Ground-Penetrating Radar (GPR) is a non-invasive electromagnetic geophysical method, which is sensitive to variations of subsurface dielectric properties. With this, GPR has become a versatile tool in various fields of geophysics and the soil science. In particular the determination of field-scale soil water content has drawn considerable research interest over the past decade. However, the quantifiability of achieved results remains often contested. In this thesis, three approaches for a quantitative use of GPR in soil hydrology are presented. First, a new calibration approach is developed for quantifying near-surface soil water contents with GPR and its applicability is demonstrated in field applications. Second, the ability of GPR methods for monitoring soil water dynamics is tested in well-controlled field experiments featuring imbibition into and drainage from a known subsurface structure. Finally, GPR applications are demonstrated in the broader context of developing monitoring schemes at a set of representative sites in a highly structured watershed.
Eine für das Klimageschehen besonders wichtige Region der Atmosphäre befindet sich über den Wolken: die Tropopause. Darunter liegt die Troposphäre, die das Wetter bestimmt, und darüber die Stratosphäre mit ihrer schützenden Ozonschicht. Der Luftaustausch zwischen den beiden sehr unterschiedlichen Regionen hat einen großen Einfluss auf die Wärmebilanz und die Bodentemperaturen der Erde. Erste Atmosphärenmessungen des Forschungsflugzeugs HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft), an denen auch Wissenschaftler um Prof. Dr. Klaus Pfeilsticker vom Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg beteiligt sind, widmen sich der Untersuchung dieser Region. Campus-TV berichtet in seiner Oktober-Ausgabe von diesem Objekt.
To predict the of Earth system dynamics, observations of the vadose zone structure and water content are of vital interest. A suited measurement technique is ground penetrating radar (GPR). In this dissertation, the constructive inversion of surface GPR data is introduced. It relies on a parameterized model of the subsurface structure and distribution of dielectric permittivity. With it, GPR measurements are simulated by numerically solving Maxwell’s equations. After detecting signals in the measured and simulated data, the residuals of the signals’ traveltime and amplitude is iteratively minimized to estimate the subsurface parameters. Then, water content is computed from dielectric permittivity. The method was applied to measurements obtained on a testbed, providing ground-truth data. A comparison with the estimation results showed an agreement for the structure within ±5 cm and for the water content, a difference less than 2 % vol. A further evaluation of field data demonstrated the method’s applicability, when representing structure and permittivity by spline functions. Additionally a time-series was evaluated with assuming a constant structure, which enabled to interpret water dynamics. Besides providing accurate information on water content distribution and subsurface structure, the method allows the future attempt to estimate hydraulic properties.
This thesis deals with projection methods of soil temperature and soil moisture into depth by a forward model based on near-surface time-series. In addition, thermal as well as hydraulic soil parameters are estimated by using the Levenberg-Marquardt algorithm. For soil temperature, two analytical projection methods are compared which use the transfer function and the Fourier transform approach, respectively. In each case, additional mathematical strategies are required to improve the projection results, e. g. by adding an integral over the initial profile or applying the Tukey window on the time-series. The resulting projected temperature matches field measurements very well, especially for the transfer function method a residuum down to ±0.05 �C is achieved. Further, the uniqueness of the parameter space is evaluated and the temporal evolution of the thermal diffusivity is estimated through both projection methods. The projection of near-surface soil moisture is realized numerically by a finite volume scheme due to the strong non-linearity of the system. On the basis of synthetic data the conditions are explored under which accurate estimations of the hydraulic parameters are feasible. One of these conditions is found to be that the water content range should be larger than 0.5 times of the porosity. The corresponding relative parameter error is found to be some 10−5. Furthermore, the study shows that an accurate estimation is more feasible for soils with a lower saturated conductivity, and steep functions of the hydraulic properties. This is typically the case for soils with a higher sand content. Data from a field site is then used to verify the findings of the synthetic study and to discuss limitations, e.g. ponding water at a soil layer interface.
