Continental degassing of He-4 by surficial discharge of deep groundwater

Radiogenic He-4 is produced by the decay of uranium and thorium in the Earths mantle and crust. From here, it is degassed to the atmosphere(1-5) and eventually escapes to space(1,5,6). Assuming that all of the He-4 produced is degassed, about 70% of the total He-4 degassed from Earth comes from the continental crust(2,-5,7). However, the outgoing flux of crustal He-4 has not been directly measured at the Earths surface(2) and the migration pathways are poorly understood(2-4,7,8). Here we present measurements of helium isotopes and the long-lived cosmogenic radio-isotope Kr-81 in the deep, continental-scale Guarani aquifer in Brazil and show that crustal He-4 reaches the atmosphere primarily by the surficial discharge of deep groundwater. We estimate that He-4 in Guarani groundwater discharge accounts for about 20% of the assumed global flux from continental crust, and that other large aquifers may account for about 33%. Old groundwater ages suggest that He-4 in the Guarani aquifer accumulates over half- to one-million-year timescales. We conclude that He-4 degassing from the continents is regulated by groundwater discharge, rather than episodic tectonic events, and suggest that the assumed steady state between crustal production and degassing of He-4, and its resulting atmospheric residence time, should be re-examined.

Influência de tratamentos a plasma na resistência à corrosão e na propriedade de adesão de uma camada protetiva sobre a superfície de ligas de alumínio

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Evaluating the legacy of landscape history: extinction debt and species credit in bird and small mammal assemblages in the Brazilian Atlantic Forest

There is now an extensive literature on extinction debt following deforestation. However, the potential for species credit in landscapes that have experienced a change from decreasing to expanding forest cover has received little attention. Both delayed responses should depend on current landscape forest cover and on species life-history traits, such as longevity, as short-lived species are likely to respond faster than long-lived species. We evaluated the effects of historical and present-day local forest cover on two vertebrate groups with different longevities understorey birds and non-flying small mammals - in forest patches at three Atlantic Forest landscapes. Our work investigated how the probability of extinction debt and species credit varies (i) amongst landscapes with different proportions of forest cover and distinct trajectories of forest cover change, and (ii) between taxa with different life spans. Our results suggest that the existence of extinction debt and species credit, as well as the potential for their future payment and/or receipt, is not only related to forest cover trajectory but also to the amount of remaining forest cover at the landscape scale. Moreover, differences in bird and small mammal life spans seem to be insufficient to affect differently their probability of showing time-delayed responses to landscape change. Synthesis and applications. Our work highlights the need for considering not only the trajectory of deforestation/regeneration but also the amount of forest cover at landscape scale when investigating time-delayed responses to landscape change. As many landscapes are experiencing a change from decreasing to expanding forest cover, understanding the association of extinction and immigration processes, as well as their interactions with the landscape dynamic, is a key factor to plan conservation and restoration actions in human-altered landscapes.

The construction of TRIGA-TRAP and direct high-precision Penning trap mass measurements on rare-earth elements and americium

Nuclear masses are an important quantity to study nuclear structure since they reflect the sum of all nucleonic interactions. Many experimental possibilities exist to precisely measure masses, out of which the Penning trap is the tool to reach the highest precision. Moreover, absolute mass measurements can be performed using carbon, the atomic-mass standard, as a reference. The new double-Penning trap mass spectrometer TRIGA-TRAP has been installed and commissioned within this thesis work, which is the very first experimental setup of this kind located at a nuclear reactor. New technical developments have been carried out such as a reliable non-resonant laser ablation ion source for the production of carbon cluster ions and are still continued, like a non-destructive ion detection technique for single-ion measurements. Neutron-rich fission products will be available by the reactor that are important for nuclear astrophysics, especially the r-process. Prior to the on-line coupling to the reactor, TRIGA-TRAP already performed off-line mass measurements on stable and long-lived isotopes and will continue this program. The main focus within this thesis was on certain rare-earth nuclides in the well-established region of deformation around N~90. Another field of interest are mass measurements on actinoids to test mass models and to provide direct links to the mass standard. Within this thesis, the mass of 241-Am could be measured directly for the first time.

