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This work presents a new method to measure model independent viscosities of inhomogeneous materials at high temperatures. Many mechanisms driving volcanic eruptions are strongly influenced by the viscous properties of the participating materials. Since an eruption takes place at temperatures at which these materials (predominantly silicate melts) are not completely molten, typically inhomogeneities, like e.g. equilibrium and non-equilibrium crystals, are present in the system. In order to incorporate such inhomogeneities into objective material parameters the viscosity measurement is based on a rotational viscometer in a wide gap Couette setup. The gap size between the two concentric cylinders was designed as large as possible in order to account for the inhomogeneities. The emerging difficulties concerning the model independent data reduction from measured values to viscosities are solved using an appropriate interpolation scheme. The method was applied to a material representative for the majority of volcanic eruptions on earth: a typical continental basaltic rock (Billstein/Rhön/Germany). The measured viscosities show a strong shear rate dependency, which surprises, because basaltic melt has been, until now, assumed to behave as a Newtonian fluid. Since a non-Newtonian material shows a very different relaxation behavior in the Couette motion compared to a Newtonian one (which, ultimately, does not show any), and a strong relaxation signal was recorded during viscosity measurements, the equations of Couette motion were investigated. The time dependent stress distribution in a material due to a quasi step-like velocity change at the inner Couette radius (i.e. the spindle) was considered. The results show that a material combining a linear shear modulus and a Newtonian viscosity -- a Maxwell material -- cannot quantify the relaxation behavior. This could be considered as a hint, that the widely used Maxwell relaxation times cannot be applied as a 1:1 mapping from microscopic considerations to macroscopic situations.
Inland surface water is often the most accessible freshwater source. As opposed to groundwater, surface water is replenished in a comparatively quick cycle, which makes this vital resource — if not overexploited — sustainable. From a global perspective, freshwater is plentiful. Still, depending on the region, surface water availability is severely limited. Additionally, climate change and human interventions act as large-scale drivers and cause dramatic changes in established surface water dynamics. Actions have to be taken to secure sustainable water availability and usage. This requires informed decision making based on reliable environmental data. Monitoring inland surface water dynamics is therefore more important than ever. Remote sensing is able to delineate surface water in a number of ways by using optical as well as active and passive microwave sensors. In this review, we look at the proceedings within this discipline by reviewing 233 scientific works. We provide an extensive overview of used sensors, the spatial and temporal resolution of studies, their thematic foci, and their spatial distribution. We observe that a wide array of available sensors and datasets, along with increasing computing capacities, have shaped the field over the last years. Multiple global analysis-ready products are available for investigating surface water area dynamics, but so far none offer high spatial and temporal resolution.
This thesis on the “Impacts of extreme hydro-meteorological events on electricity generation and possible adaptation measures – a GIS-based approach for corporate risk management and enhanced climate mitigation concepts in Germany” presents an identification of hydro-meteorological extreme events in Germany and their effects on electricity generating units, i.e. on conventional thermal and nuclear power plants as well as on installations of the renewable energies of hydropower, wind energy and photovoltaic installations. In addition, adaptation measures and strategies are named that help power plant operators to prepare for a changing climate. Due to the different requirements of large facility operators and local planners and owners of renewable energies, the work contains the two approaches of corporate risk management and climate mitigation concepts. A changing climate not only consists of a shift in mean values of weather parameters such as global and regional air temperature and precipitation, but may also result in more frequent and more severe single events such as extreme precipitation, tornadoes and thunderstorms. In two case studies, these findings are implemented into an adjusted general risk management structure. This is enhanced by the use of Geographical Information Systems (GIS) to accomplish a localisation of events and infrastructure. The first example gives insight into the consequences of ice throw from wind turbines and how climate mitigation concepts can act as a framework for an adapted, sustainable energy planning. The second example on the other hand highlights a GIS-based flood risk management for thermal power plants and the benefits of an adjusted corporate risk management cycle. The described approach leads to an integrated management of extreme hydro-meteorological events at power plant site respectively district level by combining two cycles of site-related and local planning in addition to GIS-based analyses. This is demonstrated as an example by the comparison of two districts in Germany. The practical outcome is a comprehensive support for decision-making processes.
Orogene Prozesse in kontinentalen Kollisionszonen werden in zwei- und dreidimensionalen numerischen Modellen auf Basis der Finite-Elemente Methode (FEM) untersucht. Dabei stehen die Verteilung der Deformation innerhalb der Modellkruste, die korrespondierenden Spannungsfelder und die aus Temperaturfelddaten und Partikelpfaden abgeleitete metamorphe Entwicklung von Krustengesteinen im Vordergrund. Die Studie gliedert sich in einen methodischen Teil, umfangreiche Parameterstudien und spezielle Anwendungen auf fossile und rezente Orogene. Kontinentale Kollisionszonen sind - insbesondere in den tieferen Krustenstockwerken – durch hohe Beträge penetrativer Deformation gekennzeichnet. Im methodischen Teil der Arbeit wird eine Technik vorgestellt, mit deren Hilfe Verformungen des beobachteten Umfangs mit dem auf rein LAGRANGEscher Formulierung basierenden kommerziellen FE-Programmpaket ANSYS® modelliert werden können. Die speziell für Fragestellungen orogener Krustendynamik entwickelten Programmpakete OROTRACK bzw. OROTRACK3D umfassen Neuvernetzungs- und Ergebnisverwaltungsalgorithmen, die eine Modellierung von Konvergenzbeträgen bis zu mehreren hundert Kilometern erlauben. Zusätzlich können mittels einer Schnittstelle zu Oberflächenmodellen die Folgen exogener Prozesse auf die orogene Dynamik berücksichtigt werden. Weitere Charakteristika der Modellierungstechnik sind eine vollständige thermomechanische Kopplung, die Anwendung differenzierter Materialeigenschaften für verschiedene Krustenstockwerke sowie die Möglichkeit, die Deformation - den lokal herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen entsprechend - entweder durch spröde oder duktile Materialgesetze zu approximieren. Die zur Beschreibung eines Kollisionsszenarios aufgebrachten Randbedingungen basieren auf den Grundlagen eines Mantelsubduktionsmodells (Willett et al. 1993). In 2D-Modellen wird ebene Verformung in einem Schnitt durch die kontinentale Kruste zweier kollidierender Platten modelliert, die basal einer vom lithosphärischen Mantel aufgeprägten Verschiebung unterliegen. Wird der lithosphärische Mantel der linken Platte an einem Punkt S unter die rechte Platte subduziert, ergibt sich für den linken Modellteil eine horizontale Verschiebung der Modellbasis nach rechts, während im rechten Modellteil keine Verschiebung der Modellbasis erlaubt ist. Im Bereich des Punktes S kommt es zu einer Diskontinuität der basalen Geschwindigkeit und somit zu maximaler Deformation. In publizierten Kollisionsmodellen, die auf ähnlichen Ansätzen beruhen, wird häufig rein sprödes Materialverhalten angenommen oder der duktile Anteil der Kruste durch geringe Krustentemperaturen klein und hochviskos gehalten. Unter diesen Bedingungen kann eng auf das Orogenzentrum lokalisierte Deformation mit einem typischerweise bivergenten Strukturmuster abgebildet werden (Willett et al. 1993 u.a.). Demgegenüber beweist eine erste Reihe zweidimensionaler Parameterstudien eine starke Abhängigkeit des beobachteten Deformationsmusters von den herrschenden Krustentemperaturen und der Konvergenzrate. Bei höheren Krustentemperaturen bildet sich demnach ein Entkopplungshorizont an der Krustenbasis, der für die oberen Krustenstockwerke eine verbreiterte und diffuse Deformationszone bedingt und die erzielte Krustenverdickung limitiert. Über die Verformungsratenabhängigkeit des duktilen Materialverhaltens und den unterschiedlichen Grad thermischer Reequilibrierung innerhalb der verdickten Kruste haben Variationen der Konvergenzrate ähnliche Auswirkungen auf das orogene Deformationsmuster. Verbesserte Modelle mit Neuvernetzungstechnik werden in Parameterstudien getestet, die den Einfluss unterschiedlicher Temperatur-Viskositätsfunktionen auf die Lokalisierung der Deformation und die resultierende synkonvergente Exhumierung metamorpher Gesteine quantifizieren. Ein rheologisches Verhalten, das eine effiziente mechanische Kopplung innerhalb des Krustenprofils gewährleistet, ist demzufolge nicht nur Voraussetzung für lokalisierte Krustenverdickung, sondern auch für rasche Exhumierung von Unterkrustengesteinen durch ein Zusammenspiel von Erosion und isostatischer Hebung. Die Modelle zeigen weiter, dass maximale Exhumierungsbeträge bei rheologisch vergleichsweise festem Verhalten der Unterkruste erzielt werden. Im Einzelnen kann die Variabilität der Versenkungs- und