Wissenschaftler überall auf der Welt entwickeln Ideen zum Abbau der Treibhausgase in der Atmosphäre. Der Heidelberger Umweltphysiker Ulrich Platt beschreibt einige davon. "Campus-Report" heißt die Radiosendung der Universitäten Heidelberg, Mannheim, Karlsruhe und Freiburg. Die Reportagen über aktuelle Themen aus Forschung und Wissenschaft werden montags bis freitags jeweils um ca. 19.10h im Programm von Radio Regenbogen gesendet. (Empfang in Nordbaden: UKW 102,8. In Mittelbaden: 100,4 und in Südbaden: 101,1)
Eiskristalle spielen unter anderem durch die Beeinflussung des globalen Strahlungshaushalts und ihrer Beteiligung an der Niederschlagsbildung in den gemäßigten Breiten eine wichtige Rolle. Dabei bestimmt die von Eisübersättigung und Temperatur abhängige Eiskristallmorphologie den Anteil der solaren Rückstreuung und damit die Kühlung der Erde. Die Kristallwachstumsraten bestimmen die Zeit bis, ein Eiskristall die notwendige Größe erreicht, um aus der Wolke als Niederschlag auszusedimentieren. In dieser Arbeit wurde das Eiskristallwachstum auf gefrorenen Mikrotröpfchen und Silberiodidparikeln untersucht. Dafür wurde die elektrodynamische Levitation nach Wolfgang Paul verwendet, um ein berührungesfreies, dreidimensional ungestörtes Wachstum der Eiskristalle zu ermöglichen. Um Eisübersättigung bei definierter Temperatur zu erzeugen, wurde das bestehende Levitationssystem adaptiert und das Prinzip der Diffusionskammer umgesetzt. In diesem neuartigen Aufbau ist es möglich, die Eisübersättigung zu variieren und damit das Eiskristallwachstum bei atmosphärisch vergleichbaren Bedingungen zu beobachten. Im Folgenden wurde die Morphologie, die Flächen- und Massenwachstumsraten von Eiskristallen im Temperaturbereich zwischen -8 °C und -24 °C untersucht. Dabei wurde die relative Feuchte bezüglich Wasser zwischen 87% und 106% (100% - 130% bezüglich Eis) variiert. Die in diesem Aufbau untersuchten Eiskristalle zeigten hinsichtlich der Morphologie und der Wachstumsraten eine gute Übereinstimmung mit dem in der Literatur beschriebenen Wachstumsverhalten. Eine Beeinflussung des Kristallwachstums durch das elektrodynamische Levitationsfeld konnte nicht beobachtet werden.
Die Kapillarsaumreflexion von einem Wassergehaltsprofil im hydraulischen Gleichgewicht und während eines Pumpvorgangs wird durch numerische Simulationen einer on-ground GPR-Messung untersucht. Diskutiert wird die Abhängigkeit des reflektierten Wavelets von den hydraulischen Parametern und dem Parametrisierungsmodell, wobei die Modelle von Brooks-Corey, van Genuchten und dessen vereinfachte Form mit m=1-1/n verwendet werden. Durch Benutzung von Informationen aus dem Zeitbereich und dem Frequenzbereich sind die Auswirkungen der Parameter unterscheidbar, die verschiedenen Parametrisierungsmodelle zeigen signifikant unterschiedliche Reflexionen. Zwei Pumpexperimente am ASSESS-GPR Testfeld werden diskutiert, bei denen zeitabhängige Messungen mit einer stationär platzierten GPR-Antenne durchgeführt wurden. Im ersten Experiment wird eine durch Verdichtung entstandene Schicht nachgewiesen. Die resultierende Änderung der hydraulischen Parameter relativ zum nicht verdichteten Sand werden diskutiert. Die Radargramme des zweiten Experiments erlauben die Identifikation des Kapillarsaums und seiner Bewegung durch den Boden. Die erwartete Dynamik der Wasserverteilung kann durch die Radargramme nachvollzogen werden. Ein Vergleich der beobachteten Kapillarsaumreflexion mit numerischen Simulationen erlaubt die Auswahl eines passenden Parametrisierungsmodells aus den genannten Modellen. Die gemessenen Radargramme werden mit manuell angepassten Parametern durch numerische Simulationen semi-quantitativ reproduziert. Insgesamt rechtfertigen die Ergebnisse die Möglichkeit einer Inversion der GPR-Daten zur Schätzung der hydraulischen Parameter. Ein Vorschlag für eine Inversion wird gegeben.