Between Conservation and Development: Concretizing the First World Natural Heritage Site in the Alps Through Participatory Processes

This article presents an empirical interdisciplinary study of an extensive participatory process that was carried out in 2004 in the recently established World Natural Heritage Site “Jungfrau–Aletsch– Bietschhorn” in the Swiss Alps. The study used qualitative and quantitative empirical methods of social science to address the question of success factors in establishing and concretizing a World Heritage Site. Current international scientific and policy debates agree that the most important success factors in defining pathways for nature conservation and protection are: linking development and conservation, involving multiple stakeholders, and applying participatory approaches. The results of the study indicate that linking development and conservation implies the need to extend the reach of negotiations beyond the area of conservation, and to develop both a regional perspective and a focus on sustainable regional development. In the process, regional and local stakeholders are less concerned with defining sustainability goals than elaborating strategies of sustainability, in particular defining the respective roles of the core sectors of society and economy. However, the study results also show that conflicting visions and perceptions of nature and landscape are important underlying currents in such negotiations. They differ significantly between various stakeholder categories and are an important cause of conflicts occurring at various stages of the participatory process.

Schnidejoch (2756 m a.s.l., Western Bernese Alps, Switzerland). Did Holocene glacier advances close the alpine pass for human transhumance?

A series of more than 70 radiocarbon dates confirms that the Schnidejoch pass, linking the Bernese Highlands with the River Rhone valley, was in use at least from 4800–4500 BC on. The pass was of easy access when the glaciers from the nearby Wildhorn mountain range (peak on 3248 a.s.l) were in a retreating phase e.g. as is the situation today. During holocene phases of advancing glaciers the pass was blocked for humans accompanied by herding animals. The presentation reviews the publication of Grosjean et al. (Ice-borne prehistoric finds in the Swiss Alps reflect Holocene glacier fluctuations, JOURNAL OF QUATERNARY SCIENCE, 200, 22.3, 203–207) on a larger basis of radiocarbon dating and discusses the position of the pass within a system of prehistoric settlements, camp sites and passes.

The sediment record of the past 200 years in a Swiss high-alpine lake: Hagelseewli (2339 ma.s.l.)

Sediment cores spanning the last two centuries were taken in Hagelseewli, a high-elevation lake in the Swiss Alps. Contiguous 0.5 cm samples were analysed for biological remains, including diatoms, chironomids, cladocera, chrysophyte cysts, and fossil pigments. In addition, sedimentological and geochemical variables such as loss-on-ignition, total carbon, nitrogen, sulphur, grain-size and magnetic mineralogy were determined. The results of these analyses were compared to a long instrumental air temperature record that was adapted to the elevation of Hagelseewli by applying mean monthly lapse rates. During much of the time, the lake is in the shadow of a high cliff to the south, so that the lake is ice-covered during much of the year and thus decoupled from climatic forcing. Lake biology is therefore influenced more by the duration of ice-cover than by direct temperature effects during the short open-water season. Long periods of ice-cover result in anoxic water conditions and dissolution of authigenic calcites, leading to carbonate-free sediments. The diversity of chironomid and cladoceran assemblages is extremely low, whereas that of diatom and chrysophyte cyst assemblages is much higher. Weak correlations were observed between the diatom and chrysophyte cyst assemblages on the one hand and summer or autumn air temperatures on the other, but the proportion of variance explained is low, so that air temperature alone cannot account for the degree of variation observed in the paleolimnological record. Analyses of mineral magnetic parameters, spheroidal carbonaceous particles and lead suggest that atmospheric pollution has had a significant effect on the sediments of Hagelseewli, but little effect on the water quality as reflected in the lake biota.

