Der Einfluss von Aerosolen auf den Strahlungshaushalt der Atmosphäre ist mit grossen Unsicherheiten verbunden und bedarf intensiver Forschung. In dieser Arbeit wurde ein Inversionsalgorithmus entwickelt, um aus Daten des SCIAMACHY-Spektrometers an Bord von Envisat die optische Dichte von Aerosolen (AOT), deren Angstrom Exponent sowie die vertikale Höhenverteilung unter Verwendung von Spektren im Bereich der O2 A- und B-Banden abzuleiten. Modellieren gemessener Reflektanzen ist für die Bestimmung sowohl der Bodenalbedo als auch der Aerosoleigenschaften essentiell. Es wurde 'AeroRad', ein 10-Strahl 1D plan-paralleles Strahlungstransportmodell entwickelt, um die gemessene Strahlung zu simulieren. Ein neues Merkmal von 'AeroRad' ist die symmetrische Ausrichung der 10-Strahl Geometrie längs der Achse der einfallenden Sonnenstrahlung. Dies erlaubt eine bessere Simulation der für Aerosole typischen preferentiellen Vorwärtsstreuung. Sensitivitätsstudien wurden mit synthetischen Messungen durchgeführt, wobei sich die Inversion als sehr robust erwies. Zur Behandlung instrumenteller Probleme wie fehlerhafter radiometrischer oder Wellenlängen Kalibration wurden Korrekturfaktoren in den Zustandsvektor der Inversion eingebaut, um diese Parameter simultan mit den Aerosoleigenschaften zu invertieren. Die Inversionsmethode wurde mit SCIAMACHY Daten über Kanpur (Indien) im Jahre 2003 getestet. Ein Vergleich monatlicher Mittelwerte der invertierten AOT zeigt eine gute Übereinstimmung mit bodengebundenen Messungen des AERONET Netzwerkes. Ein Anstieg der AOT von April bis Juni wurde beobachtet und kann mit saisonalem Auftreten von Wüstenstaub erklärt werden. Obwohl die Bestimmung globaler Aerosoleigenschaften mit der hier entwickelten Inversionsmethode noch unrealistisch scheint, so wurde gezeigt, dass eine Inversion mehrerer Aerosolparameter anhand SCIAMACHY Daten möglich ist.
Der Ozeanzirkulation kommt durch die Verteilung von Wärme, Feuchtigkeit und CO2 eine Schlüsselrolle unter den Einflussfaktoren auf das Klima zu. So werden klimatische Extremereignisse beim Übergang der letzten Eiszeit ins heutige Holozän mit Variationen der thermohalinen Zirkulation in Verbindung gebracht. Diese Arbeit widmet sich der Rekonstruktion der Atlantischen Umwälzung mit Hilfe des 231Pa/230Th-Verhältnisses aus Tiefseesedimenten. An fünf Schlüsselstellen des Atlantiks wurden 231Pa/230Th-Prole gemessen, um zurück bis 30.000 Jahre vor heute die Verbindung zwischen Veränderungen in der Zirkulationsstärke und Klimaereignissen nachzuweisen. Neben den Messungen des 231Pa/230Th mittels ICP-MS und AMS, wurden auch Untersuchungen zur Partikelzusammensetzung des Sediments durchgeführt, speziell zum Gehalt an biogenem Opal. Es ergaben sich starke Einflüsse von Partikelfluss und Partikelzusammensetzung auf das sedimentäre 231Pa/230Th. Daher ist das zeitgleiche Auftreten von Veränderungen im 231Pa/230Th und von Kälteereignissen nicht zwingend auf eine Abschwächung der Atlantischen Zirkulation zurück zu führen, wie es in früheren Studien gefolgert wurde. Die Veränderungen im 231Pa/230Th spiegeln zusätzlich die jeweils vorherrschende Wassermasse wieder, so dass das 231Pa/230Th einzelner Kerne nicht direkt als kinetischer Proxy verwendet werden kann. Indirekt lassen sich hierdurch jedoch Rückschlüsse auf die Wassermassenverteilung während des letzten Glazials und der Termination ziehen.