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Phänomen der Halogenaktivierung und der damit einhergehenden Zerstörung von bodennahem Ozon in der polaren Troposphäre. Mit aufsteigender Sonne im Frühjahr werden reaktive Halogenverbindungen aus Seesalz freigesetzt und tragen zu der katalytischen Zerstörung von Ozon mit weitreichenden Konsequenzen für die Chemie der arktischen und antarktischen Atmosphäre bei. Unter anderem entstehen dabei Brom-Monoxid (BrO) Radikale, welche mittels differentieller optischer Absorptionsspektroskopie (DOAS) nachgewiesen werden können. In Rahmen dieser Doktorarbeit werden LP-DOAS und MAX-DOAS Messungen, welche in Barrow, Alaska durchgeführt wurden, und Satellitendaten von GOME-2 verglichen und zu einer dreidimensionalen Beschreibung der BrO Verteilung kombiniert. Eine wesentliche Verbesserung der Korrelation zwischen Boden- und Satellitenmessungen wurde durch die Entwicklung eines neuen Algorithmus zum Nachweis von troposphärischem BrO in Satellitenmessungen, der den störenden Einfluss stratosphärischer Inhomogenitäten im Vergleich zu früheren Methoden wesentlich verringert, erreicht. Die nun verfügbaren, korrigierten Satellitenmessungen der Jahre 2007 bis 2010 bilden die Grundlage für weitere systematische Untersuchungen der BrO Verteilung in der arktischen Troposphäre, die sich auf die von Meereis und Schnee bedeckten Flächen konzentriert. Neben primären Freisetzungsmechanismen aus dem Meereis, die zu Beginn des Frühjahres bei tiefen Temperaturen offenbar effizienter sind, spielen auch meteorologische Mischungsprozesse eine wesentliche Rolle. Die zeitlichen und räumlichen Muster der BrO Verteilung lassen sich so mit der Chemie im Übergangsbereich zwischen halogenreicher, ozonarmer und ozonreicher Luft erklären, wie sie zum Beispiel entlang von Fronten auftreten kann. Darüber hinaus folgt daraus, dass die Ozonkonzentration im Frühjahr über weiten Teilen der arktischen Meereisoberfäche wesentlich geringer sein muss als in der freien Troposphäre.
Als Brom und Chlor 'Explosion' (BE und CE) bezeichnet man die autokatalytische, heterogene Freisetzung von reaktiven Halogenverbindungen (RHV). Bei der Zerstörung von atmosphärischem Ozon und der Beeinflussung der HOx und NOx Chemie, spielen die RHV BrO und ClO eine grosse Rolle. In dieser Arbeit werden die ersten direkten Messungen des BrO aus der BE über einer künstlichen Salzpfanne in einer Smogkammer unter troposphärischer Lichteinstrahlung gezeigt. Zudem wurden ClO, OClO (aus der CE) und BrO aus künstlichem Seesalzaerosol freigesetzt, beobachtet. Ein White System in Kombination mit Diff erentieller Optischer Absorptions Spektroskopie (DOAS) und ein Ultraviolett-LED Resonator verstärktes DOAS Instrument wurden installiert, um diese RHV zu messen. Maximale BrO Konzentration von mehr als 6 ppb wurden bei einer relativen Luftfeuchte von 60 % gemessen. Die BrO Bildung war stark von der Luftfeuchte abhängig. Diese Abhängigkeit kann durch die Dicke der Flüssigkeitsschicht auf den Salzkristallen erklärt werden. Es stellte sich weiterhin heraus das sekundäres organisches Aerosol die BrO Bildung aus der Salzpfanne hemmt. Während der Salzaerosol Experimente bilden sich bis zu 17 ppb ClO, 6 ppb OClO und 1.6 ppb BrO bei hohen NO2 und O3, was auf die Ansäuerung des Aerosols durch die Reaktion mit NO2 zurückgeführt werden kann. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass OClO und wahrscheinlich OBrO wichtig für die Halogenfreisetzung sind. Während die BE in der Natur beobachtet wurde, bleibt die Frage, wie wichtig die CE für die Troposphäre ist, ungeklärt.
