Model (SWIM), still need some further development and improvement. Therefore, this cumulative dissertation focuses on two main objectives: 1) the approach-related objectives aiming in the SWIM model improvement and further development regarding nutrient (nitrogen and phosphorus) process description, and 2) the application-related objectives in meso- to large-scale Elbe river basins to support adaptive river basin management in view of possible future changes. The dissertation is based on five scientific papers published in international journals and dealing with these research questions. Several adaptations were implemented in the model code to improve the representation of nutrient processes including a simple wetland approach, an extended by ammonium nitrogen cycle in the soils, as well as a detailed in-stream module, simulating algal growth, nutrient transformation processes and oxygen conditions in the river reaches, mainly driven by water temperature and light. Although this new approaches created a highly complex ecohydrological model with a large number of additional calibration parameters and rising uncertainty, the calibration and validation of the SWIM model enhanced by the new approaches in selected subcatchment and the entire Elbe river basin delivered satisfactory to good model results in terms of criteria of fit. Thus, the calibrated and validated model provided a sound base for the assessment of possible future changes and impacts in climate, land use and management in the Elbe river (sub)basin(s). The new enhanced modelling approach improved the applicability of the SWIM model for the WFD related research questions, where the ability to consider biological water quality components (such as phytoplankton) is important. It additionally enhanced its ability to simulate the behaviour of nutrients coming mainly from point sources (e.g. phosphate phosphorus). Scenario results can be used by decision makers and stakeholders to find and understand future challenges and possible adaptation measures in the Elbe river basin. KW - Elbe KW - SWIM KW - Wassergütemodellierung KW - water quality modelling KW - Nährstoffe KW - nutrients KW - Nährstoffretention KW - nutrient retention KW - Flussprozesse KW - in-stream processes KW - climate change KW - land use change KW - Klimaänderung KW - Landnutzungsänderung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422957 ER - TY - THES A1 - Witt, Tanja Ivonne T1 - Camera Monitoring at volcanoes T1 - Kameramonitoring an Vulkanen BT - Identification and characterization of lava fountain activity and near-vent processes and their relevance for early warning systems BT - Identifikation und Charakterizierung der Aktivität von Lavafontänen und Near-Vent Prozesse und deren Relevanz für Frühwarnsysteme N2 - Basaltic fissure eruptions, such as on Hawai'i or on Iceland, are thought to be driven by the lateral propagation of feeder dikes and graben subsidence. Associated solid earth processes, such as deformation and structural development, are well studied by means of geophysical and geodetic technologies. The eruptions themselves, lava fountaining and venting dynamics, in turn, have been much less investigated due to hazardous access, local dimension, fast processes, and resulting poor data availability. This thesis provides a detailed quantitative understanding of the shape and dynamics of lava fountains and the morphological changes at their respective eruption sites. For this purpose, I apply image processing techniques, including drones and fixed installed cameras, to the sequence of frames of video records from two well-known fissure eruptions in Hawai'i and Iceland. This way I extract the dimensions of multiple lava fountains, visible in all frames. By putting these results together and considering the acquisition times of the frames I quantify the variations in height, width and eruption velocity of the lava fountains. Then I analyse these time-series in both time and frequency domains and investigate the similarities and correlations between adjacent lava fountains. Following this procedure, I am able to link the dynamics of the individual lava fountains to physical parameters of the magma transport in the feeder dyke of the fountains. The first case study in this thesis focuses on the March 2011 Pu'u'O'o eruption, Hawai'i, where a continuous pulsating behaviour at all eight lava fountains has been observed. The lava fountains, even those from different parts of the fissure that are closely connected, show a similar frequency content and eruption behaviour. The regular pattern in the heights of lava fountain suggests a controlling process within the magma feeder system like a hydraulic connection in the underlying dyke, affecting or even controlling the pulsating behaviour. The second case study addresses the 2014-2015 Holuhraun fissure eruption, Iceland. In this case, the feeder dyke is highlighted by the surface expressions of graben-like structures and fault systems. At the eruption site, the activity decreases from a continuous line of fire of ~60 vents to a limited number of lava fountains. This can be explained by preferred upwards magma movements through vertical structures of the pre-eruptive morphology. Seismic tremors during the eruption reveal vent opening at the surface and/or pressure changes in the feeder dyke. The evolving topography of the cinder cones during the eruption interacts with the lava fountain behaviour. Local variations in the lava fountain height and width are controlled by the conduit diameter, the depth of the lava pond and the shape of the crater. Modelling of the fountain heights shows that long-term eruption behaviour is controlled mainly by pressure changes in the feeder dyke. This research consists of six chapters with four papers, including two first author and two co-author papers. It establishes a new method to analyse lava fountain dynamics by video monitoring. The comparison with the seismicity, geomorphologic and structural expressions of fissure eruptions shows a complex relationship between focussed flow through dykes, the morphology of the cinder cones, and the lava fountain dynamics at the vents of a fissure eruption. N2 - Basaltische Spalteneruptionen, wie auf Hawaii oder Island, werden vermutlich durch die laterale Ausbreitung von Förderdikes und damit verbundener Grabenbildung verursacht. Prozesse der festen Erde sind mittels geophysikalischer und geodätischer Technologien gut erforscht. Die Ausbrüche selbst, d.h. die Lavafontä}nen und die Ventdynamik wiederum wurden aufgrund des gefährlichen Zugangs, der lokalen Dimension, der schnellen Prozesse und der daraus resultierenden schlechten Datenverfügbarkeit kaum untersucht. Diese Arbeit liefert ein detailliertes quantitatives Verständnis über Form und Dynamik von Lavafontänen und der morphologischen Veränderungen an ihren jeweiligen Eruptionsstellen. Mittels Bildverarbeitungstechniken, einschließlich Dronen und festen Kameras, wurden von mir die Videoframes von zwei bekannten Spaltausbrüchen auf Hawaii und Island ausgewertet. Auf diese Weise extrahiere ich die Dimensionen mehrerer Lavafontänen, die in allen Frames sichtbar sind. Durch die Zusammenstellung dieser Ergebnisse und unter Berücksichtigung der Erfassungszeiten quantifiziere ich die Schwankungen in Höhe, Breite und Eruptionsgeschwindigkeit. Dann analysiere ich diese Zeitreihen im Zeit- und Frequenzbereich und untersuche die Ähnlichkeiten und Zusammenhänge zwischen benachbarten Lavafontänen. Anschließend verknüpfte ich die Dynamik der einzelnen Lavafontänen mit den physikalischen Parametern des Magmatransports im Förderdike. Die erste Fallstudie dieser Arbeit konzentriert sich auf die Pu'u'O'o Ausbruch, Hawaii