Carbon 14 age dating of wood samples from the Alps

Glacially deformed pieces of wood, organic lake sediments and clasts of reworked peat have been collected in front of Alpine glaciers since AD 1990. The palaeoglaciological interpretation of these organic materials is related to earlier phases of glacier recession surpassing that of today's shrunken glaciers and to tree growth and peat accumulation in the valleys now occupied by the glaciers. Glacial transport of the material is indicated by wood anatomy, incorporated silt, sand and gravel particles, missing bark and deformed treerings. A total of 65 samples have been radiocarbon dated so far, and clusters of dates provide evidence of eight phases of glacier recession: 9910-9550, 9010-7980, 7250-6500, 6170-5950, 5290-3870, 3640-3360, 2740-2620 and 1530-1170 calibrated years BP. Allowing for the timelag between climatic fluctuations, glacier response and vegetation colonization, these recession phases may lag behind climatic changes by 100-200 years.

Multiscale coupling and multiphysics approaches in earth sciences : applications

Geoscientists are confronted with the challenge of assessing nonlinear phenomena that result from multiphysics coupling across multiple scales from the quantum level to the scale of the earth and from femtoseconds to the 4.5 Ga of history of our planet. We neglect in this review electromagnetic modelling of the processes in the Earth’s core, and focus on four types of couplings that underpin fundamental instabilities in the Earth. These are thermal (T), hydraulic (H), mechanical (M) and chemical (C) processes which are driven and controlled by the transfer of heat to the Earth’s surface. Instabilities appear as faults, folds, compaction bands, shear/fault zones, plate boundaries and convective patterns. Convective patterns emerge from buoyancy overcoming viscous drag at a critical Rayleigh number. All other processes emerge from non-conservative thermodynamic forces with a critical critical dissipative source term, which can be characterised by the modified Gruntfest number Gr. These dissipative processes reach a quasi-steady state when, at maximum dissipation, THMC diffusion (Fourier, Darcy, Biot, Fick) balance the source term. The emerging steady state dissipative patterns are defined by the respective diffusion length scales. These length scales provide a fundamental thermodynamic yardstick for measuring instabilities in the Earth. The implementation of a fully coupled THMC multiscale theoretical framework into an applied workflow is still in its early stages. This is largely owing to the four fundamentally different lengths of the THMC diffusion yardsticks spanning micro-metre to tens of kilometres compounded by the additional necessity to consider microstructure information in the formulation of enriched continua for THMC feedback simulations (i.e., micro-structure enriched continuum formulation). Another challenge is to consider the important factor time which implies that the geomaterial often is very far away from initial yield and flowing on a time scale that cannot be accessed in the laboratory. This leads to the requirement of adopting a thermodynamic framework in conjunction with flow theories of plasticity. This framework allows, unlike consistency plasticity, the description of both solid mechanical and fluid dynamic instabilities. In the applications we show the similarity of THMC feedback patterns across scales such as brittle and ductile folds and faults. A particular interesting case is discussed in detail, where out of the fluid dynamic solution, ductile compaction bands appear which are akin and can be confused with their brittle siblings. The main difference is that they require the factor time and also a much lower driving forces to emerge. These low stress solutions cannot be obtained on short laboratory time scales and they are therefore much more likely to appear in nature than in the laboratory. We finish with a multiscale description of a seminal structure in the Swiss Alps, the Glarus thrust, which puzzled geologists for more than 100 years. Along the Glarus thrust, a km-scale package of rocks (nappe) has been pushed 40 km over its footwall as a solid rock body. The thrust itself is a m-wide ductile shear zone, while in turn the centre of the thrust shows a mm-cm wide central slip zone experiencing periodic extreme deformation akin to a stick-slip event. The m-wide creeping zone is consistent with the THM feedback length scale of solid mechanics, while the ultralocalised central slip zones is most likely a fluid dynamic instability.

