Mensch, Natur-Interaktionen im Oberen Mittelrheintal - Komplexitätstheoretische Ansätze am Beispiel des Weinbaus

Kulturlandschaften als Ausdruck einer über viele Jahrhunderte währenden intensiven Interaktion zwischen Menschen und der sie umgebenden natürlichen Umwelt, sind ein traditionelles Forschungsobjekt der Geographie. Mensch/Natur-Interaktionen führen zu Veränderungen der natürlichen Umwelt, indem Menschen Landschaften kultivieren und modifizieren. Die Mensch/Natur-Interaktionen im Weinbau sind intensiv rückgekoppelt, Veränderungen der natürlichen Umwelt wirken auf die in den Kulturlandschaften lebenden und wirtschaftenden Winzer zurück und beeinflussen deren weiteres Handeln, was wiederum Einfluss auf die Entwicklung der gesamten Weinbau-Kulturlandschaft hat. Kulturlandschaft wird aus diesem Grund als ein heterogenes Wirkungsgefüge sozialer und natürlicher Elemente konzeptionalisiert, an dessen Entwicklung soziale und natürliche Elemente gleichzeitig und wechselseitig beteiligt sind. Grundlegend für die vorliegende Arbeit ist die Überzeugung, dass sich Kulturlandschaften durch Mensch/Natur-Interaktionen permanent neu organisieren und nie in einen Gleichgewichtszustand geraten, sondern sich ständig weiterentwickeln und wandeln. Die Komplexitätstheorie bietet hierfür die geeignete theoretische Grundlage. Sie richtet ihren Fokus auf die Entwicklung und den Wandel von Systemen und sucht dabei nach den Funktionsweisen von Systemzusammenhängen, um ein Verständnis für das Gesamtsystemverhalten von nicht-linearen dynamischen Systemen zu erreichen. Auf der Grundlage der Komplexitätstheorie wird ein Untersuchungsschema entwickelt, dass es ermöglich, die sozio-ökonomischen und raum-strukturellen Veränderungsprozesse in der Kulturlandschaftsentwicklung als sich wechselseitig beeinflussenden Systemzusammenhang zu erfassen. Die Rekonstruktion von Entwicklungsphasen, die Analysen von raum-strukturellen Mustern und Akteurskonstellationen sowie die Identifikation von Bifurkationspunkten in der Systemgeschichte sind dabei von übergeordneter Bedeutung. Durch die Untersuchung sowohl der physisch-räumlichen als auch der sozio-ökonomischen Dimension der Kulturlandschaftsentwicklung im Weinbau des Oberen Mittelrheintals soll ein Beitrag für die geographische Erforschung von Mensch/Natur-Interaktionen im Schnittstellenbereich von Physischer Geographie und Humangeographie geleistet werden. Die Anwendung des Untersuchungsschemas erfolgt auf den Weinbau im Oberen Mittelrheintal. Das Anbaugebiet ist seit vielen Jahrzehnten einem starken Rückgang an Weinbaubetrieben und Rebfläche unterworfen. Die rückläufigen Entwicklungen seit 1950 verliefen dabei nicht linear, sondern differenzierten das System in unterschiedliche Entwicklungspfade aus. Die Betriebsstrukturen und die Rahmenbedingungen im Weinbau veränderten sich grundlegend, was sichtbare Spuren in der Kulturlandschaft hinterließ. Dies zu rekonstruieren, zu analysieren und die zu verschiedenen Phasen der Entwicklung bedeutenden externen und internen Einflussfaktoren zu identifizieren, soll dazu beitragen, ein tief greifendes Verständnis für das selbstorganisierte Systemverhalten zu generieren und darauf basierende Handlungsoptionen für zukünftige Eingriffe in die Systementwicklung aufzuzeigen