Spatio-temporal measurements of wind-driven short-gravity capillary waves are reported for a wide range of experimental conditions, including wind, rain and surface slicks. The experiments were conducted in a linear wind wave flume and for the water surface elevation eta(x,y,t) both components of the slope field s = grad eta were measured optically. For this the color imaging slope gauge (CISG) was realized, comprising a range of wavenumbers k = sqrt(kx^2 + ky^2) from 60 to 4500 rad/m. The instrument was improved to achieve a sampling rate of 312.5 Hz, which now allows for the computation of 3D wavenumber-frequency spectra S(kx, ky, omega). Using a new calibration method it was possible to correct for the intrinsic nonlinearities of the instrument in the slope range up to ±1. In addition, the Modulation Transfer Function (MTF) was measured and employed for the contrast restoration of the data. The results are generally consistent with former measurements. But, the shape of the saturation spectra in the vicinity of k > 1000 rad/m stands in contradiction to former investigations where a sharp spectral cutoff (propto k^(-2) or k^(-3)) is commonly reported. The new MTF corrected spectra show just a gentle decrease (between k^(-0.5) and k^(-1)) for k >1000 rad/m, which has implications for the modeling of the energy fluxes in the wave field. Concerning the dispersion relation, a first approach for a quantitative evaluation of the wavenumber-frequency spectrum is shown. This includes estimates of the surface tension and the Doppler shift due to the surface shear flow and the wave-wave modulations. The wave measurements were accompanied by synchronized and spatially coinciding measurements of the surface temperature by means of infrared imagery. The temperature data is mapped onto an animated graphical model of the reconstructed surface elevation using a new interactive visualization tool. This allows for an investigation of intermittent small scale processes that are influencing the transfer of heat and gases at the air-water interface, such as microscale wave breaking, small scale Langmuir circulations, and the impact of rain drops.
A new optical wave gauge was built to measure simultaneously two statistical parameters of wind induced water surface waves, namely the surface slope and surface amplitude probability distribution functions. The new instrument was tested in a linear wind wave flume with a water depth of 10 cm. The surface slope is determined using the refraction of light at the water surface. The wave amplitude is measured using the absorption of infrared light in the water column. The wave gauge consists of a point-like dichromatic light source which is positioned under the flume (Ulbricht sphere with high-power LEDs, (RED = 632nm and IR = 850nm) and a camera above the flume that looks vertically through the water into the light source. No other optical components are needed. The light source is pulsed and the camera is triggered. The images show light speckles whose positions are a measure for the wave slope. The relative intensities are a measure for the wave amplitude. These quantities are derived from the digital images by means of image processing and simple geometrical considerations. The influence of different analysis methods on the wave slope and amplitude distribution was studied. For the characterization of the new linear wind wave flume in the Institut fuer Umweltphysik (IUP), Heidelberg, mean square slope and root mean square wave height were measured for a wind speed up to 6.7 m/s and a fetch between 0.80m and 2.40m. The findings agree with comparable measurements in other linear wind wave flumes.
When performing solute transport in porous media one often observes an asymmetric break-through curve with a very slow decline of the concentration. This phenomenon even appears with non-sorbing solutes and is known as tailing. There are several hypotheses to explain this phenomenon. The modelling is often done using the mobile-immobile model (MIM), which assumes that parts of the solvent are not moving along with the general flow. The solutes can move into these stagnant zones by diffusion which leads to the observed tailing. In this thesis it is checked whether tailing can indeed be explained by stagnant zones, which may result e.g. from dead-end pores or pores perpendicular to the direction of the flow. A program to simulate transport in porous media was developed and verified using several test-problems. An example calculation with a randomly generated porous medium was performed. The resulting break-through curves showed significant tailing.
Fluid inclusions in speleothem constitute a unique archive for palaeo-waters. This thesis deals with the investigation of fluid inclusions in speleothems and their possible use as a palaeotemperature archive. The main objective focuses on the calculation of noble gas temperatures, which can be derived from the temperature-dependent solubility of the noble gases He, Ne, Ar, Kr and Xe. An essential requirement is the determination of noble gas concentrations, which implies measuring the absolute gas amounts as well as determining the amounts of water released. Two ways of measuring the tiny water amounts (≤ 1 μl) extracted from the speleothems are presented and will be discussed with regard to the required precision. Furthermore, various techniques for the extraction of noble gases from the speleothems are investigated and analysed in terms of the intended application. It turned out that crushing under vacuum in a steel cylinder by milling with a magnetically movable steel ball is the most suitable technique. Additionally, the noble gas preparation and the mass spectrometric procedure, optimized for the measurement of tiny gas amounts, will be discussed. Finally, it is demonstrated that it is possible to determine reliable temperatures from fluid inclusions in speleothems and that the acquired results can be reproduced to a certain extent. From the stalagmite BU-U (Sauerland, NW Germany) six samples from one growth period were extracted and measured. Their results agree within the uncertainties although the samples are not totally identical. Measurements on other stalagmites (BU-1, BU-2) from the same cave revealed temperatures corresponding to the expected climatic conditions in the respective growth period. Typical uncertainties for these samples range from ≤ 1 ℃ to 2 ℃ at most. From the stalagmites BU-U and BU-1 a temperature record has been established by noble gas concentrations and will be discussed in combination with the stable isotope data. These exemplary applications reveal the high potential of the method presented.