im März 2011, bei der ein kontinuierliches pulsierendes Verhalten an allen Lavafontänen beobachtet werden konnte. Lavafontänen verschiedener Teilsegmenten der Spalte sind eng miteinander verbunden, sie weisen Ähnlichkeiten im Frequenzgehalt und Ausbruchsverhalten auf. Das regelmäßige Muster in den Lavafontänenhöhen deutet auf eine hydraulische Verbindung im darunter liegenden Dike als steuernden Prozess innerhalb des Magma-Fördersystems hin. Die zweite Fallstudie befasst sich mit dem Holuhraun-Ausbruch 2014/2015. In diesem Fall wird der horizontale Förderdike durch grabenartige Strukturen und Bruchsysteme an der Oberfläche hervorgehoben. An der Ausbruchsstelle nimmt die Aktivität von einer kontinuierlichen Feuerlinie auf einzelne Lavafontänen ab. Dies lässt sich durch eine bevorzugte Aufwärtsbewegung des Magmas durch vertikale Strukturen der prä-eruptiven Morphologie erklären. Seismische Erschütterungen während des Ausbruchs zeigen Ventöffnungen an der Oberfläche und/oder Druckveränderungen im Förderdike. Die sich während des Ausbruchs entwickelnde Topographie der Schlackenkegel interagiert mit dem Verhalten der Lavafontänen. Lokale Schwankungen in Höhe und Breite der Lavafontäne werden jedoch durch den Schlotdurchmesser, die Tiefe des Lavaponds und die Form des Kraters gesteuert. Die Modellierung der Fontänenhöhe zeigt, dass das langfristige Ausbruchsverhalten vor allem durch Druckänderungen im Förderdike gesteuert wird. Diese Forschungsarbeit besteht aus sechs Kapiteln mit je zwei Papern als Erst- bzw. Co-Autor. Es etabliert eine neue Methode zur Analyse der Dynamik von Lavafontänen durch Videoüberwachung. Der Vergleich mit der Seismizität, den geomorphologischen und strukturellen Ausprägungen von Spalteneruptionen zeigt einen komplexen Zusammenhang zwischen der Dikeströmung, der Vulkanmorphologie und der Dynamik der Lavafontänen an einer Spalteneruption. KW - volcanology KW - Spalteneruption KW - fissure eruption KW - Vulkanologie KW - lava fountains KW - video analysis KW - basaltic volcanoes KW - Lavafontänen KW - Videoanalyse KW - Basalt-Vulkane Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421073 ER - TY - THES A1 - Eugster, Patricia T1 - Landscape evolution in the western Indian Himalaya since the Miocene T1 - Landschaftsentwicklung im westlichen indischen Himalaja seit dem Miozän N2 - The Himalayan arc stretches >2500 km from east to west at the southern edge of the Tibetan Plateau, representing one of the most important Cenozoic continent-continent collisional orogens. Internal deformation processes and climatic factors, which drive weathering, denudation, and transport, influence the growth and erosion of the orogen. During glacial times wet-based glaciers sculpted the mountain range and left overdeepend and U-shaped valleys, which were backfilled during interglacial times with paraglacial sediments over several cycles. These sediments partially still remain within the valleys because of insufficient evacuation capabilities into the foreland. Climatic processes overlay long-term tectonic processes responsible for uplift and exhumation caused by convergence. Possible processes accommodating convergence within the orogenic wedge along the main Himalayan faults, which divide the range into four major lithologic units, are debated. In this context, the identification of processes shaping the Earth’s surface on short- and on long-term are crucial to understand the growth of the orogen and implications for landscape development in various sectors along the arc. This thesis focuses on both surface and tectonic processes that shape the landscape in the western Indian Himalaya since late Miocene. In my first study, I dated well-preserved glacially polished bedrock on high-elevated ridges and valley walls in the upper of the Chandra Valley the by means of 10Be terrestrial cosmogenic radionuclides (TCN). I used these ages and mapped glacial features to reconstruct the extent and timing of Pleistocene glaciation at the southern front of the Himalaya. I was able to reconstruct an extensive valley glacier of ~200 km length and >1000 m thickness. Deglaciation of the Chandra Valley glacier started subsequently to insolation increase on the Northern Hemisphere and thus responded to temperature increase. I showed that the timing this deglaciation onset was coeval with retreat of further midlatitude glaciers on the Northern and Southern Hemispheres. These comparisons also showed that the post-LGM deglaciation very rapid, occurred within a few thousand years, and was nearly finished prior to the Bølling/Allerød interstadial. A second study (co-authorship) investigates how glacial advances and retreats in high mountain environments impact the landscape. By 10Be TCN dating and geomorphic mapping, we obtained maximal length and height of the Siachen Glacier within the Nubra Valley. Today the Shyok and Nubra confluence is backfilled with sedimentary deposits, which are attributed to the valley blocking of the Siachen Glacier 900 m above the present day river level. A glacial dam of the Siachen Glacier blocked the Shyok River and lead to the evolution of a more than 20 km long lake. Fluvial and lacustrine deposits in the valley document alternating draining and filling cycles of the lake dammed by the Siachen Glacier. In this study, we can show that glacial incision was outpacing fluvial incision. In the third study, which spans the million-year timescale, I focus on exhumation and erosion within the Chandra and Beas valleys. In this study the position and discussed possible reasons of rapidly exhuming rocks, several 100-km away from one of the main Himalayan faults (MFT) using Apatite Fission Track (AFT) thermochronometry. The newly gained AFT ages indicate rapid exhumation and confirm earlier studies in the Chandra Valley. I assume that the rapid exhumation is most likely related to uplift over subsurface structures. I tested this hypothesis by combining further low-temperature thermochronometers from areas east and west of my study area. By comparing two transects, each parallel to the Beas/Chandra Valley transect, I demonstrate similarities in the exhumation pattern to transects across the Sutlej region, and strong dissimilarities in the transect crossing the Dhauladar Range. I conclude that the belt of rapid exhumation terminates at the western end of the Kullu-Rampur window. Therewith, I corroborate earlier studies suggesting changes in exhumation behavior in the western Himalaya. Furthermore, I discussed several causes responsible for the pronounced change in exhumation patterns along strike: 1) the role of inherited pre-collisional features such as the Proterozoic sedimentary cover of the Indian basement, former ridges and geological structures, and 2) the variability of convergence rates along the Himalayan arc due to an increased oblique component towards the syntaxis. The combination of field observations (geological and geomorphological mapping) and methods to constrain short- and long-term processes (10Be, AFT) help to understand the role of the individual contributors to exhumation and erosion in the western Indian Himalaya. With the results of this thesis, I emphasize the importance of glacial and tectonic processes in shaping the landscape by driving exhumation and erosion in the studied areas. N2 - Der Himalaja, eines der wichtigsten känozoischen Kontinent-Kontinent Kollisionsgebirgen, erstreckt sich über 2500 km entlang des südlichen Randes des Tibetischen Plateaus von Ost nach West. Die Gebirgsbildung wird durch interne Deformationsprozesse und klimatische Faktoren, welche auf Verwitterung, Abtragung und Transport wirken, beeinflusst. In einem Zyklus von Eis- und Warmzeiten wurde die Landschaft