Exhumierungsgeschichte von Materialpunkten im Modellschnitt aus synthetischen PT-Pfaden ersehen werden. Der Wirkungskomplex um Krustentemperaturen, orogene Deformationslokalisierung und synkonvergente Exhumierung ist für die Kollisionsphase der variscischen Orogenese in Mitteleuropa von besonderer Bedeutung. Hochtemperaturmetamorphose und weitverbreitete granitoide Intrusionstätigkeit sind hier Ausdruck hoher Krustentemperaturen; dennoch sind an den Grenzen der klassischen tektonometamorphen Einheiten - im Bereich von Schwarzwald und Vogesen sowie der Mitteldeutschen Kristallinschwelle (MDKS) - eng lokalisierte Teilorogene mit bivergentem Strukturmuster sowie eine rasche synkonvergente Exhumierung amphibolitfazieller Gesteine dokumentiert. Ein solches Nebeneinander ist aus Sicht der Parameterstudien nur durch eine vergleichsweise hochviskose Unterkrustenrheologie zu erklären. In einer Fallstudie zur MDKS kommen in neueren experimentellen Arbeiten bestimmte Kriechparameter (Mackwell et al. 1998) zur Anwendung, mit denen ein derartiges Materialverhalten simuliert werden kann. Der in den reflexionsseismischen Profilen DEKORP 2N und 2S dokumentierte großmaßstäbliche Strukturbau im Bereich des rhenohercynischen Falten- und Überschiebungsgürtels, der MDKS und des saxothuringischen Beckens, sowie die an heute exhumierten Gesteine bestimmten metamorphen Maximalbedingungen können auf dieser Grundlage numerisch reproduziert werden. Eine Erweiterung der Modellierungstechnik auf dreidimensionale FE-Modelle dient der Berücksichtigung orogenparalleler Deformation, die im Randbereich von Kollisionszonen in effektivem Materialtransport resultieren kann; diese Prozesse sind u.a. als „tectonic escape“ (Burke & Sengör 1986) oder „lateral extrusion“ (Ratschbacher et al. 1991b) beschrieben worden. Unter der Annahme orthogonaler Konvergenz wird im 3D-Modell der Mantelsubduktionsansatz der 2D-Modelle zunächst in orogenparalleler Richtung extrudiert (Randbereich des Kollisionsorogens). Im angrenzenden, hinteren Teil des Modells (laterales Vorland des Kollisionsorogens) ist die Modellbasis dagegen keiner Verschiebung oder Fixierung unterworfen. Die Modellränder unterliegen hier einer sogenannten „no-tilt“-Bedingung, die eine differentielle Horizontalverschiebung initial übereinanderliegender Knoten verbietet. In einer Reihe von Parameterstudien werden das kinematische Muster, die räumliche Verteilung der Deformation und die zeitlichen Variationen des oberflächlichen Spannungsfelds untersucht, die sich bei modifizierten Randbedingungen ergeben. Laterale Extrusion ist demnach im Randbereich von Kollisionsorogenen trotz unterschiedlichster Modellszenarien stets präsent. Da die Lateralbewegungen zeitgleich mit der Kollision einsetzen und im Laufe der weiteren konvergenten Krustenverkürzung nur wenig beschleunigt werden, ist der von horizontalen Kräften ausgelöste „tectonic escape“ der dominierende Prozess, während gravitativ induzierte Bewegungen nur eine sekundäre Rolle spielen. Rigide Modellränder in Teilen des lateralen Vorlands modifizieren sowohl Umfang als auch Verteilung der Horizontalbewegungen, ihre Auswirkungen auf das Orogen selbst sind dagegen vergleichsweise gering. Variationen der Krustentemperaturen, der Konvergenzrate und der Unterkrustenrheologie beeinflussen dagegen sowohl die orogene Deformation als auch die des lateralen Vorlands. Unter der Annahme einer festen, isotropen Kopplung zwischen der Krustenbasis und dem bewegten lithosphärischen Mantel werden Extrusionsraten simuliert, die 30% der Konvergenzrate nicht überschreiten. Bis zu 70% können dagegen erreicht werden, wenn eine orogenparallele Beweglichkeit der Modellbasis gestattet wird. Die überragende Bedeutung dieser basalen Randbedingung erlaubt eine Interpretation des miozänen lateralen Extrusionsereignisses in den Ostalpen (z.B. Ratschbacher et al. 1991a). Wenn im Bereich der heutigen Ostalpen zu Beginn der lateralen Extrusion noch kein orogene Topographie bestand (Frisch et al. 1998), fand laterale Extrusion zeitgleich mit bedeutender Krustenverdickung statt; dies spricht für eine Dominanz des von horizontalen Kräften induzierten Prozesses „tectonic escape“ über gravitatives Kollabieren. In jedem Fall legt das in etwa ausgeglichene Verhältnis zwischen Plattenkonvergenz und lateraler Extrusion die Existenz eines basalen Entkopplungshorizonts nahe. Andere Faktoren, die zur Erklärung des Extrusionsereignisses herangezogen werden, z.B. die Indentation der Südalpen oder ein extensives Regime im Bereich des Pannonischen Beckens, können das Deformationsmuster beeinflusst haben, die beobachteten Verschiebungsbeträge sind damit jedoch aus Sicht der Modellstudien nicht plausibel zu machen. Aufgrund ihres großen Maßstabs lassen sich die Verhältnisse bei der Kollision Indiens mit der Eurasischen Platte bislang nur phänomenologisch mit den Modellergebnissen vergleichen. Eine skalierte Fallstudie bleibt somit eine Herausforderung für zukünftige FE-Modelle.
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Various amphibolites, metagabbros and eclogitic relics of the Mariimske Lazne complex, and amphibolites from the Cerna Hora Massif exhibit an uniform geochemical character which compares well with modern mid-ocean ridge basalts. Geochemically these metabasites are similar to the amphibolites of the My to area and to schistose. partly striped amphibolites of the neighbouring Tirschenreuth-Mahring Zone and the Erbendorf-Vohenstrauss Zone (Bavaria). Greenschists and amphibolites from the Domailice metamorphic complex show an alkaline-basaltic tendency conforming to modern within-plate basalts or basalts from anomalous midocean ridge segments. In their chemical character, these metabasites compare well with the flaseramphibolites of the Erbendorf-Vohenstrauss Zone. Fine-grained amphibolites in the Warzenrieth area and gabbroic amphiboltes in the Blatterberg-Hoher Bogen area show normal MORB character. The metamorphosed gabbroic rocks in the southern part of the Neukirchen-Kdyne (meta-) igneous complex are subalkaline-tholeiitic and exhibit a magmatic differentiation trend. They differ from the neighbouring amphibolites by generally lower contents of incompatible elements.
Various amphibolites, metagabbros and eclogitic relics of the Mariänske Läzne complex, and amphibolites from the Cernä Hora Massif exhibit an uniform geochemical character which compares weil with modern mid-ocean ridge basalts. Geochemically these metabasites are similar to the amphibolites of the Myto area and to schistose, partly striped amphibolites of the neighbouring Tirschenreuth-Mähring Zone and the Erbendorf-Vohenstrauss Zone (Bavaria). Greenschists and amphibolites from the Domazlice metamorphic complex show an alkaline-basaltic tendency conforming to modern within-plate basalts or basalts from anomalaus midocean ridge segments. In their chemical character, these metabasites compare weil with the flaseramphibolites of the Erbendorf-Vohenstrauss Zone. Fine-grained amphibolites in the Warzenrieth area and (gabbro-) amphibolites in the Blätterberg-Hoher Bogen area show normal MORB character. The metamorphosed gabbroic rocks in the southern part of the Neukirchen-Kdyne (meta-) igneous complex are subalkaline - tholeiitic and exhibit a magmatic differentiation trend. They differ from the neighbouring amphibolites by generally lower contents of incompatible elements.
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Comprehensive geochemical investigations of rnetabasites yielded constraints for a correlation of, or discrimination between the different tectonic units within the northeast Bavarian crystalline basement. The Münchberg nappe pile consists of at least five large tectonic units which exhibit differences in lithology, in part also in metamorphie grade and in metamorphie history. The metabasites in each of these nappes show their own, significant geochemical characteristics. The lowermost tectonic unit, the Bavarian lithofacies, includes the anchimetamorphie Ordovician Randschieferserie which contains alkaline basalts. In their geochemistry, they are sirnilar to the metabasites of the Fichtelgebirge crystalline complex in the autochthonous Saxo-thuringian. The next higher tectonic unit of the Münchberg nappe pile, the Prasinit-Phyllit-Serie contains metabasites which can be derived from subalkaline basalts with a clear calc-alkaline tendency. There is a striking geochemical resemblance to the metabasites of the Erbendorf Greenschist Zone (EGZ) underscorinq the similar lithology of both allochthonous units which appear to be in a similar tectonic position. The Randamphibolit-Serie higher up in the Münchberg nappe pile consists of metabasites with tholeiitic characteristics and a pronounced differentiation trend. The next higher tectonic unit, the Liegendserie of the Münchberg gneiss cornplex s. str., contains metagabbros to metagabbronorites with a high-Al basaltic composition. The amphibolites and banded hornblende gneisses of the overlying Hangendserie are of subalkaline basaltic character with calc-alkaline affinity. The Zone Erbendorf-Vohenstrauss (ZEV) is currently regarded as an allochthonous unit equivalent to the higher crystalline nappes of the Münchberg pile. However, the geochemical character of the metabasites do not encourage such a correlation. Neither the schistose and striped amphibolites nor the flaseramphibolites of the ZEV with their N-KORB and E-MORB character respectively, find convincing counterparts in the crystalline nappes of the Münchberg pile. However, an interestingly close resemblance exists between the schistose and striped amphibolites in the ZEV, on the one hand, and in the autochthonous Zone Tirschenreuth- Mähring (ZTM) and the adjacent Moldanubian sensu strictu, on the other. Owing to the absence of age criteria, our results cannot be used, so far, to reconstruct the paleogeographical position of the individual tectonic units, based on the geochemical characteristics of their respective metabasites.
