Mineral dust mobilisation, transport, and deposition in different climate epochs

Mineral dust is an important component of the Earth's climate system and provides essential nutrientsrnto oceans and rain forests. During atmospheric transport, dust particles directly and indirectly influencernweather and climate. The strength of dust sources and characteristics of the transport, in turn, mightrnbe subject to climatic changes. Earth system models help for a better understanding of these complexrnmechanisms.rnrnThis thesis applies the global climate model ECHAM5/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) for simulationsrnof the mineral dust cycle under different climatic conditions. The prerequisite for suitable modelrnresults is the determination of the model setup reproducing the most realistic dust cycle in the recentrnclimate. Simulations with this setup are used to gain new insights into properties of the transatlanticrndust transport from Africa to the Americas and adaptations of the model's climate forcing factors allowrnfor investigations of the impact of climatic changes on the dust cycle.rnrnIn the first part, the most appropriate model setup is determined through a number of sensitivity experiments.rnIt uses the dust emission parametrisation from Tegen et al. 2002 and a spectral resolutionrnof T85, corresponding to a horizontal grid spacing of about 155 km. Coarser resolutions are not able tornaccurately reproduce emissions from important source regions such as the Bodele Depression in Chad orrnthe Taklamakan Desert in Central Asia. Furthermore, the representation of ageing and wet deposition ofrndust particles in the model requires a basic sulphur chemical mechanism. This setup is recommended forrnfuture simulations with EMAC focusing on mineral dust.rnrnOne major branch of the global dust cycle is the long-range transport from the world's largest dustrnsource, the Sahara, across the Atlantic Ocean. Seasonal variations of the main transport pathways to thernAmazon Basin in boreal winter and to the Caribbean during summer are well known and understood,rnand corroborated in this thesis. Both Eulerian and Lagrangian methods give estimates on the typicalrntransport times from the source regions to the deposition on the order of nine to ten days. Previously, arnhuge proportion of the dust transported across the Atlantic Ocean has been attributed to emissions fromrnthe Bodele Depression. However, the contribution of this hot spot to the total transport is very low inrnthe present results, although the overall emissions from this region are comparable. Both model resultsrnand data sets analysed earlier, such as satellite products, involve uncertainties and this controversy aboutrndust transport from the Bodele Depression calls for future investigations and clarification.rnrnAforementioned characteristics of the transatlantic dust transport just slightly change in simulationsrnrepresenting climatic conditions of the Little Ice Age in the middle of the last millennium with meanrnnear-surface cooling of 0.5 to 1 K. However, intensification of the West African summer monsoon duringrnthe Little Ice Age is associated with higher dust emissions from North African source regions and wetterrnconditions in the Sahel. Furthermore, the Indian Monsoon and dust emissions from the Arabian Peninsula,rnwhich are affected by this circulation, are intensified during the Little Ice Age, whereas the annual globalrndust budget is similar in both climate epochs. Simulated dust emission fluxes are particularly influencedrnby the surface parameters. Modifications of the model do not affect those in this thesis, to be able tornascribe all differences in the results to changed forcing factors, such as greenhouse gas concentrations.rnDue to meagre comparison data sets, the verification of results presented here is problematic. Deeperrnknowledge about the dust cycle during the Little Ice Age can be obtained by future simulations, based onrnthis work, and additionally using improved reconstructions of surface parameters. Better evaluation ofrnsuch simulations would be possible by refining the temporal resolution of reconstructed dust depositionrnfluxes from existing ice and marine sediment cores.

Airborne measurements of the spectral surface albedo over Morocco and its influence on the radiative forcing of Saharan dust

This PhD thesis is embedded into the DFG research project SAMUM, the Saharan Mineral Dust Experiment which was initiated with the goal to investigate the optical and microphysical properties of Saharan dust aerosol, its transport, and its radiative effect. This work described the deployment of the Spectral Modular Airborne Radiation Measurement SysTem (SMART-Albedometer) in SAMUM after it has been extended in its spectral range. The SAMUM field campaign was conducted in May and June 2006 in south-eastern Morocco. At two ground stations and aboard two aircraft various measurements in an almost pure plume of Saharan dust were conducted. Airborne measurements of the spectral upwelling and downwelling irradiance are used to derive the spectral surface albedo in its typical range in the experiment region. Typical spectral types are presented and compared to the surface albedo derived from MISR satellite data. Furthermore, the radiative forcing of the observed Saharan dust is estimated in dependence on the surface albedo and its regional variations. A strong dependence of the radiative forcing not only on the surface albedo, but also on the optical properties of the dust aerosol is observed. It is unique to SAMUM that all these influential parameters have been measured in near-source Saharan dust, which made the calculations shown in this work possible.