In der Dosimetrie und Charakterisierung relevanter Materialeigenschaften stoßen etablierte Expositionsverfahren zur Bewertung der toxischen Wirkung von nanoskaligen Partikeln an ihre Grenzen. Zur Untersuchung der Wirkung inhalierter Partikel wird daher zunehmend das Verfahren zur in vitro Exposition von Lungenzellen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht eingesetzt. In dieser Arbeit wurde ein entsprechendes Expositionssystem aufgebaut, im Detail charakterisiert und für die Untersuchung von Nanopartikeln eingesetzt. Zur Vorhersage der Depositionsezienzen wurde ein uid-dynamisches Modell für Partikelgröÿen zwischen 20 nm und 2 m entwickelt und experimentell validiert. Die relativ geringe Depositionsezienz der Expositionskammern von ca. 1% wurde durch ein elektrostatisches Feld um mehr als eine Gröÿenordnung erhöht, so dass die Simulation akut erhöhter Partikelbelastungen möglich ist. Die Funktionstüchtigkeit des Expositionssystems wurde mit luftgetragenen Metalloxidnanopartikeln (TiO2, SiO2) und Ruÿaerosol demonstriert. Dazu wurden verschiedene Aerosolerzeugungsverfahren getestet und die Aerosole insbesondere bezüglich ihres Agglomerationszustands und Residualpartikelanteils charakterisiert. Zur Bestimmung der deponierten Dosis wurden verschiedene Methoden untersucht und deren Anwendungsbereiche eingegrenzt. Die aus den Expositionsversuchen ermittelten wirksamen Dosen wurden mit realistischen Partikelbelastungen verglichen und den beobachteten Reaktionen der A549 Lungenzelllinie gegenübergestellt. Akute inammatorische und zytotoxische Zellreaktionen wurden nur nach Exposition mit unnatürlich hohen Dosen an SiO2 Nanopartikeln beobachtet.
Water vapor is a crucial quantity in cloud studies at the aerosol and cloud chamber AIDA (Aerosol Interactions and Dynamics in the Atmosphere). The chamber is equipped with three tunable diode laser (TDL) hygrometers for the accurate and precise measurement of water vapor and total water concentration as well as liquid/ice water content down to the low ppb range. This thesis presents instrumental improvements, new developments, and assessment of the performance of these instruments – with special emphasis on measurement accuracy. For online evaluation of the AIDA TDL hygrometers’ measurement data, there is demand for a fast, accurate, and robust method which has been developed with the advanced integrative fitting algorithm. Besides utilization at AIDA, this algorithm could find further application in atmospheric trace gas measurements, combustion process analysis, or could be integrated into embedded systems with limited computing power. The capabilities of the AIDA TDL hygrometers have been applied to AIDA experiments investigating ice particle growth within cirrus clouds in the temperature range between 190 K and 235 K. These experiments could constrain the accommodation coefficient of water molecules on growing cirrus ice particles, alpha_ice, which is relevant for the initial stage of ice growth in cirrus clouds. The temperature averaged result alpha_ice=0.8_(-0.5)^(+0.2) suggests that cirrus ice particle growth is not significantly suppressed as it would be for a low alpha_ice<0.1. Therefore, implications of alpha_ice for cirrus clouds and their characteristics should be minor and future cirrus cloud model studies can rely on a well constrained alpha_ice.
In this thesis, the vertical distribution of atmospheric trace gases and aerosols were retrieved using Multi-Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS). Various inversion methods were used to retrieve the profiles from the MAX-DOAS measurements. A new MAX-DOAS instrument optimized for the measurement of aerosol and trace gas profiles was developed. The retrieval methods were tested and advanced in the scope of the EUSAAR (European Supersites for Atmospheric Aerosol Research) project. Several intercomparison campaigns were carried out in Cabauw (the Netherlands), Ispra (Italy) and Leipzig/Melpitz (Germany). Aerosol extinction and NO2 profiles were retrieved from the MAX-DOAS measurements and compared to independent in situ and remote sensing measurements. Good agreements were achieved for both the aerosol and NO2 profiles. Furthermore, the diluted plume of the Eyjafjallajokull volcano, Iceland, was detected by MAX-DOAS SO2 measurements over Heidelberg in April and May 2010. These measurements showed an unambiguous detection of SO2, and are in agreement with satellite observations and model predictions. The here presented advances in instrumental hardware and retrieval algorithms demonstrate that MAX-DOAS is a powerful tool for monitoring the vertical distribution of atmospheric constituents. Verified by independent measurements, its integration in worldwide measurement networks is recommended.