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Geochronologische Untersuchungen in der Oberpfalz: K/Ar Mineral- und Rb/Sr Gesamtgesteinsdatierungen
(1986)
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The Ringgold Knoll pegmatite, a late-stage member of the Granite Harbour Intrusives, crosscuts high-grade Wilson gneisses of the Oates Coast, which forms the westernmost part of the Wilson Terrane at the Pacific end of the Cambro-Ordovician Ross orogenic belt in West Antarctica. The pegmatite mineral assemblage consists of K-feldspar, plagioclase, quartz, garnet (almandinespessartine-pyrope), dark tourmaline (schorl-dravite), muscovite, apatite, monazite, zircon, blue AI-rich tourmaline and dumortierite in order of decreasing abundances. Major, minor and rare earth elements are reported for the greater part of the mineral assemblage. The time of pegmatite emplacement is constrained by Rb-Sr and Sm-Nd isochron ages of 492 ± 8 (2a) Ma and 500 ± 40 (2a) Ma, respectively. High initial 87Sr/86Sr of 0.7315 ± 0.0003 and low E Nd,t of -8.7 ± 1.2 strongly support an origin of the magma from highly evolved crustal source rocks. K-Ar and Ar-Ar model ages of about 470 to 475 Ma for igneous muscovite indicate that the pegmatite together with its wall rocks spent a prolonged period at elevated temperatures before final cooling below about 350 °C. The muscovite dates may give an estimate for the time of exhumation of the Oates Coast crystalline basement along two major late Ross orogenic detachment zones within the Wilson Terrane i.e. the Wilson and the Exiles thrusts (c.f. FLÖTTMANN and KLEINSCHMIDT, 1991).
An Metabasiten der Zone Erbendorf-Vohenstrauß, der Erbendorfer Grünschieferzone und der Zone Tirschenreuth-Mähring wurden petrographische, geochemische und phasenpetrologische Untersuchungen sowie K-Ar-Mineraldatierungen durchgeführt. In der Zone Erbendorf-Vohenstrauß treten in regionaler Abhängigkeit drei Haupttypen von Metabasiten auf: 1. Flaseramphibolite mit der Paragenese Hornblende + Oligoklas/ Andesin + Granat ± Salit und mit Plagioklas- und / oder Kalksilikat-reichen Flasern findet man hauptsächlich im nördlichen und zentralen Teil der Zone Erbendorf-Vohenstrauß. Geochemisch zeigen sie eine deutliche Anreicherung der inkompatiblen Elemente und der leichten Seltenerdelemente und sind vergleichbar mit modernen Tholeiiten von ozeanischen Inseln oder anomalen Abschnitten mittelozeanischer Rükken. Ein kontinentaler Intraplatten-Charakter scheint nicht gegeben. In der Kontaktaureole von Windisch-Eschenbach wurde ein Teil der Flaseramphibolite kontaktmetamorph überprägt. 2. Schiefrige, teils streifige Amphibolite mit der Paragenese Hornblende + Andesin / Labrador ± Salit dominieren im Süd teil der Zone Erbendorf-Vohenstrauß, erscheinen aber in einzelnen Ausstrichen auch im Norden. Die Streifung entsteht durch Plagioklas- und / oder Kalksilikat-reiche Zwischenlagen. Geochemisch sind diese Amphibolite bei flachen Spurenelement- und Seltenerdelement- Mustern vergleichbar mit modernen Tholeiiten von normalen Abschnitten mittelozeanischer Rücken. Sowohl Flaseramphibolite als auch schiefrige, teils streifige Amphibolite zeigen Übergänge zu massigen, homogenen Amphiboliten. 3. Metagabbros mit der Paragenese Hornblende + Plagioklas ± Biotit und einer grobkörnigen, gabbro iden Textur treten hauptsächlich im Bereich der Schuppenzone Michldorf-Kaimling (VOLL 1960) auf. Geochemisch nehmen sie bei einer schwachen Anreicherung der inkompatiblen Elemente eine Zwischenstellung zwischen Flaseramphiboliten und schiefrigen, teils streifigen Amphiboliten ein. In der Erbendorfer Grünschieferzone treten Metagabbros und schiefrige, teils gestreifte Amphibolite mit der Paragenese Hornblende + Oligoklas ± Epidot ± Chlorit auf. Die Amphibolite wurden z. T. stark retrograd überprägt und dabei auch deformiert. Dies wird auf größere, post-regionalmetamorphe, tektonische Bewegungen, möglicherweise Deckenüberschiebungen zurückgeführt. Geochemisch sind die Metabasite der Erbendorfer Grünschieferzone mit modernen tholeiitischen bis kalkalkalischen, subduktionsgebundenen Basalten vergleichbar. Sie unterscheiden sich damit völlig von den südlich angrenzenden Flaseramphiboliten der Zone Erbendorf-Vohenstrauß und den nördlich benachbarten Amphiboliten des Fichtelgebirges. Dies unterstreicht die Stellung der Erbendorfer Grünschieferzone als eigenständige tektonische Einheit. Im Vergleich mit dem Münchberger Komplex zeigt die Erbendorfer Grünschieferzone große Ähnlichkeit mit der Prasinit-Phyllit-Serie hinsichtlich der tektonischen Stellung, der Lithologie und insbesondere des geochemischen Charakters der Metabasite. Zwischen der Zone Erbendorf-Vohen-strauß und den Münchberger Serien konnten bezüglich der Metabasite dagegen keine Parallelen festgestellt werden. Schiefrige, teils streifige Amphibolite der Zone Tirschenreuth-Mähring mit der Paragenese Hornblende + Andesin ± Salit (± Granat) und hellen Plagioklas- oder Kalksilikat-reichen Lagen sind geochemisch mit modernen Basalten normaler mittel ozeanischer Rücken vergleichbar. Die untersuchten Metabasite dürften die Zusammensetzung des basaltischen Ausgangsmaterials zumindest annähernd wiedergeben. In einigen Fällen wurde jedoch eine sekundäre Mobilisation von Elementen festgestellt: Die kontaktmetamorphe Überprägung eines Teils der Flaseramphibolite in der Kontaktaureole von Windisch-Eschenbach führte zu einer deutlichen Anreicherung von Rb, Li und K und zu einer Abreicherung von Ca, Sr und V, insbesondere aber von Cr und Ni. Die sog. immobilen Elemente Nb, Ce, (P), Zr, Ti, Y, Sc streuen in einem deutlich breiteren Bereich als bei den nicht kontaktmetamorphen Flaseramphiboliten. In einer Probe sind die Seltenerdelemente insgesamt angereichert. Eine Mobilisation von P20 S und den leichten Seltenerdelementen in einigen schiefrigen, teils streifigen Amphiboliten der Zone Erbendorf-Vohenstrauß und in einigen kontaktmetamorphen Flaseramphiboliten wird auf einen Abbau von Apatit im Zuge einer post-regionalmetamorphen, möglicherweise postgranitischen, hydrothermalen Überprägung zurückgeführt. Mineralchemische Untersuchungen ergaben für die Zusammensetzung der Hornblenden aus Amphiboliten der Zone Erbendorf-Vohenstrauß deutliche regionale Unterschiede, die weitgehend unabhängig von der regionalen Verteilung der einzelnen Metabasit-Haupttypen sind. Vergleichende Untersuchungen an Granat untermauern eine vermutete, frühere, eklogitfazielle Überprägung eines Granatamphibolits vom Nordrand der Zone Erbendorf-Vohenstrauß bei Hauxdorf. K-Ar-Altersdatierungen an Hornblende- und Glimmerkonzentraten belegen, daß das letzte, (Mitteldruck-) metamorphe Ereignis im Westteil der Zone Erbendorf-Vohenstrauß vor etwa 380 Ma beendet war. Dieses Alter wird korreliert mit einer letzten Metamorphose der höhermetamorphen Serien des Münchberger Komplexes zur gleichen Zeit. Im Ostteil der Zone Erbendorf-Vohenstrauß treten jüngere Altersdaten mit einem Schwerpunkt bei 324 Ma auf, die entweder auf einen Einfluß der etwa gleichalten Niederdruck-Metamorphose im unmittelbar benachbarten Moldanubikum i. e. S. oder auf die Intrusion des 324 Ma alten (KÖHLER et al. 1974) Leuchtenberger Granits zurückzuführen sind. Im Übergangsbereich vom Saxothuringikum zum Moldanubikum bei Mähring zeigen Altersdaten um 320Ma das Ende der letzten (Niederdruck-)Metamorphose an.