Response of bat species to sylvo-pastoral abandonment

We assessed the effect of abandonment of sylvo-pastoral practices in chestnut orchards (Castanea sativa) on bats in southern Switzerland to determine practical recommendations for bat conservation. We compared bat species richness and foraging activities between traditionally managed and unmanaged chestnut orchards, testing the hypothesis that managed orchards provide better foraging opportunities and harbour more bat species. Echolocation calls of foraging bats were sampled simultaneously at paired sites of managed and unmanaged orchards using custom made recorders. Vegetation structure and aerial insect availability were sampled at the recording sites and used as explanatory variables in the model. In a paired sampling design, we found twice the number of bat species (12) and five times higher total foraging activity in the managed chestnut orchards compared to the unmanaged ones. Bat species with low flight manoeuvrability were 14 times more common in managed orchards, whereas bats with medium to high manoeuvrability were only 5 times more common than in abandoned orchards. The vegetation structure was less dense in managed orchards. However, management did not affect relative insect abundance. Bats primarily visited the most open orchards, free of undergrowth. As a result of restricted access into the overgrown forests, the abandonment of chestnut orchards leads to a decline in bat species richness and foraging activities. Continued management of chestnut orchards to maintain an open structure is important for the conservation of endangered bat species in the southern Swiss Alps.

How reliable is the monitoring of permanent vegetation plots? A test with multiple observers

Questions: A multiple plot design was developed for permanent vegetation plots. How reliable are the different methods used in this design and which changes can we measure? Location: Alpine meadows (2430 m a.s.l.) in the Swiss Alps. Methods: Four inventories were obtained from 40 m(2) plots: four subplots (0.4 m(2)) with a list of species, two 10m transects with the point method (50 points on each), one subplot (4 m2) with a list of species and visual cover estimates as a percentage and the complete plot (40 m(2)) with a list of species and visual estimates in classes. This design was tested by five to seven experienced botanists in three plots. Results: Whatever the sampling size, only 45-63% of the species were seen by all the observers. However, the majority of the overlooked species had cover < 0.1%. Pairs of observers overlooked 10-20% less species than single observers. The point method was the best method for cover estimate, but it took much longer than visual cover estimates, and 100 points allowed for the monitoring of only a very limited number of species. The visual estimate as a percentage was more precise than classes. Working in pairs did not improve the estimates, but one botanist repeating the survey is more reliable than a succession of different observers. Conclusion: Lists of species are insufficient for monitoring. It is necessary to add cover estimates to allow for subsequent interpretations in spite of the overlooked species. The choice of the method depends on the available resources: the point method is time consuming but gives precise data for a limited number of species, while visual estimates are quick but allow for recording only large changes in cover. Constant pairs of observers improve the reliability of the records.

A spatial modelling framework for assessing climate change impacts on freshwater ecosystems: Response of brown trout (Salmo trutta L.) biomass to warming water temperature

Mountain regions worldwide are particularly sensitive to on-going climate change. Specifically in the Alps in Switzerland, the temperature has increased twice as fast than in the rest of the Northern hemisphere. Water temperature closely follows the annual air temperature cycle, severely impacting streams and freshwater ecosystems. In the last 20 years, brown trout (Salmo trutta L) catch has declined by approximately 40-50% in many rivers in Switzerland. Increasing water temperature has been suggested as one of the most likely cause of this decline. Temperature has a direct effect on trout population dynamics through developmental and disease control but can also indirectly impact dynamics via food-web interactions such as resource availability. We developed a spatially explicit modelling framework that allows spatial and temporal projections of trout biomass using the Aare river catchment as a model system, in order to assess the spatial and seasonal patterns of trout biomass variation. Given that biomass has a seasonal variation depending on trout life history stage, we developed seasonal biomass variation models for three periods of the year (Autumn-Winter, Spring and Summer). Because stream water temperature is a critical parameter for brown trout development, we first calibrated a model to predict water temperature as a function of air temperature to be able to further apply climate change scenarios. We then built a model of trout biomass variation by linking water temperature to trout biomass measurements collected by electro-fishing in 21 stations from 2009 to 2011. The different modelling components of our framework had overall a good predictive ability and we could show a seasonal effect of water temperature affecting trout biomass variation. Our statistical framework uses a minimum set of input variables that make it easily transferable to other study areas or fish species but could be improved by including effects of the biotic environment and the evolution of demographical parameters over time. However, our framework still remains informative to spatially highlight where potential changes of water temperature could affect trout biomass. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.-