This work concentrates on the investigation of ground penetrating radar (GPR) with respect to applications in soil hydrology. The motivation is to expand the boundaries of processability and evaluability of GPR measurements. Therefore, a detailed review of the fundamentals for electromagnetic wave propagation is given. First, theoretical and experimental descriptions of the dielectric material models are introduced. This is followed by an overview of different modeling approaches in electrodynamics which differ in their physical complexity. The ray approach, a plane wave description and a Green’s function approach are presented, where the last simulates a vertical dipole in a horizontally layered medium. With the help of these modeling approaches, some specific electromagnetic wave phenomena are studied. For instance the reflection and the refraction at continuously varying dielectric properties are analyzed, which can stem for example from the water distribution in soils. Furthermore, the ground wave is studied regarding its evanescent wave behavior. This can be observed, when the wave couples into the air. As an outcome of the theoretical considerations, two novel measurement techniques and their evaluation approaches are presented. One technique is the lift measurement, which enables the detection of evanescent waves. The other technique is the multi-channel method, which allows a simultaneous access to reflector depth and average water content up to several hundred meters.
Das kosmogene Radionuklid 10Be entsteht über die Wechselwirkung der extraterrestrischen Höhenstrahlung mit den Sauerstoff- und Stickstoffatomen in der Stratosphäre der Erde. Aufgrund der abschirmenden Wirkung des Erdmagnetfeldes gegenüber der einfallenden kosmischen Strahlung ergibt sich zwischen der atmosphärischen Produktionsrate von 10Be und der Erdmagnetfeldstärke ein antiproportionaler Zusammenhang. Das so gebildete 10Be gelangt nach einer Verweildauer von ca. 1 Jahr über Nass- und Trockendepositionen hauptsächlich in den Ozean, aus welchem es, an Sedimentpartikeln adsorbiert, auf dem Meeresgrund abgelagert wird. Diese Theorie bildet die Grundlage für die Rekonstruktion der zeitlichen Variationen der Erdmagnetfeldstärke über die Extraktion von 10Be aus Tiefseesedimentkernen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden hochaufgelöste Profile der 10Be- Produktionsflussdichten aus hochakkumulierenden Tiefseesedimenten des Island Beckens (ODP-Site 983) sowie des Bermuda Rise (ODP-Site 1063) erstellt, um die globalen Änderungen der Erdmagnetfeldstärke für einen Zeitraum von 300.000 Jahre zu rekonstruieren. Für die Korrektur von ozeanischen Transportsignalen wurde die 230Thxs-Normierungsmethode angewandt. Die insgesamt ca. 400 Proben dieser Kerne wurden in drei hauptanalytischen Phasen auf ihre Uran/Thorium-Isotope, 10Be-Isotope und ausgewählter Haupt- und Nebenelemente analysiert. Dabei dienten die 10Be- und Uran/Thorium Messungen im wesentlichen der Erstellung der für die Sites entsprechenden 10Be-Stratigraphie (230Thxs-normierte 10Be-Produktionsflüsse). Mit den Messungen der Elemente Ca, Al, Ti, Be, Fe und Mn wurde einerseits das Ziel verfolgt, die Sedimentationsgeschichte der untersuchten Sites abzuschätzen und andererseits einen Einblick in den Durchlüftungszustand (bzw. der Ozeanzirkulation) der Wassersäule zu glazialen/interglazialen Zeiten zu erhalten, um Aussagen über die etwaige klimatische Beeinflussung des 10Be-Produktionssignals treffen zu können. Die Elementmessungen ergaben, dass für beide untersuchten Sites hauptsächlich jeweils ein sedimentäres Liefergebiet vorliegt, dessen Sedimentationspulse in der Regel mit den durch das Klima gesteuerten Variationen der Meeresströmungen einhergehen. Die Anwendung der 230Thxs-Metode auf die entsprechenden 10Be- Datensätze der Sites 983 und 1063 ergaben eine aussagekräftige Rekonstruktion der Stärke der Erdmagentfeldvariationen. Hierfür spricht, dass die 10Be-Produktionsflüsse der Sites 