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Die Kupfer-Zink-Lagerstätte von Kupferberg-Neufang im Bereich der Münchberger Deckenstruktur besteht aus einem etwa 4 km langen Zug einzelner stratiformer Vererzungslinsen, der in NW-SE-Richtung vom anchimetamorphen Paläozoikum "Bayerischer" Faziesentwicklung in die Prasinit-Phyllit-Serie hinüberzieht. Bisherige lagerstättenkundliche Untersuchimgen interpretierten die gesamte Lagerstätte als einheitliche, submarin-exhalativ entstandene stratiforme Bildung in Zusammenhang mit ordovizischem basischem Vulkanismus, der in den Rahmengesteinen der Lagerstätte durch die Diabase der anchimetamorphen Randschieferserie bzw. die Prasinite der Prasinit-Phyllit-Serie dokumentiert ist. Diese Vorstellung steht jedoch in deutlichem Widerspruch zu den Ergebnissen neuerer geochemischer und biostratigraphischer Untersuchungen, die für die Diabase und Prasinite eine völlig unterschiedliche Zusammensetzung ergaben und die zeigten, daß die Prasinit-Phyllit-Serie schon im Oberproterozoikum, die erzführenden Schichten im anchimetamorphen Paläozoikum aber erst im Unterdevon sedimentiert wurden. Für eine Klärung der Situation sind weitere Untersuchungen im Bereich der Lagerstätte erforderlich.
Sufficient plant-available water is one of the most important requirements for vital, stable, and well-growing forest stands. In the face of climate change, there are various approaches to derive recommendations considering tree species selection based on plant-available water provided by measurements or simulations. Owing to the small-parcel management of Central European forests as well as small-spatial variation of soil and stand properties, in situ data collection for individual forest stands of large areas is not feasible, considering time and cost effort. This problem can be addressed using physically based modeling, aiming to numerically simulate the water balance. In this study, we parameterized, calibrated, and verified the hydrological multidimensional WaSiM-ETH model to assess the water balance at a spatial resolution of 30 m in a German forested catchment area (136.4 km2) for the period 2000–2021 using selected in situ data, remote sensing products, and total runoff. Based on the model output, drought-sensitive parameters, such as the difference between potential and effective stand transpiration (Tdiff) and the water balance, were deduced from the model, analyzed, and evaluated. Results show that the modeled evapotranspiration (ET) correlated significantly (R2 = 0.80) with the estimated ET using MODIS data (MOD16A2GFv006). Compared with observed daily, monthly, and annual runoff data, the model shows a good performance (R2: 0.70|0.77|0.73; Kling–Gupta efficiency: 0.59|0.62|0.83; volumetric efficiency: 0.52|0.60|0.83). The comparison with in situ data from a forest monitoring plot, established at the end of 2020, indicated good agreement between observed and simulated interception and soil water content. According to our results, WaSiM-ETH is a potential supplement for forest management, owing to its multidimensionality and the ability to model soil water balance for large areas at comparable high spatial resolution. The outputs offer, compared to non-distributed models (like LWF-Brook90), spatial differentiability, which is important for small-scale parceled forests, regarding stand structure and soil properties. Due to the spatial component offered, additional verification possibilities are feasible allowing a reliable and profound verification of the model and its parameterization.
In the central Alps permafrost can be expected above 2300 m a.s.l., at altitudes where mean annual air temperatures are below -1 °C. Isolated permafrost occurrences can be detected in north-exposed talus slopes, far below the timberline, where mean annual air temperatures are positive. Driving factors are assumed to be a low income of solar radiation, a thick organic layer with high insulation capacities as well as the thermally induced chimney effect.
Aim of this study is to achieve a deeper understanding of the factors determining the site-specific thermal regime, as well as the spatially limited and temporally highly variable permafrost occurrences in vegetated talus slopes.
Three supercooled talus slopes in the Swiss Alps were chosen for investigation. Substantially different characteristics were a central criterion in the selection of study sites. Located in the Upper Engadin, climatic conditions, altitude as well as dimensions of the talus slopes are comparable for the study sites Val Bever and Val Susauna; major differences are rooted in the nature of talus substrate and in humus- and vegetation distribution. Characteristics of the Brüeltobel site, located in the Appenzeller Alps, diverge with regard to climatic conditions, altitude and dimensions of the talus slope; humus- and vegetation compositions are comparable to the Val Susauna site.
Confirmation and characterisation of ground ice is accomplished by the application of electrical resistivity and seismic refraction tomography. The estimation of the spatial permafrost distribution is based on quasi-3D resistivity imaging. For the confirmation of permafrost and the analysis of its temporal variability electrical resistivity monitoring arrays were constructed and installed at all study sites, to allow year-round measurements. In addition to resistivity monitoring, the – up to now – first seismic refraction tomography winter monitoring was conducted at the Val Susauna to analyse the permafrost evolution during the winter half-year. Investigations of the ground thermal regime were based on the analysis of temperature logger data. Besides recording air- and ground surface temperatures, focus was set on the temperature evolution in vents and in the organic layer. To analyse the relationship between permafrost distribution on the one hand and humus- and vegetation distribution on the other hand, an extensive mapping of humus characteristics and vegetation composition was conducted at Val Susauna.
The existence of permafrost could be proven at all study sites. Spatially, permafrost bodies show a narrow transition to neighbouring, unfrozen areas. As observed at Val Susauna, the permafrost distribution strongly correlates with areas with exceptionally thick organic layer, high percentages of mosses and lichens in the undergrowth and dwarf grown trees. The temporal variability of permafrost has proven to be exceptionally high, with the magnitude of seasonal variations distinctly exceeding intra-annual changes. Thereby, the winter season is characterised by a significant supercooling. During snowmelt a growth in volumetric ice content is induced by refreezing of percolating meltwater on the supercooled talus.
The results confirmed the fundamental influence of the chimney effect on the existence and temporal variability of permafrost in talus slopes. Divergences in the effectiveness of the thermal regime were detected between the study sites. These are based on differences in the nature of talus material, humus characteristics and vegetation composition.
During summer, the organic material is usually dry at the daytime, inducing a high insulation capability and a protection of the subsurface against high atmospheric temperatures. Bouldery talus slopes typically show an organic layer that is fragmented by large boulders, which induces a strongly reduced insulation capability and allows an efficient heat exchange by convective airflow and percolating precipitation water. In the winter half-year, the thermal conductivity of the organic layer increases massively under moist or frozen conditions, allowing an efficient, conductive cooling of the talus material. The convective cooling in bouldery talus slopes affects an earlier onset and a higher magnitude of supercooling than under consistent humus conditions. Here, conductive heat flow is dominant and the cooling in autumn is buffered by a prolonged zero curtain. The snow cover has proven to be incapable of prohibiting an efficient supercooling of the talus slope in winter, almost independent from thickness.
A 42 m drilling was pertormed in the depresalon of Bilma, Xawar, NE-Niger. The sediment and pollen records show that after an initial deposition of dune sands there were repeated lake phases which terminated by desiccation and consolidation of spring mounds. The pollen record indicates a continuous presence of savanna vegetation. The record probably covers the period between the Upper Pleistocene and the Late Holocene. The climate was characterised by a monssonal summer rain regime giving effective rain fall of about 450-500 mm per year. Groundwater recharge was possible but estimates of the amount of water resources are difficult because of the karstic system of the escarpment and the nearly unknown hydrogeological situation.