Spurenanalyse von Uran und Plutonium sowie Speziationsuntersuchungen an Plutonium mit massenspektrometrischen und kapillarelektrophoretischen Methoden

Die Elemente Uran und Plutonium besitzen seit Entdeckung der Kernspaltung und der technischen Nutzung der Kernenergie eine globale Bedeutung. So trägt Pu hauptsächlich zur Radiotoxizität von abgebrannten Brennelementen bei und erfordert im Falle einer Endlagerung in einer tiefen geologischen Formation einen sicheren Verschluss für bis zu einer Million Jahre. Das Wissen über die vorliegenden chemischen Spezies ist dabei entscheidend für das Verständnis der chemisch-physikalischen Wechselwirkungen im jeweiligen geochemischen System, insbesondere mit dem Wirtsgestein (hier Ton) und den allgegenwärtigen Huminstoffen (hier Fulvinsäure). Längerfristig sind so Vorhersagen über einen Transport des hochradioaktiven Abfalls nach Auslaugung und Austritt aus einem Endlager bis in die Biosphäre möglich. Gerade der Ultraspurenbereich, im Fernfeld eines Endlagers zu erwarten, ist dabei von besonderem Interesse. Darüber hinaus machen nuklearforensische Untersuchungen – in Hinblick auf illegal benutztes Nuklearmaterial, Schmuggel oder Nuklearterrorismus – zur Bestimmung der Herkunft, des Alters oder der Radiotoxizität isotopenselektive Nachweismethoden im Ultraspurenbereich notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden hierfür die Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) zur isotopenselektiven Spuren- und Ultraspurenanalyse von U und Pu sowie die Kapillarelektrophorese (CE) gekoppelt an die induktiv gekoppelte Plasma (ICP)-Massenspektrometrie (CE-ICP-MS) zur Speziation von Pu eingesetzt. Für den isotopenselektiven Nachweis von Ultraspurenmengen von Uran mittels RIMS wurden vorbereitende Studien durchgeführt und mehrere zweifach resonante Anregungsleitern mit nicht-resonanter Ionisation untersucht. Eine Effizienz von ca. 10^-10 bei einer Nachweisgrenze von 10^12 Atomen U-238 konnte erzielt werden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Radiochemie, TU München, wurde mittels RIMS die Isotopenzusammensetzung von Plutonium, abgetrennt aus einem panzerbrechenden Urangeschoss aus dem Kosovokonflikt, bestimmt und dieses als Waffenplutonium mit einem Gehalt von 15 pg Pu-239/g Uran identifiziert. Rückschlüsse über Herkunft und Alter des Plutoniums konnten daraus gewonnen werden. Für Studien zur Umweltüberwachung von Plutonium in Rheinland-Pfalz wurden Grund-, Oberflächen- und Klärwasserproben mittels RIMS untersucht. Oberhalb der Nachweisgrenze von ca. 10^7 