durch Gletscher geformt. U-Täler sind noch heute erhaltene Spuren der Gletscher, die in den Warmzeiten durch abgetragene Sedimente verfüllt wurden. Diese Sedimente befinden sich teilweise bis heute in diesen übertieften Tälern, weil es an Kapazitäten zur Ausräumung der Täler ins Vorland mangelt. Die kurz-skaligen klimatischen Prozesse überlagern sich mit langzeitlichen tektonischen Prozessen wie Hebung und Exhumation, die durch Konvergenz verursacht werden. Im Zusammenhang mit dem Gebirgswachstum ist es entscheidend die Prozesse, welche die Erdoberfläche sowohl über kurze wie auch über längere Zeiträume formen zu bestimmen und damit auch deren Auswirkungen auf die Landschaftsentwicklung in den einzelnen Abschnitten des Gebirgsbogens. Diese Dissertation fokussiert auf tektonische und Erdoberflächenprozesse, welche den westlichen indischen Himalaja seit dem Miozän geprägt und beeinflusst haben. In der ersten Studie, habe ich im oberen Chandratal mittels 10Be terrestrischen kosmogenen Nukliden (TCN) gut erhaltene vom Gletscher geschliffene und polierte Gesteinsoberflächen auf höher gelegenen Bergrücken und entlang der Talseiten datiert. Basierend auf diesen Altern und kartierten glazialen Landformen habe ich nicht nur die Ausdehnung, sondern auch den Zeitpunkt einer Vergletscherung an der südlichen Front des Himalajas rekonstruiert. Dieser rekonstruierte Gletscher hat im Chandratal eine maximale Länge von ~200 km und >1000 m Dicke erreicht. Die Enteisung des Chandratales folgte dem Anstieg der Sonneneinstrahlung und somit der Temperaturerwärmung auf der nördlichen Hemisphäre. Der Zeitpunkt des Enteisungsbeginns stimmt mit dem Rückgang weiterer Gletscher der mittleren Breiten auf der südlichen wie auch auf der nördlichen Hemisphäre überein. Diese Vergleiche zeigen auch, dass die Enteisung der letzteiszeitlichen Vergletscherung schon vor dem Bølling/Allerød Stadium nahezu abgeschlossen war. In einer zweiten Studie (Ko-Autorenschaft) wird untersucht, wie Gletscher die Erdoberfläche formen und wie Gletschervorstöße und -rückzüge die Landschaft in alpinen Regionen beeinflussen. Die maximale Länge des Siachen Gletschers im Nubratal wurde auf mehr als 180 km rekonstruiert. Heute ist der Zusammenfluss der Flüsse Shyok und Nubra mit Sedimenten verfüllt, deren Ablagerung mit einer Blockierung des Tales durch den Siachen Gletscher bis zu 900 m über der heutigen Flusshöhe zusammenhängen. Demzufolge, staute der Siachen Gletscher den Fluss Shyok. Fluviatile und lakustrine Ablagerungen im Tal dokumentieren sich wechselnde Entleerungs- und Auffüllungszyklen dieses Gletscherstausees. In dieser Studie, konnte ebenso gezeigt werden, dass fluviatile Erosion durch die glaziale Erosion überholt wird. Über den längeren Zeitraum (Jahrmillionen) fokussiere ich auf Exhumation und Erosion in den Tälern Chandra und Beas. In dieser dritten Studie war es mir möglich mittels Apatit-Spaltspurdatierung (AFT) die Lage und Gründe der schnellen Exhumation in diesem Bereich, einige hundert Kilometer entfernt einer der Hauptstörungen des Himalajas (MFT), zu beschreiben. Die neuen AFT Alter deuten auf schnelle Exhumation hin und bestätigen frühere Studien aus dem Chandratal. Ich vermute, dass diese schnelle Exhumation mit einer Bewegung über eine krustale Rampe im Zusammenhang steht, welche auch im östlich anschließenden Sutlej Tal ausgeprägt ist. Diese Hypothese wurde durch die Kombination weiterer tieftemperatur Thermochronometer aus benachbarten Gebieten untersucht. Durch den Vergleich zweier Profile, welche parallel zum Chandra/Beas-Profil laufen wurden im östliche gelegenen Sutlej Gebiet ähnliche Exhumationsmuster gefunden. Daraus schließe ich, das Ende es "rapid exhumation belt" westlich des Kullu-Rampur Fensters im Beastal und bestätige damit auch frühere Studien. Im Weiteren wurden verschiedene Gründe wie ehemalige prä-kollisionale Strukturen und Sedimentbecken oder die abnehmende frontale Konvergenz gegen Westen diskutiert, welche sich Möglicherweise verantwortlich zeichnen für den Wechsel des Exhumationsverhaltens entlang des Streichens des Himalaja. Die Kombination aus Feldbeobachtungen (geologische und geomorphologische Kartierung) und Methoden, die über kurze und längere Zeiträume Prozesse auflösen (10Be, AFT), unterstützen die Erkenntnisse über die Rollenverteilung der einzelnen Akteure bezüglich Exhumation und Erosion im westlichen indischen Himalaja. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit heben die Wichtigkeit glazialer als auch tektonischer Prozesse als Steuerelemente von Exhumation und Erosion im Studiengebiet hervor. KW - Geologie KW - Himalaja KW - Thermochronologie KW - kosmogene Nuklide KW - Gletscher KW - geology KW - Himalaya KW - thermochronology KW - cosmogenic nuclides KW - glaciers Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-420329 ER - TY - GEN A1 - Purinton, Benjamin A1 - Bookhagen, Bodo T1 - Measuring decadal vertical land-level changes from SRTM-C (2000) and TanDEM-X (∼ 2015) in the south-central Andes T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - In the arctic and high mountains it is common to measure vertical changes of ice sheets and glaciers via digital elevation model (DEM) differencing. This requires the signal of change to outweigh the noise associated with the datasets. Excluding large landslides, on the ice-free earth the land-level change is smaller in vertical magnitude and thus requires more accurate DEMs for differencing and identification of change. Previously, this has required meter to submeter data at small spatial scales. Following careful corrections, we are able to measure land-level changes in gravel-bed channels and steep hillslopes in the south-central Andes using the SRTM-C (collected in 2000) and the TanDEM-X (collected from 2010 to 2015) near-global 12–30m DEMs. Long-standing errors in the SRTM-C are corrected using the TanDEM-X as a control surface and applying cosine-fit co-registration to remove ∼ 1∕10 pixel (∼ 3m) shifts, fast Fourier transform (FFT) and filtering to remove SRTM-C short- and long-wavelength stripes, and blocked shifting to remove remaining complex biases. The datasets are then differenced and outlier pixels are identified as a potential signal for the case of gravel-bed channels and hillslopes. We are able to identify signals of incision and aggradation (with magnitudes down to ∼ 3m in the best case) in two  > 100km river reaches, with increased geomorphic activity downstream of knickpoints. Anthropogenic gravel excavation and piling is prominently measured, with magnitudes exceeding ±5m (up to  > 10m for large piles). These values correspond to conservative average rates of 0.2 to > 0.5myr−1 for vertical changes in gravel-bed rivers. For hillslopes, since we require stricter cutoffs for noise, we are only able to identify one major landslide in the study area with a deposit volume of 16±0.15×106m3. Additional signals of change can be garnered from TanDEM-X auxiliary layers; however, these are more difficult to quantify. The methods presented can be extended to any region of the world with SRTM-C and TanDEM-X coverage where vertical land-level changes are of interest, with the caveat that remaining vertical uncertainties in primarily the SRTM-C limit detection in steep and complex topography. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 480 KW - Digital Elevation Models KW - Glacier Mass Balances KW - Structure-from-motion KW - Accuracy Assessment KW - NW Argentina KW - Nevado Coropuna KW - Sediment Flux KW - Gravel-bed KW - River Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-420487 IS - 480 ER - TY - JOUR A1 - Purinton, Benjamin A1 - Bookhagen, Bodo T1 - Measuring decadal vertical land-level changes from SRTM-C (2000) and TanDEM-X (∼ 2015) in the south-central Andes JF - Earth Surface Dynamics N2 - In the arctic and high mountains it is common to measure vertical changes of ice sheets and glaciers via digital elevation model (DEM) differencing. This requires the signal of change to outweigh the noise associated with the datasets. Excluding large landslides, on the ice-free earth the land-level change is smaller in vertical magnitude and thus requires more accurate DEMs for differencing and identification of change. Previously, this has required meter to submeter data at small spatial scales. Following careful corrections, we are able to measure land-level changes in gravel-bed channels and steep hillslopes in the south-central Andes using the SRTM-C (collected in 2000) and the TanDEM-X (collected from 2010 to 2015) near-global 12–30m DEMs. Long-standing errors in the SRTM-C are corrected using the TanDEM-X as a control surface and applying cosine-fit co-registration to remove ∼ 1∕10 pixel (∼ 3m) shifts, fast Fourier transform (FFT) and filtering to remove SRTM-C short- and long-wavelength stripes, and blocked shifting to remove remaining complex biases. The datasets are then differenced and outlier pixels are identified as a potential signal for the case of gravel-bed channels and hillslopes. We are able to identify signals of incision and aggradation (with magnitudes down to ∼ 3m in the best case) in two  > 100km river reaches, with increased geomorphic activity downstream of knickpoints. Anthropogenic gravel excavation and piling is prominently measured, with magnitudes exceeding ±5m (up to  > 10m for large piles). These values correspond to conservative average rates of 0.2 to > 0.5myr−1 for vertical changes in gravel-bed rivers. For hillslopes, since we require stricter cutoffs for noise, we are only able to identify one major landslide in the study area with a deposit volume of 16±0.15×106m3. Additional signals of change can be garnered from TanDEM-X auxiliary layers; however, these are more difficult to quantify. The methods presented can be extended to any region of the world with SRTM-C and TanDEM-X coverage where vertical land-level changes are of interest, with the caveat that remaining vertical uncertainties in primarily the SRTM-C limit detection in steep and complex topography. KW - Digital Elevation Models KW - Glacier Mass Balances KW - Structure-from-motion KW - Accuracy Assessment KW - NW Argentina KW - Nevado Coropuna KW - Sediment Flux KW - Gravel-bed KW - River Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.5194/esurf-6-971-2018 SN - 2196-6311 SN - 2196-632X VL - 6 SP - 971 EP - 987 PB - Copernicus Publ. CY - Göttingen ER - TY - THES A1 - Händel, Annabel T1 - Ground-motion model selection and adjustment for seismic hazard analysis T1 - Auswahl und Anpassung von Bodenbewegungsmodellen für die seismische Gefährdungsanalyse N2 - Erdbeben können starke Bodenbewegungen erzeugen und es ist wichtig, diese in einer seismischen Gefährdungsanalyse korrekt vorherzusagen. Üblicherweise werden dazu empirisch ermittelte Bodenbewegungsmodelle (GMPE) in einem logischen Baum zusammengefügt. Wenn jedoch die Bodenbewegung in einem Gebiet mit geringer Seismizität bestimmen werden soll, dann fehlen in der Regel die Daten, um regionsspezifische GMPEs zu entwickeln. In diesen Fällen ist es notwendig, auf Modelle aus anderen Gebieten mit guter Datengrundlage zurückzugreifen und diese an die Zielregion anzupassen. Zur korrekten Anpassung werden seismologische Informationen aus der Zielregion wie beispielsweise die standortspezifische Dämpfung kappa0 benötigt. Diese Parameter lassen sich jedoch ebenfalls nur unzuverlässig bestimmen, wenn die Datengrundlage schlecht ist. In meiner Dissertation beschäftige ich mich daher mit der Auswahl von GMPEs für den logischen Baum beziehungsweise deren Anpassung an Regionen mit geringer Seismizität. Ich folge dabei zwei verschiedenen Strategien. Im ersten Ansatz geht es um das Aufstellen eines logischen Baumes, falls kein regionsspezifisches Modell vorhanden ist. Ich stelle eine Methode vor, in der mehrere regionsfremde Modelle zu einem Mixmodell zusammengefügt werden. Die Modelle werden dabei je nach ihrer Eignung gewichtet und die Gewichte mittels der wenigen verfügbaren Daten aus der Zielregion ermittelt. Ein solches Mixmodell kann als sogenanntes 'Backbone'-Modell verwendet werden, welches in der Lage ist, mittlere Bodenbewegungen in der Zielregion korrekt vorherzusagen. Ich teste diesen Ansatz für Nordchile und acht GMPEs, die für verschiedene Subduktionszonen auf der Welt entwickelt wurden. Die Resultate zeigen, dass das Mixmodell bessere Ergebnisse liefert als die einzelnen GMPEs, die zu seiner Erzeugung genutzt wurden. Es ist außerdem ebenso gut in der Vorhersage von Bodenbewegungen wie ein Regressionsmodell, welches extra für Nordchile entwickelt wurde. Im zweiten Ansatz beschäftige ich mich mit der Bestimmung der standortspezifischen Dämpfung kappa0. kappa0 ist einer der wichtigsten Parameter zur Anpassung eines GMPEs an eine andere Region. Mein Ziel ist es, kappa0 aus seismischer Bodenunruhe anstelle von Erdbeben zu ermitteln, da diese kontinuierlich aufgezeichnet wird. Mithilfe von Interferometrie kann die Geschwindigkeit und Dämpfung von seismischen Wellen im Untergrund bestimmt werden. Dazu werden lange Aufzeichnungsreihen seismischer Bodenunruhe entweder kreuzkorreliert oder entfaltet (Dekonvolution). Die Bestimmung der Dämpfung aus Bodenunruhe bei Frequenzen über 1 Hz und in geringen Tiefen ist jedoch nicht trivial. Ich zeige in meiner Dissertation die Ergebnisse von zwei Studien. In der ersten Studie wird die Dämpfung von Love-Wellen zwischen 1-4 Hz für ein kleines Testarray in Griechenland ermittelt. In der zweiten Studie verwende ich die Daten einer Bohrloch und einer Oberflächenstation aus dem Vogtland, um die Dämpfung von S-Wellen zwischen 5-15 Hz zu bestimmen. Diese beiden Studien stellen jedoch nur den Ausgangspunkt für zukünftige Untersuchungen dar, in denen kappa0 direkt aus der seismischer Bodenunruhe hergeleitet werden soll. N2 - The prediction of the ground shaking that can occur at a site of interest due to an earthquake is crucial in any seismic hazard analysis. Usually, empirically derived ground-motion prediction equations (GMPEs) are employed within a logic-tree framework to account for this step. This is, however, challenging if the area under consideration has only low seismicity and lacks enough recordings to develop a region-specific GMPE. It is then usual practice to adapt GMPEs from data-rich regions (host area) to the area with insufficient ground-motion recordings (target area). Host GMPEs must be adjusted in such a way that they will capture the specific ground-motion characteristics of the target area. In order to do so, seismological parameters of the target region have to be provided as, for example, the site-specific attenuation factor kappa0. This is again an intricate task if data amount is too sparse to derive these parameters. In this thesis, I explore methods that can facilitate the selection of non-endemic GMPEs in a logic-tree analysis or their adjustment to a data-poor region. I follow two different strategies towards this goal. The first approach addresses the setup of a ground-motion logic tree if no indigenous GMPE is available. In particular, I propose a method to derive an optimized backbone model that captures the median ground-motion characteristics in the region of interest. This is done by aggregating several foreign GMPEs as weighted components of a mixture model in which the weights are inferred from observed data. The approach is applied to Northern Chile, a region for which no indigenous GMPE existed at the time of the