Städte sehen sich in der Entwicklung ihres Einzelhandelsangebots zunehmend Konkurrenzsituationen zwischen traditionellen Innenstadt- und neu entstehenden Stadtrandlagen ausgesetzt, die einerseits die gestiegenen Flächen- und Produktivitätsansprüche der Unternehmen eher erfüllen, während andererseits Bürger, Politik und etablierter Handel ein Aussterben der Innenstädte befürchten. Die Konsequenzen planerischer Entscheidungen in dieser Hinsicht abzuschätzen, wird zunehmend komplexer. Dafür sind ebenso eine stärkere Individualisierung des Konsumverhaltens verantwortlich, wie eine gestiegene Sensibilität gegenüber Verkehrs- und Emissionsbelastungen. Modellierungen und Simulationen können einen Beitrag zu fundierter Entscheidungsfindung leisten, indem sie durch Prognosen von Szenarien mit unterschiedlichen Rahmenbedingungen solche Auswirkungen aufzeigen. In der Vergangenheit wurden Kaufkraftströme durch Modelle abgebildet, die auf aggregierten Ausgangsdaten und Analogieschlüssen zu Naturgesetzen oder nutzentheoretischen Annahmen beruhten. In dieser Arbeit wird dafür erstmals ein agentenbasierter Ansatz angewendet, da sich so individuelle Ausdifferenzierungen des Konsumentenhandelns wesentlich leichter integrieren und Ergebnisse anschaulicher präsentieren lassen. Dieses Konzept kann in den Sozialwissenschaften als Modellierungsparadigma genutzt werden, insofern als dass sie der Idee der Selbstorganisation von Gesellschaften recht nahe kommt. Insbesondere zeichnen sich Multiagentensysteme durch eine dezentrale Kontrolle und Datenvorhaltung aus, die es darüber hinaus ermöglichen, auch komplexe Systeme von Entscheidungsprozessen mit wenigen Spezifikationen darzustellen. Damit begegnet der Agentenansatz vielen Einwänden gegen Analogie- und Entscheidungsmodelle. Durch die konsequente Einnahme einer individuenbezogenen Sichtweise ist die individuelle Ausdifferenzierung von Entscheidungsprozessen viel eher abbildbar. Für das Forschungsprojekt konnten für einen Untersuchungsraum in Nordschweden (Funktionalregion Umea) individuenbezogene Einwohnerdaten verfügbar gemacht werden. Diese enthielten u.a. Lagekoordinaten des Wohn- und Arbeitsorts, Alter, Geschlecht, verfügbares Einkommen und Angaben zur Haushaltsstruktur. Verbunden mit Erkenntnissen aus empirischen Untersuchungen (Konsumentenbefragung, Geschäftskartierung) stellten sie die Eingabegrößen für ein agentenbasiertes Modell der Einkaufsstättenwahl bei der Lebensmittelversorgung dar. Die Konsumentenbefragung stellte regressionsanalytische Abhängigkeiten zwischen sozioökonomischen Daten und Konsumpräferenzen bezüglich einzelner Geschäftsattribute (Preisniveau, Produktqualität, Sortimentsbreite, Service etc.) her, die gleichen Attribute wurden für die Geschäfte erhoben. Somit können Kaufkraftströme zwischen Einzelelementen der Nachfrage (individuelle Konsumenten) und des Angebots (einzelne Geschäftsstandorte) als individuell variierende Bewertung der Geschäfte durch die Agenten dargestellt werden. Da auf der Angebotsseite die Umsätze der Geschäfte ebenso bekannt sind, können die Summen der von den Agenten dort allozierten Kaufkraftbeträge mit denselbigen verglichen werden. Dies erlaubt die Quantifizierung einer Schätzgüte für die Geschäftsumsätze mittels eines Gütemaßes. Für die Geschäfte der gesamten Region konnten Gütemaßwerte bis 0,7 erreicht werden, für einzelne Betriebsformate auch über 0,9. Dies zeigt, dass auch bei der Verwendung individuenbezogener Modelle, die mit einer deutlich höheren Anzahl Freiheitsgraden behaftet sind als ihre aggregierten Gegenstücke, hohe Prognosequalitäten für Umsatzschätzungen von Standorten erreicht werden können. Gleichzeitig bietet der Agentenansatz die Möglichkeit, einzelne Simulationsobjekte bei ihrer Entscheidungsfindung und ihren Aktivitäten zu verfolgen. Dabei konnten ebenfalls plausible Einkaufsmuster abgebildet werden. Da die Distanz vom Wohn- bzw. Arbeitsort zum Geschäft Bestandteil des Modells ist, können auch die von den Einwohnern zum Zweck der Grundversorgung zu leistenden Distanzaufwände in verschiedenen Angebotssituationen analysiert werden. An agentenbasierte Simulationen werden in den Sozialwissenschaften große Erwartungen geknüpft, da sie erstmals ermöglichen, gesellschaftliche Phänomene auf der Ebene ihres Zustandekommens, dem Individuum, zu erfassen, sowie komplexe mentale Vorgänge des Handelns, Lernens und Kommunizierens auf einfache Weise in ein Modell zu integrieren. Mit der vorliegenden Arbeit wurde im Bereich der Konsumentenforschung erstmals ein solcher Ansatz auf regionaler Ebene angewendet, um zu planungsrelevanten Aussagen zu gelangen. In Kombination mit anderen Anwendungen im Bereich der Bevölkerungsprognose, des Verkehrs und der innerstädtischen Migration haben Agentensimulationen alle Voraussetzungen zu einem zukunftsweisenden Paradigma für die Raum- und Fachplanung.
New urbanism in US-amerikanischen Stadtregionen : ein effektives Planungskonzept gegen Urban Sprawl?
(2005)
The research project examines Urban Sprawl in the United States and evaluates the alternative planning concept New Urbanism on a regional and local scale. The combination of qualitative and quantitative data sources explores the effectiveness of regional planning agencies on a macro level, as well as the success of mixed-use neighborhoods on a micro level. The results are based on three cities of the United States (Atlanta, Denver, and Portland), 80 qualitative interviews with urban experts, and over 160 questionnaires with residents of three New Urbanism neighborhoods (Riverside, Atlanta; Prospect, Denver; Orenco Station, Portland). The thesis shows and explains the challenges facing contemporary metropolitan areas and neighborhood development projects, the role and impact that public administrations and other policy makers have in this field, as well as how economic decisions on a local, regional, and global level can shape, change and develop urban landscapes. A central argument is that only superordinated regional planning authorities will be able to contain urban sprawl and to face its related complex socio-economic, administrative, and environmental problems. Also, New Urbanism neighborhoods can only be successful on a micro level when they are embedded in an all-embracing and socially well-balanced regional plan. This integrative two-way perspective from a macro and a micro level can enable us to understand urban structures, processes and problems in a more comprehensive way.
Projected climate changes for the 21st century may cause great uncertainties on the hydrology of a river basin. This study explored the impacts of climate change on the water balance and hydrological regime of the Jhelum River Basin using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Two downscaling methods (SDSM, Statistical Downscaling Model and LARS-WG, Long Ashton Research Station Weather Generator), three Global Circulation Models (GCMs), and two representative concentration pathways (RCP4.5 and RCP8.5) for three future periods (2030s, 2050s, and 2090s) were used to assess the climate change impacts on flow regimes. The results exhibited that both downscaling methods suggested an increase in annual streamflow over the river basin. There is generally an increasing trend of winter and autumn discharge, whereas it is complicated for summer and spring to conclude if the trend is increasing or decreasing depending on the downscaling methods. Therefore, the uncertainty associated with the downscaling of climate simulation needs to consider, for the best estimate, the impact of climate change, with its uncertainty, on a particular basin. The study also resulted that water yield and evapotranspiration in the eastern part of the basin (sub-basins at high elevation) would be most affected by climate change. The outcomes of this study would be useful for providing guidance in water management and planning for the river basin under climate change.
In der vorliegenden Arbeit werden Dämme und Deiche als geologische Körper betrachtet, die in einen natürlichen geologischen Rahmen eingebettet sind, einer Diagenese unterliegen und mit geowissenschaftlichen Methoden zu erkunden sind. Dem gemäß werden alle geologischen Prozesse und umweltbedingte Einflussfaktoren erörtert, die für die Alterung von Dämmen und die Entwicklung von Schwachstellen von Bedeutung sind. Entscheidende Einflussgrößen sind geogene, aber auch biogene, anthropogene und klimatische Faktoren. Aus der Erkenntnis diesbezüglicher Zusammenhänge wird ein konzeptioneller Ansatz zu einer rein zerstörungsfreien Erkundung von Erddämmen bezogen, die neben visuellen Erkundungen und hydrogeologischen Methoden vor allem geophysikalische Verfahren, insbesondere die Widerstandsgeoelektrik nutzt. Der große Nutzen solcher Widerstandsmessungen ist vielfach belegt worden, wobei die Anwendungen aber selten den akademischen Rahmen verlassen haben. Ungeeignete apparative Ausstattungen und fehlende Messkonzepte für die speziellen Anforderungen einer wirtschaftlich sinnvollen Dammerkundung sind als Hauptgründe für die geringe Praxisnähe anzusehen. Um die zwischen theoretischer Eignung und tatsächlicher Anwendbarkeit klaffende Lücke zu schließen, wurde sowohl für die großräumige als auch zur detaillierten Erkundung von Dämmen optimiertes Zubehör entwickelt, mit dessen Hilfe zerstörungsfreie Untersuchungen mit hoher Wirtschaftlichkeit möglich sind. Von dieser Entwicklung betroffen sind mechanisch belastbare Multielektrodenkabel, verschiedene Erderkonstruktionen, Zubehör für die Aufnahme geoelektrischer Profile und für die Widerstandskartierung, sowie insbesondere auch geoelektrische Messsysteme für Untersuchungen zu Wasser. Neue Messkonzepte und Ausrüstungsbestandteile für die Eigenpotentialmethode und die Adaption der Mise-à-la-masse-Methode an die Dammerkundung vervollständigen den instrumentell/ methodischen Komplex. Als Fallbeispiele für die Umsetzung dieser neuen Konzeption dienen geophysikalische Komplex-Messungen in Verbindung mit der Aufnahme visueller Befunde. Die Untersuchungen wurden, exemplarisch für Stauhaltungsdämme, am östlichen Rheinseitendamm sowie, exemplarisch für Deiche, an einem Kanaldeich im nordöstlichen Ruhrgebiet durchgeführt.
The boreal winter 2019/2020 was very irregular in Europe. While there was very little snow in Central Europe, the opposite was the case in northern Fenno-Scandia, particularly in the Arctic. The snow cover was more persistent here and its rapid melting led to flooding in many places. Since the last severe spring floods occurred in the region in 2018, this raises the question of whether more frequent occurrences can be expected in the future. To assess the variability of snowmelt related flooding we used snow cover maps (derived from the DLR's Global SnowPack MODIS snow product) and freely available data on runoff, precipitation, and air temperature in eight unregulated river catchment areas. A trend analysis (Mann-Kendall test) was carried out to assess the development of the parameters, and the interdependencies of the parameters were examined with a correlation analysis. Finally, a simple snowmelt runoff model was tested for its applicability to this region. We noticed an extraordinary variability in the duration of snow cover. If this extends well into spring, rapid air temperature increases leads to enhanced thawing. According to the last flood years 2005, 2010, 2018, and 2020, we were able to differentiate between four synoptic flood types based on their special hydrometeorological and snow situation and simulate them with the snowmelt runoff model (SRM).