Atomen Pu-239/500 mL konnte kein signifikanter Gehalt bestimmt werden. Zusätzlich wurden Klärschlammproben untersucht, wobei in einer Probe 5,1*10^7 Atome Pu-239/g gemessen wurde, was auf eine Anreicherung von Pu im Klärschlamm aus großen Wasservolumina hindeuten könnte. Speziationsuntersuchungen von Plutonium in Kontakt mit Fulvinsäure und dem Tonmineral Kaolinit wurden in Hinblick auf die Wechselwirkungen im Umfeld eines nuklearen Endlagers durchgeführt. Die Redoxkinetik von Pu(VI) in Kontakt mit Gorleben-Fulvinsäure zeigt eine mit steigendem pH zunehmend schnellere und vollständige Reduktion und ein vergleichbares Verhalten zur Huminsäure. Für ein Plutoniumgemisch aus allen vier umweltrelevanten Oxidationsstufen in Kontakt mit Gorleben-Fulvinsäure konnte nach ca. 1 Monat Kontaktzeit eine fasst vollständige Reduktion zum tri- und tetravalenten Pu beobachtet werden. Sorptionsuntersuchungen der stabilsten Oxidationsstufe, Pu(IV), in Kontakt mit Kaolinit bei pH = 0 bis 13 im Konzentrationsbereich 10^-7 bis 10^-9 mol/L verdeutlichen das ausgeprägte Sorptionsverhalten von Pu(IV) (ca. 60% bis 90% Sorption) im umweltrelevanten pH-Bereich bei einem Einsetzen der Sorption bei pH = 0 bis 2. Im Rahmen des "Colloid and Radionuclide Retardation" (CRR) Experiments im Felslabor Grimsel, Schweizer Alpen, wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Nukleare Entsorgung, Karlsruhe, die kolloidgetragene Migration von Pu(IV) in einem Grundwasserstrom durch Scherzonen im Granitgestein unter umweltrelevanten Bedingungen untersucht. Bei Zugabe von im Grundwasser stabilen Bentonitkolloiden – Bentonit wird als ein geeignetes Verschlussmaterial für nukleare Abfälle erforscht – konnte ein erhöhter Transport des Pu(IV) beobachtet werden, der durch Sorption des Pu an die mobilen Kolloide hervorgerufen wird. Zur Speziation von Plutonium im Ultraspurenbereich wurde im Rahmen dieser Arbeit an der Entwicklung der Kopplung der CE mit der sehr sensitiven RIMS gearbeitet. Das Prinzip der offline-Kopplung basiert auf dem Sammeln der zu unterschiedlichen Zeiten am Ende der Kapillare eluierten Oxidationsstufen in einzelnen Fraktionen. Aus jeder Fraktion wird ein eigenes Filament hergestellt und mit RIMS auf seinen Plutoniumgehalt untersucht. Eine erste Validierung der Methode konnte durch Bestimmung der Oxidationsstufenzusammensetzung eines bekannten Gemischs erfolgreich für einen Gehalt von ca. 6*10^9 Atome Pu-239 durchgeführt werden. Dies stellt einen möglichen Zugang zu dem erwarteten Konzentrationsbereich im Fernfeld eines Endlagers dar.