study. Mixture models are derived for interface and intraslab type events using eight subduction zone GMPEs originating from different parts of the world. The derived mixtures provide satisfying results in terms of average residuals and average sample log-likelihoods. They outperform all individual non-endemic GMPEs and are comparable to a regression model that was specifically derived for that area. The second approach is concerned with the derivation of the site-specific attenuation factor kappa0. kappa0 is one of the key parameters in host-to-target adjustments of GMPEs but is hard to derive if data amount is sparse. I explore methods to estimate kappa0 from ambient seismic noise. Seismic noise is, in contrast to earthquake recordings, continuously available. The rapidly emerging field of seismic interferometry gives the possibility to infer velocity and attenuation information from the cross-correlation or deconvolution of long noise recordings. The extraction of attenuation parameters from diffuse wavefields is, however, not straightforward especially not for frequencies above 1 Hz and at shallow depth. In this thesis, I show the results of two studies. In the first one, data of a small-scale array experiment in Greece are used to derive Love wave quality factors in the frequency range 1-4 Hz. In a second study, frequency dependent quality factors of S-waves (5-15 Hz) are estimated by deconvolving noise recorded in a borehole and at a co-located surface station in West Bohemia/Vogtland. These two studies can be seen as preliminary steps towards the estimation of kappa0 from seismic noise. KW - ground-motion models KW - GMPE adjustment KW - mixture models KW - seismic noise KW - seismic attenuation KW - Bodenbewegungsmodelle KW - Modellanpassung KW - Mixmodelle KW - Bodenunruhe KW - seismische Dämpfung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418123 ER - TY - GEN A1 - Crisologo, Irene A1 - Warren, Robert A. A1 - Mühlbauer, Kai A1 - Heistermann, Maik T1 - Enhancing the consistency of spaceborne and ground-based radar comparisons by using beam blockage fraction as a quality filter T2 - Atmospheric Measurement Techniques N2 - We explore the potential of spaceborne radar (SR) observations from the Ku-band precipitation radars onboard the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) and Global Precipitation Measurement (GPM) satellites as a reference to quantify the ground radar (GR) reflectivity bias. To this end, the 3-D volume-matching algorithm proposed by Schwaller and Morris (2011) is implemented and applied to 5 years (2012–2016) of observations. We further extend the procedure by a framework to take into account the data quality of each ground radar bin. Through these methods, we are able to assign a quality index to each matching SR–GR volume, and thus compute the GR calibration bias as a quality-weighted average of reflectivity differences in any sample of matching GR–SR volumes. We exemplify the idea of quality-weighted averaging by using the beam blockage fraction as the basis of a quality index. As a result, we can increase the consistency of SR and GR observations, and thus the precision of calibration bias estimates. The remaining scatter between GR and SR reflectivity as well as the variability of bias estimates between overpass events indicate, however, that other error sources are not yet fully addressed. Still, our study provides a framework to introduce any other quality variables that are considered relevant in a specific context. The code that implements our analysis is based on the wradlib open-source software library, and is, together with the data, publicly available to monitor radar calibration or to scrutinize long series of archived radar data back to December 1997, when TRMM became operational. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 474 Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418198 ER - TY - JOUR A1 - Crisologo, Irene A1 - Warren, Robert A. A1 - Mühlbauer, Kai A1 - Heistermann, Maik T1 - Enhancing the consistency of spaceborne and ground-based radar comparisons by using beam blockage fraction as a quality filter JF - Atmospheric Measurement Techniques N2 - We explore the potential of spaceborne radar (SR) observations from the Ku-band precipitation radars onboard the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) and Global Precipitation Measurement (GPM) satellites as a reference to quantify the ground radar (GR) reflectivity bias. To this end, the 3-D volume-matching algorithm proposed by Schwaller and Morris (2011) is implemented and applied to 5 years (2012–2016) of observations. We further extend the procedure by a framework to take into account the data quality of each ground radar bin. Through these methods, we are able to assign a quality index to each matching SR–GR volume, and thus compute the GR calibration bias as a quality-weighted average of reflectivity differences in any sample of matching GR–SR volumes. We exemplify the idea of quality-weighted averaging by using the beam blockage fraction as the basis of a quality index. As a result, we can increase the consistency of SR and GR observations, and thus the precision of calibration bias estimates. The remaining scatter between GR and SR reflectivity as well as the variability of bias estimates between overpass events indicate, however, that other error sources are not yet fully addressed. Still, our study provides a framework to introduce any other quality variables that are considered relevant in a specific context. The code that implements our analysis is based on the wradlib open-source software library, and is, together with the data, publicly available to monitor radar calibration or to scrutinize long series of archived radar data back to December 1997, when TRMM became operational. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.5194/amt-2018-101 SN - 1867-1381 SN - 1867-8548 VL - 11 IS - 9 SP - 5223 EP - 5236 PB - Copernicus Publ. CY - Göttingen ER - TY - GEN A1 - Olen, Stephanie M. A1 - Bookhagen, Bodo T1 - Mapping Damage-Affected Areas after Natural Hazard Events Using Sentinel-1 Coherence Time Series T2 - remote sensing N2 - The emergence of the Sentinel-1A and 1B satellites now offers freely available and widely accessible Synthetic Aperture Radar (SAR) data. Near-global coverage and rapid repeat time (6–12 days) gives Sentinel-1 data the potential to be widely used for monitoring the Earth’s surface. Subtle land-cover and land surface changes can affect the phase and amplitude of the C-band SAR signal, and thus the coherence between two images collected before and after such changes. Analysis of SAR coherence therefore serves as a rapidly deployable and powerful tool to track both seasonal changes and rapid surface disturbances following natural disasters. An advantage of using Sentinel-1 C-band radar data is the ability to easily construct time series of coherence for a region of interest at low cost. In this paper, we propose a new method for Potentially Affected Area (PAA) detection following a natural hazard event. Based on the coherence time series, the proposed method (1) determines the natural variability of coherence within each pixel in the region of interest, accounting for factors such as seasonality and the inherent noise of variable surfaces; and (2) compares pixel-by-pixel syn-event coherence to temporal coherence distributions to determine where statistically significant coherence loss has occurred. The user can determine to what degree the syn-event coherence value (e.g., 1st, 5th percentile of pre-event distribution) constitutes a PAA, and integrate pertinent regional data, such as population density, to rank and prioritise PAAs. We apply the method to two case studies, Sarpol-e, Iran following the 2017 Iran-Iraq earthquake, and a landslide-prone region of NW Argentina, to demonstrate how rapid identification and interpretation of potentially affected areas can be performed shortly following a natural hazard event. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 471 KW - Sentinel-1 KW - natural hazards KW - rapid damage mapping KW - coherence KW - potentially affected areas (PAA) Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417766 ER - TY - JOUR A1 - Olen, Stephanie M. A1 - Bookhagen, Bodo T1 - Mapping Damage-Affected Areas after Natural Hazard Events Using Sentinel-1 Coherence Time Series JF - remote sensing N2 - The emergence of the Sentinel-1A and 1B satellites now offers freely available and widely accessible Synthetic Aperture Radar (SAR) data. Near-global coverage and rapid repeat time (6–12 days) gives Sentinel-1 data the potential to be widely used for monitoring the Earth’s surface. Subtle land-cover and land surface changes can affect the phase and amplitude of the C-band SAR signal, and thus the coherence between two images collected before and after such changes. Analysis of SAR coherence therefore serves as a rapidly deployable and powerful tool to track both seasonal changes and rapid surface disturbances following natural disasters. An advantage of using Sentinel-1 C-band radar data is the ability to easily construct time series of coherence for a region of interest at low cost. In this paper, we propose a new method for Potentially Affected Area (PAA) detection following a natural hazard event. Based on the coherence time series, the proposed method (1) determines the natural variability of coherence within each pixel in the region of interest, accounting for factors such as seasonality and the inherent noise of variable surfaces; and (2) compares pixel-by-pixel syn-event coherence to temporal coherence distributions to determine where statistically significant coherence loss has occurred. The user can determine to what degree the syn-event coherence value (e.g., 1st, 5th percentile of pre-event distribution) constitutes a PAA, and integrate pertinent regional data, such as population density, to rank and prioritise PAAs. We apply the method to two case studies, Sarpol-e, Iran following the 2017 Iran-Iraq earthquake, and a landslide-prone region of NW Argentina, to demonstrate how rapid identification and interpretation of potentially affected areas can be performed shortly following a natural hazard event. KW - Sentinel-1 KW - natural hazards KW - rapid damage mapping KW - coherence KW - potentially affected areas (PAA) Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.3390/rs10081272 SN - 2072-4292 VL - 10 IS - 8 SP - 1 EP - 19 PB - Molecular Diversity Preservation International (MDPI) CY - Basel ER - TY - THES A1 - Darmawan, Herlan T1 - Morphometric changes at the Merapi lava dome between 2012 and 2017 BT - observations and relevance for hazard assessment Y1 - 2018 ER - TY - CHAP ED - Petrow, Theresia ED - Bronstert, Axel ED - Thieken, Annegret ED - Vogel, Kristin T1 - International Conference on "Natural Hazards and Risks in a Changing World" T1 - Internationale Konferenz zu Naturgefahren und Risiken in einer sich ändernden Welt BT - 4-5 October 2018 University of Potsdam BT - 4-5 Oktober 2018 Universität Potsdam T2 - Book of Abstracts N2 - Natural hazards such as floods, earthquakes, landslides, and multi-hazard events heavily affect human societies and call for better management strategies. Due to the severity of such events, it is of utmost importance to understand whether and how they change in re-sponse to evolving hydro-climatological, geo-physical and socio-economic conditions. These conditions jointly determine the magnitude, frequency, and impact of disasters, and are changing in response to climate change and human behavior. Therefore methods are need-ed for hazard and risk quantification accounting for the transient nature of hazards and risks in response to changing natural and anthropogenic altered systems. The purpose of this conference is to bring together researchers from natural sciences (e.g. hydrology, meteorology, geomorphology, hydraulic engineering, environmental science, seismology, geography), risk research, nonlinear systems dynamics, and applied mathematics to discuss new insights and developments about data science, changing systems, multi-hazard events and the linkage between hazard and vulnerabilities under unstable environmental conditions. Knowledge transfer, communication and networking will be key issues of the conference. The conference is organized by means of invited talks given by outstanding experts, oral presentations, poster sessions and discussions. KW - NatRiskChange KW - Natural Hazards KW - Changing World KW - NatRiskChange KW - Naturgefahren KW - Klimaänderung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-416613 ER - TY - RPRT A1 - Thieken, Annegret A1 - Dierck, Julia A1 - Dunst, Lea A1 - Göpfert, Christian A1 - Heidenreich, Anna A1 - Hetz, Karen A1 - Kern, Julia A1 - Kern, Kristine A1 - Lipp, Torsten A1 - Lippert, Cordine A1 - Meves, Monika A1 - Niederhafner, Stefan A1 - Otto, Antje A1 - Rohrbacher, Christian A1 - Schmidt, Katja A1 - Strate, Leander A1 - Stumpp, Inga A1 - Walz, Ariane T1 - Urbane Resilienz gegenüber extremen Wetterereignissen – Typologien und Transfer von Anpassungsstrategien in kleinen Großstädten und Mittelstädten (ExTrass) BT - Verbundvorhaben „Zukunftsstadt“ (Definitionsprojekt) N2 - Weltweit verursachen Städte etwa 70 % der Treibhausgasemissionen und sind daher wichtige Akteure im Klimaschutz bzw. eine wichtige Zielgruppe von Klimapolitiken. Gleichzeitig sind Städte besonders stark von möglichen Auswirkungen des Klimawandels betroffen: Insbesondere extreme Wetterereignisse wie Hitzewellen oder Starkregenereignisse mit Überflutungen verursachen in Städten hohe Sachschäden und wirken sich negativ auf die Gesundheit der städtischen Bevölkerung aus. Daher verfolgt das Projekt ExTrass das Ziel, die städtische Resilienz gegenüber extremen Wetterereignissen in enger Zusammenarbeit mit Stadtverwaltungen, Strukturen des Bevölkerungsschutzes und der Zivilgesellschaft zu stärken. Im Fokus stehen dabei (kreisfreie) Groß- und Mittelstädte mit 50.000 bis 500.000 Einwohnern, insbesondere die Fallstudienstädte Potsdam, Remscheid und Würzburg. Der vorliegende Bericht beinhaltet die Ergebnisse der 14-monatigen Definitionsphase von ExTrass, in der vor allem die Abstimmung eines Arbeitsprogramms im Mittelpunkt stand, das in einem nachfolgenden dreijährigen Forschungsprojekt (F+E-Phase) gemeinsam von Wissenschaft und Praxispartnern umgesetzt werden soll. Begleitend wurde eine Bestandsaufnahme von Klimaanpassungs- und Klimaschutzstrategien/-plänen in 99 deutschen Groß- und Mittelstädten vorgenommen. Zudem wurden für Potsdam und Würzburg Pfadanalysen für die Klimapolitik durchgeführt. Darin wird insbesondere die Bedeutung von Schlüsselakteuren deutlich. Weiterhin wurden im Rahmen von Stakeholder-Workshops Anpassungsherausforderungen und aktuelle Handlungsbedarfe in den Fallstudienstädten identifiziert und Lösungsansätze erarbeitet, die in der F+E-Phase entwickelt und getestet werden sollen. Neben Maßnahmen auf gesamtstädtischer Ebene und auf Stadtteilebene wurden Maßnahmen angestrebt, die die Risikowahrnehmung, Vorsorge und Selbsthilfefähigkeit von Unternehmen und Bevölkerung stärken können. Daher wurde der Stand der Risikokommunikation in Deutschland für das Projekt aufgearbeitet und eine erste Evaluation von Risikokommunikationswerkzeugen durchgeführt. Der Bericht endet mit einer Kurzfassung des Arbeitsprogramms 2018-2021. N2 - Cities are responsible