External drivers of biogeochemical cycles in a tropical montane forest in Ecuador

Successful conservation of tropical montane forest, one of the most threatened ecosystems on earth, requires detailed knowledge of its biogeochemistry. Of particular interest is the response of the biogeochemical element cycles to external influences such as element deposition or climate change. Therefore the overall objective of my study was to contribute to improved understanding of role and functioning of the Andean tropical montane forest. In detail, my objectives were to determine (1) the role of long-range transported aerosols and their transport mechanisms, and (2) the role of short-term extreme climatic events for the element budget of Andean tropical forest. In a whole-catchment approach including three 8-13 ha microcatchments under tropical montane forest on the east-exposed slope of the eastern cordillera in the south Ecuadorian Andes at 1850-2200 m above sea level I monitored at least in weekly resolution the concentrations and fluxes of Ca, Mg, Na, K, NO3-N, NH4-N, DON, P, S, TOC, Mn, and Al in bulk deposition, throughfall, litter leachate, soil solution at the 0.15 and 0.3 m depths, and runoff between May 1998 and April 2003. I also used meteorological data from my study area collected by cooperating researchers and the Brazilian meteorological service (INPE), as well as remote sensing products of the North American and European space agencies NASA and ESA. My results show that (1) there was a strong interannual variation in deposition of Ca [4.4-29 kg ha-1 a-1], Mg [1.6-12], and K [9.8-30]) between 1998 and 2003. High deposition changed the Ca and Mg budgets of the catchments from loss to retention, suggesting that the additionally available Ca and Mg was used by the ecosystem. Increased base metal deposition was related to dust outbursts of the Sahara and an Amazonian precipitation pattern with trans-regional dry spells allowing for dust transport to the Andes. The increased base metal deposition coincided with a strong La Niña event in 1999/2000. There were also significantly elevated H+, N, and Mn depositions during the annual biomass burning period in the Amazon basin. Elevated H+ deposition during the biomass burning period caused elevated base metal loss from the canopy and the organic horizon and deteriorated already low base metal supply of the vegetation. Nitrogen was only retained during biomass burning but not during non-fire conditions when deposition was much smaller. Therefore biomass burning-related aerosol emissions in Amazonia seem large enough to substantially increase element deposition at the western rim of Amazonia. Particularly the related increase of acid deposition impoverishes already base-metal scarce ecosystems. As biomass burning is most intense during El Niño situations, a shortened ENSO cycle because of global warming likely enhances the acid deposition at my study forest. (2) Storm events causing near-surface water flow through C- and nutrient-rich topsoil during rainstorms were the major export pathway for C, N, Al, and Mn (contributing >50% to the total export of these elements). Near-surface flow also accounted for one third of total base metal export. This demonstrates that storm-event related near-surface flow markedly affects the cycling of many nutrients in steep tropical montane forests. Changes in the rainfall regime possibly associated with global climate change will therefore also change element export from the study forest. Element budgets of Andean tropical montane rain forest proved to be markedly affected by long-range transport of Saharan dust, biomass burning-related aerosols, or strong rainfalls during storm events. Thus, increased acid and nutrient deposition and the global climate change probably drive the tropical montane forest to another state with unknown consequences for its functions and biological diversity.

Response of nutrient cycles of an old-growth montane forest in Ecuador to experimental low-level nutrient amendments