Dynamik orographischer Bannerwolken

Der Begriff "Bannerwolke" bezeichnet ein eindrucksvolles Phänomen aus dem Bereich der Gebirgsmeteorologie. Bannerwolken können gelegentlich im Hochgebirge im Bereich steiler Bergspitzen oder langgezogener Bergrücken, wie z.B. dem Matterhorn in den Schweizer Alpen oder dem Zugspitzgrat in den Bayrischen Alpen beobachtet werden. Der Begriff bezeichnet eine Banner- oder Fahnen-ähnliche Wolkenstruktur, welche an der windabgewandten Seite des Berges befestigt zu sein scheint, während die windzugewandte Seite vollkommen wolkenfrei ist. Bannerwolken fanden bislang, trotz ihres relativ häufigen Auftretens in der wissenschaftlichen Literatur kaum Beachtung. Entsprechend wenig ist über ihren Entstehungsmechanismus und insbesondere die relative Bedeutung dynamischer gegenüber thermodynamischer Prozesse bekannt. In der wissenschaftlichen Literatur wurden bislang 3 unterschiedliche Mechanismen postuliert, um die Entstehung von Bannerwolken zu erklären. Demnach entstehen Bannerwolken durch (a) den Bernoulli-Effekt, insbesondere durch die lokale adiabatische Kühlung hervorgerufen durch eine Druckabnahme entlang quasi-horizontal verlaufender, auf der windzugewandten Seite startender Trajektorien, (b) durch isobare Mischung bodennaher kälterer Luft mit wärmerer Luft aus höheren Schichten, oder (c) durch erzwungene Hebung im aufsteigenden Ast eines Leerotors. Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres physikalisches Verständnis für das Phänomen der Bannerwolke zu entwickeln. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem dominierenden Entstehungsmechanismus, der relativen Bedeutung dynamischer und thermodynamischer Prozesse, sowie der Frage nach geeigneten meteorologischen Bedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein neues Grobstruktursimulations (LES)-Modell entwickelt, welches geeignet ist turbulente, feuchte Strömungen in komplexem Terrain zu untersuchen. Das Modell baut auf einem bereits existierenden mesoskaligen (RANS) Modell auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das neue Modell ausführlich gegen numerische Referenzlösungen und Windkanal-Daten verglichen. Die wesentlichen Ergebnisse werden diskutiert, um die Anwendbarkeit des Modells auf die vorliegende wissenschaftliche Fragestellung zu überprüfen und zu verdeutlichen. Die Strömung über eine idealisierte pyramidenförmige Bergspitze wurde für Froude-Zahlen Fr >> 1 sowohl auf Labor- als auch atmosphärischer Skala mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik untersucht. Die Simulationen zeigen, dass Bannerwolken ein primär dynamisches Phänomen darstellen. Sie entstehen im Lee steiler Bergspitzen durch dynamisch erzwungene Hebung. Die Simulationen bestätigen somit die Leerotor-Theorie. Aufgrund des stark asymmetrischen, Hindernis-induzierten Strömungsfeldes können Bannerwolken sogar im Falle horizontal homogener Anfangsbedingungen hinsichtlich Feuchte und Temperatur entstehen. Dies führte zu der neuen Erkenntnis, dass zusätzliche leeseitige Feuchtequellen, unterschiedliche Luftmassen in Luv und Lee, oder Strahlungseffekte keine notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer Bannerwolke darstellen. Die Wahrscheinlichkeit der Bannerwolkenbildung steigt mit zunehmender Höhe und Steilheit des pyramidenförmigen Hindernisses und ist in erster Näherung unabhängig von dessen Orientierung zur Anströmung. Simulationen mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik machen deutlich, dass thermodynamische Prozesse (insbes. die Umsetzung latenter Wärme) für die Dynamik prototypischer (nicht-konvektiver) Bannerwolken zweitrangig ist. Die Verstärkung des aufsteigenden Astes im Lee und die resultierende Wolkenbildung, hervorgerufen durch die Freisetzung latenter Wärme, sind nahezu vernachlässigbar. Die Feuchtephysik induziert jedoch eine Dipol-ähnliche Struktur im Vertikalprofil der Brunt-Väisälä Frequenz, was zu einem moderaten Anstieg der leeseitigen Turbulenz führt. Es wird gezeigt, dass Gebirgswellen kein entscheidendes Ingredienz darstellen, um die Dynamik von Bannerwolken zu verstehen. Durch eine Verstärkung der Absinkbewegung im Lee, haben Gebirgswellen lediglich die Tendenz die horizontale Ausdehnung von Bannerwolken zu reduzieren. Bezüglich geeigneter meteorologischer Bedingungen zeigen die Simulationen, dass unter horizontal homogenen Anfangsbedingungen die äquivalentpotentielle Temperatur in der Anströmung mit der Höhe abnehmen muss. Es werden 3 notwendige und hinreichende Kriterien, basierend auf dynamischen und thermodynamischen Variablen vorgestellt, welche einen weiteren Einblick in geeignete meteorologische Bedingungen geben.