Mapping of lava flows in unvegetated areas of active volcanoes using optical satellite data is challenging due to spectral similarities of volcanic deposits and the surrounding background. Using very high-resolution PlanetScope data, this study introduces a novel object-oriented classification approach for mapping lava flows in both vegetated and unvegetated areas during several eruptive phases of three Indonesian volcanoes (Karangetang 2018/2019, Agung 2017, Krakatau 2018/2019). For this, change detection analysis based on PlanetScope imagery for mapping loss of vegetation due to volcanic activity (e.g., lava flows) is combined with the analysis of changes in texture and brightness, with hydrological runoff modelling and with analysis of thermal anomalies derived from Sentinel-2 or Landsat-8. Qualitative comparison of the mapped lava flows showed good agreement with multispectral false color time series (Sentinel-2 and Landsat-8). Reports of the Global Volcanism Program support the findings, indicating the developed lava mapping approach produces valuable results for monitoring volcanic hazards. Despite the lack of bands in infrared wavelengths, PlanetScope proves beneficial for the assessment of risk and near-real-time monitoring of active volcanoes due to its high spatial (3 m) and temporal resolution (mapping of all subaerial volcanoes on a daily basis).
The discontinuous mountain permafrost zone is characterized by its heterogeneous distribution of frozen ground and a small-scale variability of the ground thermal regime. Large parts of these areas are covered by glacial till and sediments that were exposed after the recession of the glaciers since the 19th century. As response to changed climatic conditions permafrost-affected areas will lose their ability as sediment storage and on the contrary, they will act as source areas for unconsolidated debris. Along with modified precipitation patterns the degradation of the discontinuous mountain permafrost zone will (temporarily)
increase its predisposition for mass movement processes and thus has to be monitored in a differentiated way.
Therefore, the spatio-temporal dynamics of frozen ground are assessed in this study based on results obtained in three glacier forefields in the Engadin (Swiss Alps) and at the Zugspitze (German Alps). Sophisticated techniques are required to uncover structural differences in the subsurface. Thus, the applicability of advanced geophysical methods is tested for alpine environments and proved by the good 3D-delineation of a permafrost body and by the detection of detailed processes in the active layer during snow melt. Electrical resistivity tomography (ERT) approaches (quasi-3D, daily monitoring) reveal
their capabilities to detect subsurface resistivity changes both, in space and time. Processes and changes in regard to liquid water content and ice content are observed to exist at short distances even though the active layer is not subject to a considerable thickening
over the past 7 years. The stability of the active layer is verified by borehole temperature data. No synchronous
trend is recognized in permafrost temperatures and together with multi-annual electrical resistivity data they indicate degradation and aggradation processes to occur at the same time. Different heat transfer mechanisms, especially during winter, are recognized by means of temperature sensors above, at, and beneath the surface. Based on surface and borehole temperature data the snow cover is assessed as the major controlling factor for the thermal regime on a local scale. Beyond that, the debris size of the substrate, which modifies the snow cover and regulates air exchange processes above the ground, plays a crucial role as an additional buffer layer. A fundamental control over the stability of local permafrost patches is attributed to the ice-rich transient layer at the base of the active layer. The refreezing of melt water in spring is illustrated with diurnal ERT monitoring data from glacier forefield Murtèl.
Based on these ERT and borehole temperature data a conceptual model of active layer processes between autumn and spring is developed. The latent heat that is inherent in the transient layer protects the permafrost beneath from additional energy input from the surface as long as the refreezing of melt water in spring prevails and sufficient ice is build up each spring. Permafrost sites without a transient layer show considerably higher
temperatures at their table and are more prone to degradation in the years and decades ahead. As main investigation area a glacier forefield beneath the summits of Piz Murtèl and Piz Corvatsch in the Swiss Engadin was chosen. It is located west of the well-known
rock glacier Murtèl. Here, a permafrost body inside and adjacent to the lateral moraine was investigated and could be delineated very well. In the surrounding glacier forefield no further indications of permafrost occurrence could be made. Geophysical data and temperature values from the surface and from a permafrost borehole were compared with long-term data from proximate glacier forefield Muragl (Engadin). Results from both
sites show a considerable stability of the active layer depth in summer while at the same time geophysical data demonstrate annual changes in the amount of liquid water content and ice content in the course of years.
A third investigation area is located in the German Alps. The Zugspitzplatt is a high mountain valley with considerably more precipitation and thicker snow cover compared to both Swiss sites. In close proximity to the present glacier and at a large talus slope beneath the summit crest ground ice could be observed. The high subsurface resistivity values and comparable data from existing studies at the Zugspitze may indicate the presence of sedimentary ice in the subsurface of the karstified Zugspitzplatt. Based on these complementary data from geophysical and temperature measurements as
well as geomorphological field mapping the development of permafrost in glacier forefields under climate change conditions is analyzed with cooperation partners from the SPCC project. Ground temperature simulations forced with long-term climatological data are modeled to assess future permafrost development in glacier forefield Murtèl. Results suggest that permafrost is stable as long as the ice-rich layer between the active layer and
the permafrost table exists. After a tipping point is reached, the disintegration of frozen ground starts to proceed rapidly from the top.
The DAEDALUS mission concept aims at exploring and characterising the entrance and initial part of Lunar lava tubes within a compact, tightly integrated spherical robotic device, with a complementary payload set and autonomous capabilities.
The mission concept addresses specifically the identification and characterisation of potential resources for future ESA exploration, the local environment of the subsurface and its geologic and compositional structure.
A sphere is ideally suited to protect sensors and scientific equipment in rough, uneven environments.
It will house laser scanners, cameras and ancillary payloads.
The sphere will be lowered into the skylight and will explore the entrance shaft, associated caverns and conduits. Lidar (light detection and ranging) systems produce 3D models with high spatial accuracy independent of lighting conditions and visible features.
Hence this will be the primary exploration toolset within the sphere.
The additional payload that can be accommodated in the robotic sphere consists of camera systems with panoramic lenses and scanners such as multi-wavelength or single-photon scanners.
A moving mass will trigger movements.
The tether for lowering the sphere will be used for data communication and powering the equipment during the descending phase.
Furthermore, the connector tether-sphere will host a WIFI access point, such that data of the conduit can be transferred to the surface relay station. During the exploration phase, the robot will be disconnected from the cable, and will use wireless communication.
Emergency autonomy software will ensure that in case of loss of communication, the robot will continue the nominal mission.
Public safety and socio-economic development of the Jharia coalfield (JCF) in India is critically dependent on precise monitoring and comprehensive understanding of coal fires, which have been burning underneath for more than a century. This study utilizes New-Small BAseline Subset (N-SBAS) technique to compute surface deformation time series for 2017–2020 to characterize the spatiotemporal dynamics of coal fires in JCF. The line-of-sight (LOS) surface deformation estimated from ascending and descending Sentinel-1 SAR data are subsequently decomposed to derive precise vertical subsidence estimates. The most prominent subsidence (~22 cm) is observed in Kusunda colliery. The subsidence regions also correspond well with the Landsat-8 based thermal anomaly map and field evidence. Subsequently, the vertical surface deformation time-series is analyzed to characterize temporal variations within the 9.5 km\(^2\) area of coal fires. Results reveal that nearly 10% of the coal fire area is newly formed, while 73% persisted throughout the study period. Vulnerability analyses performed in terms of the susceptibility of the population to land surface collapse demonstrate that Tisra, Chhatatanr, and Sijua are the most vulnerable towns. Our results provide critical information for developing early warning systems and remediation strategies.
Der anthropogene Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Eine Hauptschwierigkeit liegt dabei in der Unsicherheit bezüglich der regionalen Änderung von Niederschlag und Temperatur. Hierdurch wird die Entwicklung geeigneter Anpassungsstrategien deutlich erschwert.
In der vorliegenden Arbeit werden vier Evaluationsansätze mit insgesamt 13 Metriken für aktuelle globale (zwei Generationen) und regionale Klimamodelle entwickelt und verglichen, um anschließend eine Analyse der Projektionsunsicherheit vorzunehmen. Basierend auf den erstellten Modellbewertungen werden durch Gewichtung Aussagen über den Unsicherheitsbereich des zukünftigen Klimas getroffen. Die Evaluation der Modelle wird im Mittelmeerraum sowie in acht Unterregionen durchgeführt. Dabei wird der saisonale Trend von Temperatur und Niederschlag im Evaluationszeitraum 1960–2009 ausgewertet. Zusätzlich wird für bestimmte Metriken jeweils das klimatologische Mittel oder die harmonischen Zeitreiheneigenschaften evaluiert. Abschließend werden zum Test der Übertragbarkeit der Ergebnisse neben den Hauptuntersuchungsgebieten sechs global verteilte Regionen untersucht. Außerdem wird die zeitliche Konsistenz durch Analyse eines zweiten, leicht versetzten Evaluationszeitraums behandelt, sowie die Abhängigkeit der Modellbewertungen von verschiedenen Referenzdaten mit Hilfe von insgesamt drei Referenzdatensätzen untersucht.