Atmospheric nitrogen (N) and phosphorus (P) depositions are expected to increase in the tropicsrnas a consequence of increasing human activities in the next decades. Furthermore, a possiblernshortened El Niño Southern Oscillation cycle might come along with more frequent calcium (Ca)rndepositions on the eastern slope of the Ecuadorian Andes originating from Saharan dust. It isrncrucial to understand the response of the old-growth montane forest in Ecuador to increasedrnnutrient deposition to predict the further development of this megadiverse ecosystem.rnI studied experimental additions of N, P, N+P and Ca to the forest and an untreatedrncontrol, all in a fourfold replicated randomized block design. These experiments were conductedrnin the framework of a collaborative research effort, the NUtrient Manipulation EXperimentrn(NUMEX). I collected litter leachate, mineral soil solution (0.15 and 0.30 m depths), throughfallrnand fine litterfall samples and determined N, P and Ca concentrations and fluxes. This approachrnalso allowed me to assess whether N, P and/or Ca are limiting nutrients for forest growth.rnFurthermore, I evaluated the response of fine root biomass, leaf area index, leaf area and specificrnleaf area, tree diameter growth and basal area increment contributed from a cooperating group inrnthe Ca applied and control treatments.rnDuring the observation period of 16 months after the first fertilizer application, less thanrn10, 1 and 5% of the applied N, P and Ca, respectively, leached below the organic layer whichrncontained almost all roots but no significant leaching losses occurred to the deeper mineral soil.rnDeposited N, P and Ca from the atmosphere in dry and wet form were, on balance, retained in therncanopy in the control treatment. Retention of N, P and Ca in the canopy in their respectiverntreatments was reduced resulting in higher concentrations and fluxes of N, P and Ca inrnthroughfall and litterfall. Up to 2.5% of the applied N and 2% of the applied P and Ca werernrecycled to the soil with throughfall. Fluxes of N, P and Ca in throughfall+litterfall were higher inrnthe fertilized treatments than in the control; up to 20, 5 and 25% of the applied N, P and Ca,rnrespectively, were recycled to the soil with throughfall+litterfall.rnIn the Ca-applied plots, fine root biomass decreased significantly. Also the leaf area of thernfour most common tree species tended to decrease and the specific leaf area increasedrnsignificantly in Graffenrieda emarginata Triana, the most common tree species in the study area.rnThese changes are known plant responses to reduced nutrient stress. Reduced aluminium (Al)rntoxicity as an explanation of the Ca effect was unlikely, because of almost complete organocomplexationrnof Al and molar Ca:Al concentration ratios in solution above the toxicity threshold.rnThe results suggest that N, P and Ca co-limit the forest ecosystem functioning in thernnorthern Andean montane forests in line with recent assumptions in which different ecosystemrncompartments and even different phenological stages may show different nutrient limitationsrn(Kaspari et al. 2008). I conclude that (1) the expected elevated N and P deposition will bernretained in the ecosystem, at least in the short term and hence, quality of river water will not bernendangered and (2) increased Ca input will reduce nutrient stress of the forest.

Atmospheric heterogeneous reactions of N 2 O 5 and NO 3 radicals with mineral dust particles

Die heterogenen Reaktionen von N2O5 bzw. NO3 auf mineralischen Staubpartikeln wurden untersucht, um deren Einfluss auf den Abbau atmosphärischer Stickoxide (NOx) sowie auf die chemische Veränderung der Staubpartikel während ihres Transportes durch die Atmosphäre besser verstehen zu können. Die experimentellen Studien wurden bei Atmosphärendruck, Raumtemperatur und unterschiedlichen relativen Luftfeuchten durchgeführt. Der Aufnahmekoeffizient γ(N2O5) von N2O5 auf dispergiertem Staub aus der Sahara wurde zu 0,020 ± 0,002 (1σ) bestimmt, unabhängig von der relativen Feuchte (0 - 67 %) sowie der N2O5-Konzentration (5x1011 - 3x1013 Moleküle cm-3).rnDie Analyse der Reaktionsprodukte in der Gasphase sowie auf der Partikeloberfläche führt zu der Annahme, dass N2O5 auf der Staubpartikeloberfläche zu Nitrat hydrolysiert wird. Es konnte kein Einfluss der relativen Feuchte auf den Aufnahmekoeffizienten ermittelt werden, was durch das vorhandene interlamellare Wasser, welches bis zu 10 % der Partikelmasse betragen kann, erklärbar ist. Der gemessene Wert des Aufnahmekoeffizienten ist unabhängig von der Eingangs-N2O5-Konzentration, was sich über die sehr große innere Oberfläche der Partikel erklären lässt. Dennoch ließ sich durch eine vorherige Konditionierung der Partikel mit gasförmigem HNO3, was eine Nitratanreicherung an der Oberfläche bewirkt, die Effizienz der N2O5-Aufnahme auf die Staubpartikel reduzieren. Zusätzliche Studien befassten sich mit der Bestimmung des Aufnahmekoeffizienten von N2O5 auf Illit-Partikeln und auf Teststaub aus Arizona. Bei einer relativen Luftfeuchte von 0 % wurden für γ(N2O5) Werte von 0,084 ± 0,019 (1σ) für Illit und von 0,010 ± 0,001 (1σ) für Arizona Teststaub ermittelt.rnUnter Anwendung einer neuartigen Messmethode, die auf der zeitgleichen Messung der Konzentrationsabnahme von NO3 und N2O5 relativ zueinander beruht, wurde das Verhältnis γ(NO3)/γ(N2O5) der Aufnahmekoeffizienten von NO3 und N2O5 auf Saharastaub zu 0,9 ± 0,4 (1σ) bestimmt. Dieser Wert war unabhängig von der relativen Feuchte, den NO3- und N2O5-Konzentrationen sowie der Reaktionszeit, obwohl eine Oberflächendeaktivierung für beide Spurenstoffe beobachtet wurde.