983 und 1063 in fast allen Bereichen dieser Stratigraphien mit dem „erlaubten Bereich“ verträglich sind. Ferner konnte für die Sites 983 und 1063 die rezente Produktionsrate von 1,4*109 At./(g*cm2*ka) im Rahmen der Fehlergrenzen (± 22%) annähernd gut reproduziert werden. Den überzeugendsten Beweis lieferte allerdings die Gegenüberstellung der Sites 983 und 1063 mit einer Vielzahl von Datensätzen aus der Literatur. Dementsprechend konnten weitestgehend alle prominenten geomagnetischen Events zeitlich in Einklang gebracht werden. Aus den oben angeführten Gründen lässt sich also zusammenfassend schlussfolgern, dass die im Rahmen dieser Dissertation aufgestellten 230Thxs-normierten 10Be-Produktionsflüsse der ODP-Sites 983 und 1063 die globalen Schwankungen des Erdmagnetfeldes für den Zeitraum von 300 bis 0 ka wiedergeben. Zudem beinhalten diese Datensätze das Potenzial zur Synchronisation anderer Archive über die angesprochenen geomagnetischen Events.
Mit Hilfe von Differentieller Optischer Absorptionsspektroskopie (DOAS) in Verbindung mit sehr langen Lichtwegen, lassen sich viele Spurengase in der Atmosphäre nachweisen. Damit ist die DOAS-Methode ein wichtiges Verfahren zu Quantifizierung gasförmiger Schadstoffemissionen und der Erforschung des photochemischen Smogs. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass durch die Verwendung von Faseroptiken die spektrale Charakterisierung der verwendeten Lichtquelle deutlich verbessert und damit die Nachweisgrenzen gesenkt werden können. Dies wurde sowohl an einem Vielfachreflektionssystem (White-Zelle) als auch an einem Langpfad-DOAS-Teleskop (LP-DOAS) nachgewiesen. Für das LP-DOAS-Instrument ergab sich ein vollständig neues Konstruktionsprinzip. Durch die Kombination von Sende- und Empfangsfasern in einem Bündel, vereinfacht sich der Aufbau gegenüber den der herkömmlichen Langpfad-Teleskopen in Koaxialausführung erheblich und führt zu einer höheren Signalintensität aufgrund besserer Transmissionseigenschaften. Dies konnte auch durch Modellierungen gezeigt werden. Damit werden kleinere und robustere DOAS-Messinstrumente mit erweitertem Einsatzgebiet möglich. Mit LP-DOAS wurden während der MCMA-2006-Kampagne in Mexiko-Stadt neben NO2, O3, SO2, HCHO, HONO und Glyoxal eine Vielzahl von flüchtigen aromatischen Kohlenwasserstoffen als Vorläufer für sekundäre organische Aerosole (SOA) gemessen. Dabei wurden auch die polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe Naphthalin und erstmalig Methylnaphthalin nachgewiesen. Bei Messungen in Heidelberg konnte Naphthalin auch außerhalb von Ballungszentren mit LP-DOAS gemessen werden. In dieser Arbeit wird ein neues Software-Paket „LabDOAS“ zur effizienten Ausführung von DOAS-Messungen, Analysen von Spektren und automatischer Auswertung vorgestellt.
Organic material from the ocean's surface microlayer can be incorporated into sea salt aerosol particles often producing a surface film on the aerosol. Such an organic coating can reduce the mass transfer between the gas phase and the aerosol phase influencing sea salt chemistry in the marine boundary layer. This aspect of atmospheric chemistry is investigated using a numerical one-dimensional model in the first part of this thesis. Estimates for the lifetime of the surface coating are given. Furthermore, it is showed in which way the intensity of the effect of an organic film depends on the concentrations of the organic species as well as the order of magnitude of the the mass transfer reduction. The second part of the thesis deals with the investigation of ozone depletion events and extraordinary high bromine levels along the Dead Sea. The contribution of degassing bromine species out of the Dead Sea water to the total bromine budget is investigated by including this process explicitly in a numerical model. It is showed that only when considering this process it is possible to simulate high mixing ratios for BrO and low mixing ratios for ozone in agreement to field measurements.