Measurement and modeling of cloud condensation nuclei in continental air

Atmospheric aerosol particles serving as cloud condensation nuclei (CCN) are key elements of the hydrological cycle and climate. Knowledge of the spatial and temporal distribution of CCN in the atmosphere is essential to understand and describe the effects of aerosols in meteorological models. In this study, CCN properties were measured in polluted and pristine air of different continental regions, and the results were parameterized for efficient prediction of CCN concentrations.The continuous-flow CCN counter used for size-resolved measurements of CCN efficiency spectra (activation curves) was calibrated with ammonium sulfate and sodium chloride aerosols for a wide range of water vapor supersaturations (S=0.068% to 1.27%). A comprehensive uncertainty analysis showed that the instrument calibration depends strongly on the applied particle generation techniques, Köhler model calculations, and water activity parameterizations (relative deviations in S up to 25%). Laboratory experiments and a comparison with other CCN instruments confirmed the high accuracy and precision of the calibration and measurement procedures developed and applied in this study.The mean CCN number concentrations (NCCN,S) observed in polluted mega-city air and biomass burning smoke (Beijing and Pearl River Delta, China) ranged from 1000 cm−3 at S=0.068% to 16 000 cm−3 at S=1.27%, which is about two orders of magnitude higher than in pristine air at remote continental sites (Swiss Alps, Amazonian rainforest). Effective average hygroscopicity parameters, κ, describing the influence of chemical composition on the CCN activity of aerosol particles were derived from the measurement data. They varied in the range of 0.3±0.2, were size-dependent, and could be parameterized as a function of organic and inorganic aerosol mass fraction. At low S (≤0.27%), substantial portions of externally mixed CCN-inactive particles with much lower hygroscopicity were observed in polluted air (fresh soot particles with κ≈0.01). Thus, the aerosol particle mixing state needs to be known for highly accurate predictions of NCCN,S. Nevertheless, the observed CCN number concentrations could be efficiently approximated using measured aerosol particle number size distributions and a simple κ-Köhler model with a single proxy for the effective average particle hygroscopicity. The relative deviations between observations and model predictions were on average less than 20% when a constant average value of κ=0.3 was used in conjunction with variable size distribution data. With a constant average size distribution, however, the deviations increased up to 100% and more. The measurement and model results demonstrate that the aerosol particle number and size are the major predictors for the variability of the CCN concentration in continental boundary layer air, followed by particle composition and hygroscopicity as relatively minor modulators. Depending on the required and applicable level of detail, the measurement results and parameterizations presented in this study can be directly implemented in detailed process models as well as in large-scale atmospheric and climate models for efficient description of the CCN activity of atmospheric aerosols.

Development and application of mass-spectrometric methods for the quantification and characterization of organic compounds in ice cores

Eisbohrkerne stellen wertvolle Klimaarchive dar, da sie atmosphärisches Aerosol konservieren. Die Analyse chemischer Verbindungen als Bestandteil atmosphärischer Aerosole in Eisbohrkernen liefert wichtige Informationen über Umweltbedingungen und Klima der Vergangenheit. Zur Untersuchung der α-Dicarbonyle Glyoxal und Methylglyoxal in Eis- und Schneeproben wurde eine neue, sensitive Methode entwickelt, die die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) mit der Hochleistungsflüssigchromatographie-Massenspektrometrie (HPLC-MS) kombiniert. Zur Analyse von Dicarbonsäuren in Eisbohrkernen wurde eine weitere Methode entwickelt, bei der die Festphasenextraktion mit starkem Anionenaustauscher zum Einsatz kommt. Die Methode erlaubt die Quantifizierung aliphatischer Dicarbonsäuren (≥ C6), einschließlich Pinsäure, sowie aromatischer Carbonsäuren (wie Phthalsäure und Vanillinsäure), wodurch die Bestimmung wichtiger Markerverbindungen für biogene und anthropogene Quellen ermöglicht wurde. Mit Hilfe der entwickelten Methoden wurde ein Eisbohrkern aus den Schweizer Alpen analysiert. Die ermittelten Konzentrationsverläufe der Analyten umfassen die Zeitspanne von 1942 bis 1993. Mittels einer Korrelations- und Hauptkomponentenanalyse konnte gezeigt werden, dass die organischen Verbindungen im Eis hauptsächlich durch Waldbrände und durch vom Menschen verursachte Schadstoffemissionen beeinflusst werden. Im Gegensatz dazu sind die Konzentrationsverläufe einiger Analyten auf den Mineralstaubtransport auf den Gletscher zurückzuführen. Zusätzlich wurde ein Screening der Eisbohrkernproben mittels ultrahochauflösender Massenspektrometrie durchgeführt. Zum ersten Mal wurden in diesem Rahmen auch Organosulfate und Nitrooxyorganosulfate in einem Eisbohrkern identifiziert.