for around 70 % of the global greenhouse gas emissions and are hence important for climate mitigation; consequently they are a crucial target group of climate policies. At the same time, cities are also severely affected by potential impacts of climate change: extreme weather events such as heat waves or heavy precipitation (pluvial floods) cause high economic losses in urban areas and have adverse effects on the health of the urban population. Therefore, the project ExTrass is aimed at measurably enhancing cities’ resilience against extreme weather events jointly with representatives of urban administrations, disaster assistance and civil society. The project focusses on small metropolises and medium-sized cities with 50,000 to 500,000 inhabitants, in particular on the case study cities of Potsdam, Remscheid and Würzburg. The report summarizes the results of a 14-month definition phase whose main purpose was to define the research program of the successive 3-year-R+D-project, to be implemented jointly by researchers and practitioners. In addition, an inventory of climate change adaptation and climate mitigation strategies and plans of 99 German metropolises and medium-sized cities was created. Moreover, an in-depth analysis of the pathways of climate policies in the cities of Potsdam and Würzburg was conducted, which particularly revealed the relevance of key personalities. Furthermore, current challenges in climate adaptation and needs for action were identified during stakeholder workshops in the case study cities. In addition, possible solutions were discussed which will be implemented and tested during the R+D-project. Besides measures on the city level and on the level of urban districts, options that improve risk awareness, preparedness and coping capacities of enterprises and residents are strived for. Thus the state-of-the-art of risk communication in Germany was reviewed for the project and a first evaluation of a serious game was performed. The report ends with a brief outline of the work program 2018-2021. KW - Klimaanpassung KW - Klimaschutz KW - Pfadanalysen KW - Stadtentwicklung KW - Hitze KW - Starkregen KW - Risikokommunikation KW - Potsdam KW - Würzburg KW - Deutschland KW - Climate Adaptation KW - Climate Mitigation KW - analysis of pathways KW - urban development KW - heat KW - pluvial flooding KW - risk communication KW - city of Potsdam KW - city of Wuerzburg KW - Germany Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-416067 ER - TY - THES A1 - Ott, Florian T1 - Late Glacial and Holocene climate and environmental evolution in the southern Baltic lowlands derived from varved lake sediments T1 - Spätglaziale und Holozäne Klima- und Umwelentwicklung im südlichen Ostseeraum abgeleitet aus warvierten Seesedimenten N2 - Holocene climate variability is generally characterized by low frequency changes than compared to the last glaciations including the Lateglacial. However, there is vast evidence for decadal to centennial scale oscillations and millennial scale climate trends, which are within and beyond a human lifetime perception, respectively. Within the Baltic realm, a transitional zone between oceanic and continental climate influence, the impact of Holocene and Lateglacial climate and environmental change is currently partly understood. This is mainly attributed to the scarcity of well-dated and high-resolution sediment records and to the lacking continuity of already investigated archives. The aim of this doctoral thesis is to reconstruct Holocene and Late Glacial climate variability on local to (over)regional scales based on varved (annually laminated) sediments from Lake Czechowskie down to annual resolution. This project was carried out within the Virtual Institute for Integrated Climate and Landscape Evolution Analyses (ICLEA) and funded by the Helmholtz Association and the Helmholtz Climate Initiative REKLIM (Regional Climate Change). ICLEA intended to gain a better understanding of climate variability and landscape evolution processes in the Northern Central European lowlands since the last deglaciation. REKLIM Topic 8 “Abrupt climate change derived from proxy data” aims at identifying spatiotemporal patterns of climate variability between e.g. higher and lower latitudes. The main aim of this thesis was (i) to establish a robust chronology based on a multiple dating approach for Lake Czechowskie covering the Late Glacial and Holocene and for the Trzechowskie palaeolake for the Lateglacial, respectively, (ii) to reconstruct past climatic and environmental conditions on centennial to multi-millennial time scales and (iii) to distinguish between local to regional different sediments responses to climate change. Addressing the first aim, the Lake Czechowskie chronology has been established by a multiple dating approach comprising information from varve counting, tephrochronology, AMS 14C dating of terrestrial plant remains, biostratigraphy and 137Cs activity concentration measurements. Those independent age constraints covering the Lateglacial and the entire Holocene and have been further implemented in a Bayesian age model by using OxCal v.4.2. Thus, even within non-varved sediment intervals, robust chronological information has been used for absolute age determination. The identification of five cryptotephras, of which three are used as unambiguous isochrones, is furthermore a significant improvement of the Czechowskie chronology and currently unique for the Holocene within Poland. The first findings of coexisting early Holocene Hässeldalen and Askja-S cryptotephras within a varved sequence even allowed differential dating between both volcanic ashes and stimulated the discussion of revising the absolute ages of the Askja-S tephra. The Trzechowskie palaeolake chronology has been established by a multiple dating approach comprising varve counting, tephrochronology, AMS 14C dating of terrestrial plant remains and biostratigraphy, covers the Lateglacial period (Allerød and Younger Dryas) and has been implemented in OxCal v.4.2. Those age constraints allowed regional correlation to other high-resolution climate archives and identifying leads and lags of proxy responses at the onset of the Younger Dryas. The second aim has been accomplished by detailed micro-facies and geochemical analyses of the Czechowskie sediments for the entire Holocene. Thus, especially micro-facies changes had been linked to enhanced productivity at Lake Czechowskie. Most prominent changes have been recorded at 7.3, 6.5, 4.3 and 2.8 varve kyrs BP and are linked to a stepwise increasing influence of Atlantic air masses. Especially, the mid-Holocene change, which had been widely reported from palaeohydrological records in low latitudes, has been identified and linked to large scale reorganization of atmospheric circulation patterns. Thus, especially long-term changes of climatic and environmental boundary conditions are widely recorded by the Czechowskie sediments. The pronounced response to (multi)millennial scale changes is further corroborated by the lack of clear sediment responses to early Holocene centennial scale climate oscillations (e.g. the Preboreal Oscillation). However, decadal scale changes at Lake Czechowskie during the most recent period (last 140 years) have been investigated in a lake comparison study. To fulfill the third aim of the doctoral thesis, three lakes in close vicinity to each other have been investigated in order to better distinguish how local, site-specific parameters, may superimpose regional climate driven changes. All lakes haven been unambiguously linked by the Askja AD1875 cryptotephra and independent varve chronologies. As a result, climate warming has only been recorded by