Application of reactive fluid transport modeling to hydrothermal systems

A one-dimensional multi-component reactive fluid transport algorithm, 1DREACT (Steefel, 1993) was used to investigate different fluid-rock interaction systems. A major short coming of mass transport calculations which include mineral reactions is that solid solutions occurring in many minerals are not treated adequately. Since many thermodynamic models of solid solutions are highly non-linear, this can seriously impact on the stability and efficiency of the solution algorithms used. Phase petrology community saw itself faced with a similar predicament 10 years ago. To improve performance and reliability, phase equilibrium calculations have been using pseudo compounds. The same approach is used here in the first, using the complex plagioclase solid solution as an example. Thermodynamic properties of a varying number of intermediate plagioclase phases were calculated using ideal molecular, Al-avoidance, and non-ideal mixing models. These different mixing models can easily be incorporated into the simulations without modification of the transport code. Simulation results show that as few as nine intermediate compositions are sufficient to characterize the diffusional profile between albite and anorthite. Hence this approach is very efficient, and can be used with little effort. A subsequent chapter reports the results of reactive fluid transport modeling designed to constrain the hydrothermal alteration of Paleoproterozoic sediments of the Southern Lake Superior region. Field observations reveal that quartz-pyrophyllite (or kaolinite) bearing assemblages have been transformed into muscovite-pyrophyllite-diaspore bearing assemblages due to action of fluids migrating along permeable flow channels. Fluid-rock interaction modeling with an initial qtz-prl assemblage and a K-rich fluid simulates the formation of observed mineralogical transformation. The bulk composition of the system evolves from an SiO2-rich one to an Al2O3+K2O-rich one. Simulations show that the fluid flow was up-temperature (e.g. recharge) and that fluid was K-rich. Pseudo compound approach to include solid solutions in reactive transport models was tested in modeling hydrothermal alteration of Icelandic basalts. Solid solutions of chlorites, amphiboles and plagioclase were included as the secondary mineral phases. Saline and fresh water compositions of geothermal fluids were used to investigate the effect of salinity on alteration. Fluid-rock interaction simulations produce the observed mineral transformations. They show that roughly the same alteration minerals are formed due to reactions with both types of fluid which is in agreement with the field observations. A final application is directed towards the remediation of nitrate rich groundwaters. Removal of excess nitrate from groundwater by pyrite oxidation was modeled using the reactive fluid transport algorithm. Model results show that, when a pyrite-bearing, permeable zone is placed in the flow path, nitrate concentration in infiltrating water can be significantly lowered, in agreement with proposals from the literature. This is due to nitrogen reduction. Several simulations investigate the efficiency of systems with different mineral reactive surface areas, reactive barrier zone widths, and flow rates to identify the optimum setup.

Rheology and Fourier-transform rheology on water-based systems

The influence of shear fields on water-based systems was investigated within this thesis. The non-linear rheological behaviour of spherical and rod-like particles was examined with Fourier-Transform rheology under LAOS conditions. As a model system for spherical particles two different kinds of polystyrene dispersions, with a solid content higher than 0.3 each, were synthesised within this work. Due to the differences in polydispersity and Debye-length, differences were also found in the rheology. In the FT-rheology both kinds of dispersions showed a similar rise in the intensities of the magnitudes of the odd higher harmonics, which were predicted by a model. The in some cases additionally appearing second harmonics were not predicted. A novel method to analyse the time domain signal was developed, that splits the time domain signal up in four characteristic functions. Those characteristic functions correspond to rheological phenomena. In some cases the intensities of the Fourier components can interfere negatively. FD-virus particles were used as a rod-like model system, which already shows a highly non-linear behaviour at concentrations below 1. % wt. Predictions for the dependence of the higher harmonics from the strain amplitude described the non-linear behaviour well at large, but no so good at small strain amplitudes. Additionally the trends of the rheological behaviour could be described by a theory for rod-like particles. An existing rheo-optical set-up was enhanced by reducing the background birefringence by a factor of 20 and by increasing the time resolution by a factor of 24. Additionally a combination of FT-rheology and rheo-optics was achieved. The influence of a constant shear field on the crystallisation process of zinc oxide in the presence of a polymer was examined. The crystallites showed a reduction in length by a factor of 2. The directed addition of polymers in combination with a defined shear field can be an easy way for a defined change of the form of crystallites.