Die Ergebnisse legen nahe, dass nahezu alle Metriken zur Modellevaluierung geeignet sind. Die Auswertung unterschiedlicher Variablen und Regionen erzeugt Modellbewertungen, die sich in den Kontext aktueller Forschungsergebnisse einfügen. So wurde die Leistung der globalen Klimamodelle der neusten Generation (2013) im Vergleich zur Vorgängergeneration (2007) im Schnitt ähnlich hoch bzw. in vielen Situationen auch stärker eingeordnet. Ein durchweg bestes Modell konnte nicht festgestellt werden. Der Großteil der entwickelten Metriken zeigt für ähnliche Situationen übereinstimmende Modellbewertungen. Bei der Gewichtung hat sich der Niederschlag als besonders geeignet herausgestellt. Grund hierfür sind die im Schnitt deutlichen Unterschiede der Modellleistungen in Zusammenhang mit einer geringeren Simulationsgüte. Umgekehrt zeigen die Metriken für die Modelle der Temperatur allgemein überwiegend hohe Evaluationsergebnisse, wodurch nur wenig Informationsgewinn durch Gewichtung erreicht werden kann. Während die Metriken gut für unterschiedliche Regionen und Skalenniveaus verwendet werden Evaluationszeiträume nicht grundsätzlich gegeben. Zusätzlich zeigen die Modellranglisten unterschiedlicher Regionen und Jahreszeiten häufig nur geringe Korrelationen. Dies gilt besonders für den Niederschlag. Bei der Temperatur sind hingegen leichte Übereinstimmungen auszumachen. Beim Vergleich der mittleren Ranglisten über alle Modellbewertungen und Situationen der Hauptregionen des Mittelmeerraums mit den Globalregionen besteht eine signifikante Korrelation von 0,39 für Temperatur, während sie für Niederschlag um null liegt. Dieses Ergebnis ist für alle drei verwendeten Referenzdatensätze im Mittelmeerraum gültig. So schwankt die Korrelation der Modellbewertungen des Niederschlags für unterschiedliche Referenzdatensätze immer um Null und die der Temperaturranglisten zwischen 0,36 und 0,44. Generell werden die Metriken als geeignete Evaluationswerkzeuge für Klimamodelle eingestuft. Daher können sie einen Beitrag zur Änderung des Unsicherheitsbereichs und damit zur Stärkung des Vertrauens in Klimaprojektionen leisten.
Die Abhängigkeit der Modellbewertungen von Region und Untersuchungszeitraum muss dabei jedoch berücksichtigt werden. So besitzt die Analyse der Konsistenz von Modellbewertungen sowie der Stärken und Schwächen der Klimamodelle großes Potential für folgende Studien, um das Vertrauen in Modellprojektionen weiter zu steigern.
Land cover is a key variable in monitoring applications and new processing technologies made deriving this information easier. Yet, classification algorithms remain dependent on samples collected on the field and field campaigns are limited by financial, infrastructural and political boundaries. Here, animal tracking data could be an asset. Looking at the land cover dependencies of animal behaviour, we can obtain land cover samples over places that are difficult to access. Following this premise, we evaluated the potential of animal movement data to map land cover. Specifically, we used 13 White Storks (Cicona cicona) individuals of the same population to map agriculture within three test regions distributed along their migratory track. The White Stork has adapted to foraging over agricultural lands, making it an ideal source of samples to map this land use. We applied a presence-absence modelling approach over a Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) time series and validated our classifications, with high-resolution land cover information. Our results suggest White Stork movement is useful to map agriculture, however, we identified some limitations. We achieved high accuracies (F1-scores > 0.8) for two test regions, but observed poor results over one region. This can be explained by differences in land management practices. The animals preferred agriculture in every test region, but our data showed a biased distribution of training samples between irrigated and non-irrigated land. When both options occurred, the animals disregarded non-irrigated land leading to its misclassification as non-agriculture. Additionally, we found difference between the GPS observation dates and the harvest times for non-irrigated crops. Given the White Stork takes advantage of managed land to search for prey, the inactivity of these fields was the likely culprit of their underrepresentation. Including more species attracted to agriculture - with other land-use dependencies and observation times - can contribute to better results in similar applications.
Optical remote sensing is an important tool in the study of animal behavior providing ecologists with the means to understand species-environment interactions in combination with animal movement data. However, differences in spatial and temporal resolution between movement and remote sensing data limit their direct assimilation. In this context, we built a data-driven framework to map resource suitability that addresses these differences as well as the limitations of satellite imagery. It combines seasonal composites of multiyear surface reflectances and optimized presence and absence samples acquired with animal movement data within a cross-validation modeling scheme. Moreover, it responds to dynamic, site-specific environmental conditions making it applicable to contrasting landscapes. We tested this framework using five populations of White Storks (Ciconia ciconia) to model resource suitability related to foraging achieving accuracies from 0.40 to 0.94 for presences and 0.66 to 0.93 for absences. These results were influenced by the temporal composition of the seasonal reflectances indicated by the lower accuracies associated with higher day differences in relation to the target dates. Additionally, population differences in resource selection influenced our results marked by the negative relationship between the model accuracies and the variability of the surface reflectances associated with the presence samples. Our modeling approach spatially splits presences between training and validation. As a result, when these represent different and unique resources, we face a negative bias during validation. Despite these inaccuracies, our framework offers an important basis to analyze species-environment interactions. As it standardizes site-dependent behavioral and environmental characteristics, it can be used in the comparison of intra- and interspecies environmental requirements and improves the analysis of resource selection along migratory paths. Moreover, due to its sensitivity to differences in resource selection, our approach can contribute toward a better understanding of species requirements.
Satellite-derived land surface temperature dynamics in the context of global change — a review
(2023)
Satellite-derived Land Surface Temperature (LST) dynamics have been increasingly used to study various geophysical processes. This review provides an extensive overview of the applications of LST in the context of global change. By filtering a selection of relevant keywords, a total of 164 articles from 14 international journals published during the last two decades were analyzed based on study location, research topic, applied sensor, spatio-temporal resolution and scale and employed analysis methods. It was revealed that China and the USA were the most studied countries and those that had the most first author affiliations. The most prominent research topic was the Surface Urban Heat Island (SUHI), while the research topics related to climate change were underrepresented. MODIS was by far the most used sensor system, followed by Landsat. A relatively small number of studies analyzed LST dynamics on a global or continental scale. The extensive use of MODIS highly determined the study periods: A majority of the studies started around the year 2000 and thus had a study period shorter than 25 years. The following suggestions were made to increase the utilization of LST time series in climate research: The prolongation of the time series by, e.g., using AVHRR LST, the better representation of LST under clouds, the comparison of LST to traditional climate change measures, such as air temperature and reanalysis variables, and the extension of the validation to heterogenous sites.
Central Europe experienced several droughts in the recent past, such as in the year 2018, which was characterized by extremely low rainfall rates and high temperatures, resulting in substantial agricultural yield losses. Time series of satellite earth observation data enable the characterization of past drought events over large temporal and spatial scales. Within this study, Moderate Resolution Spectroradiometer (MODIS) Enhanced Vegetation Index (EVI) (MOD13Q1) 250 m time series were investigated for the vegetation periods of 2000 to 2018. The spatial and temporal development of vegetation in 2018 was compared to other dry and hot years in Europe, like the drought year 2003. Temporal and spatial inter- and intra-annual patterns of EVI anomalies were analyzed for all of Germany and for its cropland, forest, and grassland areas individually. While vegetation development in spring 2018 was above average, the summer months of 2018 showed negative anomalies in a similar magnitude as in 2003, which was particularly apparent within grassland and cropland areas in Germany. In contrast, the year 2003 showed negative anomalies during the entire growing season. The spatial pattern of vegetation status in 2018 showed high regional variation, with north-eastern Germany mainly affected in June, north-western parts in July, and western Germany in August. The temporal pattern of satellite-derived EVI deviances within the study period 2000-2018 were in good agreement with crop yield statistics for Germany. The study shows that the EVI deviation of the summer months of 2018 were among the most extreme in the study period compared to other years. The spatial pattern and temporal development of vegetation condition between the drought years differ.
Grasslands shape many landscapes of the earth as they cover about one-third of its surface. They are home and provide livelihood for billions of people and are mainly used as source of forage for animals. However, grasslands fulfill many additional ecosystem functions next to fodder production, such as storage of carbon, water filtration, provision of habitats and cultural values. They play a role in climate change (mitigation) and in preserving biodiversity and ecosystem functions on a global scale. The degree to what these ecosystem functions are present within grassland ecosystems is largely determined by the management. Individual management practices and the use intensity influence the species composition as well as functions, like carbon storage, while higher use intensities (e.g. high mowing frequencies) usually show a negative impact. Especially in Central European countries, like in Germany, the determining influence of grassland management on its physiognomy and ecosystem functions leads to a large variability and small-scale alternations of grassland parcels. Large-scale information on the management and use intensity of grasslands is not available. Consequently, estimations of grassland ecosystem functions are challenging which, however, would be required for large-scale assessments of the status of grassland ecosystems and optimized management plans for the future. The topic of this thesis tackles this gap by investigating the major grassland management practice in Germany, which is mowing, for multiple years, in high spatial resolution
and on a national scale.