Measurements and modeling of ozone fluxes in and above Norway spruce canopies

Ozon (O3) ist ein wichtiges Oxidierungs- und Treibhausgas in der Erdatmosphäre. Es hat Einfluss auf das Klima, die Luftqualität sowie auf die menschliche Gesundheit und die Vegetation. Ökosysteme, wie beispielsweise Wälder, sind Senken für troposphärisches Ozon und werden in Zukunft, bedingt durch Stürme, Pflanzenschädlinge und Änderungen in der Landnutzung, heterogener sein. Es ist anzunehmen, dass diese Heterogenitäten die Aufnahme von Treibhausgasen verringern und signifikante Rückkopplungen auf das Klimasystem bewirken werden. Beeinflusst wird der Atmosphären-Biosphären-Austausch von Ozon durch stomatäre Aufnahme, Deposition auf Pflanzenoberflächen und Böden sowie chemische Umwandlungen. Diese Prozesse zu verstehen und den Ozonaustausch für verschiedene Ökosysteme zu quantifizieren sind Voraussetzungen, um von lokalen Messungen auf regionale Ozonflüsse zu schließen.rnFür die Messung von vertikalen turbulenten Ozonflüssen wird die Eddy Kovarianz Methode genutzt. Die Verwendung von Eddy Kovarianz Systemen mit geschlossenem Pfad, basierend auf schnellen Chemilumineszenz-Ozonsensoren, kann zu Fehlern in der Flussmessung führen. Ein direkter Vergleich von nebeneinander angebrachten Ozonsensoren ermöglichte es einen Einblick in die Faktoren zu erhalten, die die Genauigkeit der Messungen beeinflussen. Systematische Unterschiede zwischen einzelnen Sensoren und der Einfluss von unterschiedlichen Längen des Einlassschlauches wurden untersucht, indem Frequenzspektren analysiert und Korrekturfaktoren für die Ozonflüsse bestimmt wurden. Die experimentell bestimmten Korrekturfaktoren zeigten keinen signifikanten Unterschied zu Korrekturfaktoren, die mithilfe von theoretischen Transferfunktionen bestimmt wurden, wodurch die Anwendbarkeit der theoretisch ermittelten Faktoren zur Korrektur von Ozonflüssen bestätigt wurde.rnIm Sommer 2011 wurden im Rahmen des EGER (ExchanGE processes in mountainous Regions) Projektes Messungen durchgeführt, um zu einem besseren Verständnis des Atmosphären-Biosphären Ozonaustauschs in gestörten Ökosystemen beizutragen. Ozonflüsse wurden auf beiden Seiten einer Waldkante gemessen, die einen Fichtenwald und einen Windwurf trennt. Auf der straßenähnlichen Freifläche, die durch den Sturm "Kyrill" (2007) entstand, entwickelte sich eine Sekundärvegetation, die sich in ihrer Phänologie und Blattphysiologie vom ursprünglich vorherrschenden Fichtenwald unterschied. Der mittlere nächtliche Fluss über dem Fichtenwald war -6 bis -7 nmol m2 s-1 und nahm auf -13 nmol m2 s-1 um die Mittagszeit ab. Die Ozonflüsse zeigten eine deutliche Beziehung zur Pflanzenverdunstung und CO2 Aufnahme, was darauf hinwies, dass während des Tages der Großteil des Ozons von den Pflanzenstomata aufgenommen wurde. Die relativ hohe nächtliche Deposition wurde durch nicht-stomatäre Prozesse verursacht. Die Deposition über dem Wald war im gesamten Tagesverlauf in etwa doppelt so hoch wie über der Freifläche. Dieses Verhältnis stimmte mit dem Verhältnis des Pflanzenflächenindex (PAI) überein. Die Störung des Ökosystems verringerte somit die Fähigkeit des Bewuchses, als Senke für troposphärisches Ozon zu fungieren. Der deutliche Unterschied der Ozonflüsse der beiden Bewuchsarten verdeutlichte die Herausforderung bei der Regionalisierung von Ozonflüssen in heterogen bewaldeten Gebieten.rnDie gemessenen Flüsse wurden darüber hinaus mit Simulationen verglichen, die mit dem Chemiemodell MLC-CHEM durchgeführt wurden. Um das Modell bezüglich der Berechnung von Ozonflüssen zu evaluieren, wurden gemessene und modellierte Flüsse von zwei Positionen im EGER-Gebiet verwendet. Obwohl die Größenordnung der Flüsse übereinstimmte, zeigten die Ergebnisse eine signifikante Differenz zwischen gemessenen und modellierten Flüssen. Zudem gab es eine klare Abhängigkeit der Differenz von der relativen Feuchte, mit abnehmender Differenz bei zunehmender Feuchte, was zeigte, dass das Modell vor einer Verwendung für umfangreiche Studien des Ozonflusses weiterer Verbesserungen bedarf.rn