Numerical studies of colloidal systems

The interplay of hydrodynamic and electrostatic forces is of great importance for the understanding of colloidal dispersions. Theoretical descriptions are often based on the so called standard electrokinetic model. This Mean Field approach combines the Stokes equation for the hydrodynamic flow field, the Poisson equation for electrostatics and a continuity equation describing the evolution of the ion concentration fields. In the first part of this thesis a new lattice method is presented in order to efficiently solve the set of non-linear equations for a charge-stabilized colloidal dispersion in the presence of an external electric field. Within this framework, the research is mainly focused on the calculation of the electrophoretic mobility. Since this transport coefficient is independent of the electric field only for small driving, the algorithm is based upon a linearization of the governing equations. The zeroth order is the well known Poisson-Boltzmann theory and the first order is a coupled set of linear equations. Furthermore, this set of equations is divided into several subproblems. A specialized solver for each subproblem is developed, and various tests and applications are discussed for every particular method. Finally, all solvers are combined in an iterative procedure and applied to several interesting questions, for example, the effect of the screening mechanism on the electrophoretic mobility or the charge dependence of the field-induced dipole moment and ion clouds surrounding a weakly charged sphere. In the second part a quantitative data analysis method is developed for a new experimental approach, known as "Total Internal Reflection Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy" (TIR-FCCS). The TIR-FCCS setup is an optical method using fluorescent colloidal particles to analyze the flow field close to a solid-fluid interface. The interpretation of the experimental results requires a theoretical model, which is usually the solution of a convection-diffusion equation. Since an analytic solution is not available due to the form of the flow field and the boundary conditions, an alternative numerical approach is presented. It is based on stochastic methods, i. e. a combination of a Brownian Dynamics algorithm and Monte Carlo techniques. Finally, experimental measurements for a hydrophilic surface are analyzed using this new numerical approach.

Computer simulations of slowly relaxing systems in external fields

Eine der offenen Fragen der aktuellen Physik ist das Verständnis von Systemen im Nichtgleichgewicht. Im Gegensatz zu der Gleichgewichtsphysik ist in diesem Bereich aktuell kein Formalismus bekannt der ein systematisches Beschreiben der unterschiedlichen Systeme ermöglicht. Um das Verständnis über diese Systeme zu vergrößern werden in dieser Arbeit zwei unterschiedliche Systeme studiert, die unter einem externen Feld ein starkes nichtlineares Verhalten zeigen. Hierbei handelt es sich zum einen um das Verhalten von Teilchen unter dem Einfluss einer extern angelegten Kraft und zum anderen um das Verhalten eines Systems in der Nähe des kritischen Punktes unter Scherung. Das Modellsystem in dem ersten Teil der Arbeit ist eine binäre Yukawa Mischung, die bei tiefen Temperaturen einen Glassübergang zeigt. Dies führt zu einer stark ansteigenden Relaxationszeit des Systems, so dass man auch bei kleinen Kräften relativ schnell ein nichtlineares Verhalten beobachtet. In Abhängigkeit der angelegten konstanten Kraft können in dieser Arbeit drei Regime, mit stark unterschiedlichem Teilchenverhalten, identifiziert werden. In dem zweiten Teil der Arbeit wird das Ising-Modell unter Scherung betrachtet. In der Nähe des kritischen Punkts kommt es in diesem Modell zu einer Beeinflussung der Fluktuationen in dem System durch das angelegte Scherfeld. Dies hat zur Folge, dass das System stark anisotrop wird und man zwei unterschiedliche Korrelationslängen vorfindet, die mit unterschiedlichen Exponenten divergieren. Infolgedessen lässt sich der normale isotrope Formalismus des "finite-size scaling" nicht mehr auf dieses System anwenden. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie dieser auf den anisotropen Fall zu verallgemeinern ist und wie damit die kritischen Punkte, sowie die dazu gehörenden kritischen Exponenten berechnet werden können.