Earth Observation (EO) has the advantage of providing information of the earth’s surface on multi-temporal time steps. An extensive literature review on the use of EO for grassland management and production analyses, which was part of this thesis, showed that in particular research on grasslands consisting of small parcels with a large variety of management and use intensity, like common in Central Europe, is underrepresented. Especially
the launch of the Sentinel satellites in the recent past now enables the analyses of such grasslands due to their high spatial and temporal resolution. The literature review specifically on the investigation of grassland mowing events revealed that most previous studies focused on small study areas, were exploratory, only used one sensor type and/or lacked a reference data set with a complete range of management options.
Within this thesis a novel framework to detect grassland mowing events over large areas is presented which was applied and validated for the entire area of Germany for multiple years (2018–2021). The potential of both sensor types, optical (Sentinel-2) and Synthetic Aperture Radar (SAR) (Sentinel-1) was investigated regarding grassland mowing event detection. Eight EO parameters were investigated, namely the Enhanced Vegetation Index (EVI), the backscatter intensity and the interferometric (InSAR) temporal coherence for both available polarization modes (VV and VH), and the polarimetric (PolSAR) decomposition parameters Entropy, K0 and K1. An extensive reference data set was generated based on daily images of webcams distributed in Germany which resulted in mowing information
for grasslands with the entire possible range of mowing frequencies – from one to six in Germany – and in 1475 reference mowing events for the four years of interest.
For the first time a observation-driven mowing detection approach including data from Sentinel-2 and Sentinel-1 and combining the two was developed, applied and validated on large scale. Based on a subset of the reference data (13 grassland parcels with 44 mowing events) from 2019 the EO parameters were investigated and the detection algorithm
developed and parameterized. This analysis showed that a threshold-based change detection approach based on EVI captured grassland mowing events best, which only failed during periods of clouds. All SAR-based parameters showed a less consistent behavior to mowing events, with PolSAR Entropy and InSAR Coherence VH, however, revealing the
highest potential among them. A second, combined approach based on EVI and a SARbased parameter was developed and tested for PolSAR Entropy and InSAR VH. To avoid additional false positive detections during periods in which mowing events are anyhow reliably detected using optical data, the SAR-based mowing detection was only initiated
during long gaps within the optical time series (< 25 days). Application and validation of
these approaches in a focus region revealed that only using EVI leads to the highest accuracies (F1-Score = 0.65) as combining this approach with SAR-based detection led to a strong increase in falsely detected mowing events resulting in a decrease of accuracies (EVI + PolSAR ENT F1-Score = 0.61; EVI + InSAR COH F1-Score = 0.61).
The mowing detection algorithm based on EVI was applied for the entire area of Germany for the years 2018-2021. It was revealed that the largest share of grasslands with high mowing frequencies (at least four mowing events) can be found in southern/south-eastern Germany. Extensively used grassland (mown up to two times) is distributed within the entire country with larger shares in the center and north-eastern parts of Germany. These patterns stay constant in general, but small fluctuations between the years are visible. Early mown grasslands can be found in southern/south-eastern Germany – in line with high mowing frequency areas – but also in central-western parts. The years 2019 and 2020 revealed higher accuracies based on the 1475 mowing events of the multi-annual validation data set
(F1-Scores of 0.64 and 0.63), 2018 and 2021 lower ones (F1-Score of 0.52 and 0.50).
Based on this new, unprecedented data set, potential influencing factors on the mowing dynamics were investigated. Therefore, climate, topography, soil data and information on conservation schemes were related to mowing dynamics for the year 2020, which showed a high number of valid observations and detection accuracy. It was revealed that there are no strong linear relationships between the mowing frequency or the timing of the first mowing event and the investigated variables. However, it was found that for intensive grassland usage certain climatic and topographic conditions have to be fulfilled, while extensive grasslands appear on the entire spectrum of these variables. Further, higher mowing frequencies occur on soils with influence of ground water and lower mowing frequencies in protected areas. These results show the complex interplay between grassland mowing dynamics and external influences and highlight the challenges of policies aiming to protect grassland ecosystem functions and their need to be adapted to regional circumstances.
Die bruchhafte Fragmentation von höherviskosem Magma ist ein bedeutender Prozess im explosiven Vulkanismus. Deren Fragmentationsenergie ist linear an die Entstehung neugebildeter Bruchfläche gekoppelt. Aus diesem Grund ist es wichtig, die mechanische Energie der Schmelzefragmentation zu quantifizieren, um die physikalischen Vorgänge während dieses vulkanologischen Vorgangs besser verstehen zu können. Deshalb war es das Ziel der vorliegenden Arbeit eine Kenngröße der Fragmentationsleistung von vulkanischen Schmelzen der Phlegräischen Felder (Neapel/Italien) zu definieren und somit ihren vulkanischen Ablagerungen spezifische Fragmentationsenergien zuzuweisen. Das Vulkangebiet der Phlegräischen Felder ist durch langanhaltenden explosiven Vulkanismus gekennzeichnet. Die bruchhaft entstandenen Feinaschen-Ablagerungen intermediärer Zusammensetzung bedecken ein Gebiet von ca. 1000 km2. Dieses Gebiet wird heute von ca. 2 Millionen Menschen bevölkert. Diese Arbeit stellt eine Methodik vor, mit der die Fragmentationsenergie von solchen höher-viskosen Schmelzen intermediärer Zusammensetzung durch Laborexperimente und Granulometrie der erzeugten Partikel ermittelt werden kann. Die Materialparameter der kritischen Schubspannung und des kritischen Scherstress wurden mit einem sogenannten Gasdruck-Fragmentations-Versuch (GFV) experimentell bestimmt. Ferner konnten durch den GFV Erkenntnisse über das Fragmentationsverhalten dieser Schmelzen unter verschiedenen treibenden Gasdrücken gewonnen werden. Dieser spezielle Versuchsaufbau basiert auf Fragmentation von Schmelze durch Druckluft, die von unten in einen Tiegel geleitet wird. Ein individuell einstellbarer Gasdruckluftstoß führt in der Schmelze zu einer Zunahme der Schubspannung und einem Druckaufbau, der vergleichbar mit der Kraftrampe eines Biegeversuchs ist. Während dieser Zeit kommt es zur Mikrobruchbildung, die sich von der Schmelzeoberfläche nach unten fortsetzt. Nach dem Überschreiten der Bruchgrenze relaxiert das Schmelzematerial durch Ausbildung von Sprödbrüchen und wird nach oben ausgeworfen. Die Aufzeichnung der physikalischen Parameter und die optische Versuchsüberwachung erlaubten eine komplette Energiebilanzierung des Vorgangs. Die neugebildete Bruchfläche der entstandenen Partikel wird durch Granulometrie und Anwendung der Methode von Brunnauer-Emmet-Teller (BET) bestimmt. Somit kann die Fragmentationsenergie auf die Bruchfläche bezogen und als Materialparameter des kritischen Scherstresses ausgedrückt werden. Der GFV wurden durch normierte Laborexperimente an dem selben Schmelzematerial ergänzt. Dabei dienten statische Biegeversuche unter Raumtemperatur zur Überprüfung der über GFV bilanzierten Scherstresse. Die Rotationsviskosimetrie zeigte, dass der Materialparameter der Viskosität nicht geeignet ist, um Rückschlüsse über Materialverhalten im bruchhaften Regime zu ziehen. Anschließend wurde einer definierten Tephraschicht der Phlegräischen Felder eine spezifische Fragmentationsenergie zugeordnet, indem die experimentellen Ergebnisse auf Felddaten bezogen wurden. Diese spezifische Energie von ca. 8*1010 kJ entspricht der Sprengkraft von ca. 20.000 Tonnen Trinitrotoluol (TNT). Die Qualität eines hazard assessment gefährdeter Vulkangebiete wie z.B. der Phlegräischen Felder wird durch die Kenntnis der Energieaufteilung während des Eruptionsprozesses (Fragmentationsenergie, Auswurfenergie etc.) wesentlich verbessert. Die Kenntnis der Energien dient beispielsweise der Skalierung ballistischer Modelle, mit deren Hilfe dichtbevölkerte Zonen ausgewiesen werden können, die bei künftigen Eruptionen der Phlegräischen Felder durch den Niedergang von Pyroklastika bedroht sind.
The command area of the Rakh branch canal grows wheat, sugarcane, and rice crops in abundance. The canal water, which is trivial for irrigating these crops, is conveyed to the farms through the network of canals and distributaries. For the maintenance of this vast infrastructure; the end users are charged on a seasonal basis. The present water charges are severely criticized for not being adequate to properly manage the entire infrastructure. We use the residual value to determine the value of the irrigation water and then based on the quantity of irrigation water supplied to farm land coupled with the infrastructure maintenance cost, full cost recovery figures are executed for the study area, and policy recommendations are made for the implementation of the full cost recovery system. The approach is unique in the sense that the pricings are based on the actual quantity of water conveyed to the field for irrigating crops. The results of our analysis showed that the canal water is severely under charged in the culturable command area of selected distributaries, thus negating the plan of having a self-sustainable irrigation system.