sedimentation changes at the smallest and best sheltered lake (Głęboczek), whereas the largest lake (Czechowskie) and the shallowest lake (Jelonek) showed attenuated and less clear sediment responses, respectively. The different responses have been linked to morphological lake characteristics (lake size and depth, catchment area). This study highlights the potential of high-resolution lake comparison for robust proxy based climate reconstructions. In summary, the doctoral thesis presents a high-resolution sediment record with an underlying age model, which is prerequisite for unprecedented age control down to annual resolution. Sediment proxy based climate reconstructions demonstrate the importance of the Czechowskie sediments for better understanding climate variability in the southern Baltic realm. Case studies showed the clear response on millennial time scale, while decadal scale fluctuations are either less well expressed or superimposed by local, site-specific parameters. The identification of volcanic ash layers is not only used for unambiguous isochrones, those are key tie lines for local to supra regional archive synchronization and establish the Lake Czechowskie as a key climate archive. N2 - Die holozäne Klimavariabilität ist im Vergleich zur letzten Eiszeit und dem Spätglazial durch schwächere Veränderungen gekennzeichnet. Dennoch zeigt eine Vielzahl von Klimaarchiven deutlich Klimaoszillationen auf kürzeren Zeitskalen sowie langfristige Klimatrends, die z. T. nicht innerhalb einer menschlichen Generation wahrnehmbar sind. Im Ostseeraum, einer Übergangsregion zwischen denm maritimen und kontinentalen Klimaeinfluss, sind holozäne und spätglaziale Umwelt- und Klimaveränderungen nur teilweise untersucht und verstanden. Das ist hauptsächlich auf die geringe Anzahl erstklassiger und hochaufgelöster Klimaarchive sowie der nur teilweise untersuchten Archive zurückzuführen. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die hochaufgelöste Rekonstruktion holozäner und spätglazialer Klimavariabilität auf lokaler wie überregionaler Ebene basierend auf warvierten (jährlich abgelagerten) Sedimenten des Czechowskie Sees. Das Projekt ist Bestandteil des Virtuellen Instituts zur Integrierten Klima- und Landschaftsentwicklungsanalyse (ICLEA), welches von der Helmholtz-Gemeinschaft finanziert wurde und der Helmholtz-Klimainitiative REKLIM (Regionaler Klimawandel). Thema von ICLEA ist das bessere Verständnis der Klimadynamik und der Landschaftsgenese im nördlichen mitteleuropäischen Tiefland seit dem Ende der letzten Eiszeit. Das REKLIM Thema 8 “Schnelle Klimaänderungen aus Proxy-Daten” untersucht räumlich-zeitliche Muster von Klimaveränderungen zwischen z. B. hohen und niederen Breiten. Die Ziele der Doktarbeit umfassen (i) die Erstellung eines Altersmodells mittels unterschiedlicher Datierungsmethoden die für den Czechowskie-See das Spätglazial und das Holozän bzw. für den Trzechowskie-Paläosee das Spätglazial umfassen, (ii) die Klima- und Umweltrekonstruktion auf unterschiedlichen Zeitskalen und (iii) zwischen lokal und regional beeinflussten Sedimentwechseln zu unterscheiden. Um das erste Ziel zu realisieren, wurde die Czechowskie Chronologie mittels unterschiedlicher Datierungsmethoden erstellt. Diese enthält Information der Warven- und Tephrachronologie, Biostratigraphie und von radiometrischen Messungen (AMS 14C und 137Cs Konzentration). Diese unabhängigen Altersinformationen decken das Spätglazial und das komplette Holozän ab und wurden durch softwarebasierte Bayesische Statistik mittels OxCal v.4.2 in ein Altersmodell umgewandelt. Das ermögliche eine präzise Altersinformation für das gesamte Sedimentprofil, selbst in den nicht-warvierten Abschnitten. Die Identifizierung von fünf Kryptotephren, von denen drei als eindeutige Zeitmarker dienen, ist eine weitere deutliche Verbesserung der Czechowskie Chronologie und momentan einzigartig für das Holozän in Polen. Das erstmalige Auffinden zweier frühholozäner Tephren innerhalb eines warvierten Sedimentabschnittes erlaubte die genaue Zeitspanne zwischen beiden Eruptionen zu ermitteln und regte eine Diskussion zur Revision der absoluten Alter beider Tephren an. Die Trzechowskie Paläosee Chronologie beruht auch auf unterschiedlichen Datierungsmethoden und umfasst Warven- und Tephrachronologie, Biostratigraphie AMS 14C-Messungen. Diese wurden durch OxCal v.4.2 in ein Altersmodell umgewandelt und umfassen das Spätglazial (Allerød bis Jüngere Dryas). Das zweite Ziel der Doktorarbeit wurde durch detaillierte mikrofazielle und geochemische Analysen erreicht. Insbesondere konnten Veränderungen in der Warvenstruktur auf erhöhte Produktivität des Sees zurückgeführt werden. Die markantesten Wechsel wurden vor 7.3; 6.5; 4.3 und 2.8 kyrs BP festgestellt und konnten auf eine schrittweise Etablierung atlantischer Luftmassen zurückgeführt werden. Der Wechsel im mittleren Holozän, welcher vor allem von paläohydrologischen Archiven in den niederen Breiten bekannt ist, wurde in den Czechowskie Sedimenten identifiziert und mit einer großskaligen Reorganisation atmosphärischer Zirkulationsmuster verbunden. Insbesondere werden langfristige Veränderungen der Klima- und Umweltrandbedingungen in den Czechowskie-Sedimenten abgespeichert. Die ausgeprägte Reaktion von Sedimentveränderungen auf vor allem langfristige Wechsel wird durch das Fehlen kurzfristiger Klimaoszillationen des Frühholozäns (z.B. Preboreale Oszillation) in den Sedimenten gestärkt. Demgegenüber wurden kurzfristige Sedimentveränderungen in der jüngsten Vergangenheit (letzte 140 Jahre) am Czechowskie See in einer Seenvergleichsstudie untersucht. Das dritte Ziel der Doktorarbeit umfasste eine Vergleichsstudie zwischen drei benachbarten Seen, um zwischen regionalen Klimaveränderungen und einer möglichen Überprägung durch lokale Parameter unterscheiden zu können. Die Realisierung erfolgte durch unabhängige Warvenchronologien und der Identifizierung der Askja AD1875 Kryptotephra in allen drei Seen. Das Hauptergebnis zeigt, dass die Klimaerwärmung der letzten 140 Jahre durch Sedimentveränderungen nur im kleinsten See (Głęboczek) abgespeichert wurde, wohingegen der größte (Czechowskie) und der kleinste (Jelonek) See nur abgeschwächte bzw. fehlende Sedimentwechsel aufzeigen. Die unterschiedliche Reaktion der drei Seen konnte auf morphologische Parameter (Seegröße und –tiefe, Einzugsgebietsgröße) zurückgeführt werden und hebt das Potential von hochauflösenden Seenvergleichen für eine proxybasierte Klimarekonstruktion hervor. Zusammenfassend lässt sich festhalten, das die Doktorarbeit ein hochaufgelöstes Sedimentarchiv präsentiert. Das allen Klima- und Umweltrekonstruktionen zugrunde liegende Altersmodell ist die Voraussetzung für eine beispiellose Alterskontrolle bishin zu jährlicher Auflösung. Die sedimentproxybasierte Klimarekonstruktion demonstriert den enormen Stellenwert der Czechowskie-Sedimente, die dem besseren Verständnis der Klimavariabilität im südlichen Ostseeraum dienen. Fallstudien zeigen die deutliche Reaktion von Sedimentänderungen auf langfristige Klimaänderungen, wohingegen dekadische Klimaoszillationen nicht durch Sedimentänderungen gekennzeichnet sind oder durch lokale Faktoren überprägt werden. Die Identifizierung von vulkanischen Aschelagen werden nicht nur für die eindeutige Bestimmung von chronologischen Markerhorizonten verwendet, sondern werden weiterhin für die Korrelation mit weit entfernten Klimaarchiven genutzt und unterstreichen die überregionale Bedeutung des Czechowskie-Sees als wertvolles Geoarchiv. KW - varved lake sediments KW - climate reconstruction KW - Holocene KW - warvierte Seesedimente KW - Klimarekonstruktion KW - Holozän Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414805 ER -