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Kollineare Laserspektroskopie an radioaktiven Praseodymionen und Cadmiumatomen

Die Analyse optischer Spektren liefert einen kernmodellunabhängigen Zugang zur Bestimmung der Kernspins, Ladungsradien und elektromagnetischen Momente von Atomkernen im Grundzustand und von langlebigen Isomeren. Eine der vielseitigsten Methoden zur optischen Spektroskopie an kurzlebigen Isotopen ist die kollineare Laserspektroskopie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum einen die TRIGA-LASER Strahlstrecke am Institut für Kernchemie der Universität Mainz durch die Implementierung einer neuen offline Oberflächenionenquelle für hohe Verdampfungstemperaturen und eines Strahlanalysesystems weiterentwickelt. Zum anderen wurde kollineare Laserspektroskopie an kurzlebigen Praseodym- und Cadmiumisotopen an ISOLDE/CERN durchgeführt. Die neue Ionenquelle ermöglichte dabei den Test der kollinearen Laserspektroskopie an Praseodymionen am TRIGA-LASER Experiment. Die Spektroskopie der Prasdeodymionen motivierte sich aus der Beobachtung einer zeitlichen Modulation der EC-Zerfallsrate von wasserstoffähnlichem 140Pr58+. Für die Erklärung dieser sogenannten GSI Oszillationen wird unter anderem das magnetische Moment des Kerns benötigt, welches bislang noch nicht experimentell bestimmt wurde. Zudem wurde für wasserstoffähnliches 140Pr58+ überraschenderweise eine kleinere EC-Zerfallskonstante gemessen als für heliumähnliches 140Pr57+. Die Erklärung dieses Phänomens setzt ein positives magnetisches Moment voraus. Bei der Spektroskopie am COLLAPS Experiment wurden erstmals die magnetischen Momente von 135Pr, 136Pr und 137Pr vermessen. Aufgrund zu geringer Produktionsraten war die Spektroskopie des gewünschten Isotops 140Pr jedoch nicht erfolgreich. Die Untersuchung der Cadmiumisotope ist kernphysikalisch motiviert. In der Zinnregion erstrecken sich die Isotope über die beiden magischen Zahlen N=50 und N=82 bei gleichzeitiger Nähe des Z=50 Schalenabschlusses. Hier können verschiedene Kernmodelle getestet werden, die sich beispielsweise hinsichtlich der Stärke des N=82 Schalenabschlusses widersprechen. Diese Arbeit berichtet über erste Ergebnisse der Spektroskopie an Cadmiumatomen, die sich über die Isotope 106−124,126Cd sowie die zugehörigen langlebigen I=11/2− Isomere erstreckt. Die zuvor experimentell bekannten oder aus dem erweiterten Schalenmodell abgeleiteten Kernspins konnten für alle Isotope bis auf 119Cd bestätigt werden. Der Kernspin von 119Cd wurde eindeutig zu I=1/2 bestimmt. Die elektrischen Quadrupolmomente der Isomere zeigen ein bemerkenswert lineares Verhalten in Abhängigkeit von der Neutronenzahl und dies über die eigentliche Kapazität der 1h11/2 Unterschale hinaus. Die Änderungen der mittleren quadratischen Ladungsradien zeigen den auch an Indium- und Zinnisotopen beobachteten stetigen Verlauf. Der lineare Anteil passt sehr gut zu den Berechnung des Tröpfchenmodells in der Parametrisierung nach Berchidevsky und Tondeur. Die Differenzen der mittleren quadratischen Ladungsradien zwischen Grund- und isomeren Zustand der ungeraden Cadmiumisotope zeigen einen interessanten parabolischen Verlauf mit einem Minimum zwischen A=117 und A=119.

Charge generation and recombination in solid-state dye-sensitized solar cells

Diese Doktorarbeit befasst sich mit Ladungsgeneration und – rekombination in Feststoff-Farbstoffsolarzellen, die spiro-OMeTAD als Lochleiter verwenden. Die vorliegende Arbeit ist in drei Fallstudien unterteilt: i.) Kern-erweiterte Rylen-Farbstoffe, ii.) ein Perylenmonoimid-Farbstoff und iii.) Donor-π verbrückte (Cyclopentadithiophen)-Akzeptor-Farbstoffe. Trotz ihres hohen molaren Extinktionskoeffizienten und der hohen Absorbanz der sensibilisierten Filme, zeigen einige dieser Farbstoffmoleküle nur geringe photovoltaischen Effizienzen. Um den Ursprung des geringen Wirkungsgrades herauszufinden, wurde breitbandige, ultraschnelle transiente Absorptionsspektroskopie an Solarzellen durchgeführt.rnInsbesondere die Auswirkungen verschiedender Ankergruppen, Dipolmomente, Photolumineszenzlebenszeiten, Lithium-Kationensensitivität und Ladungsträgerdynamik, die alle einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solarzelle besitzen, wurden untersucht. In der ersten Fallstudie zeigte ein kurzer Rylen-Farbstoff aufgrund deutlich verlängerter Lebenszeiten die beste Effizienz im Vergleich zu größeren Kern-erweiterten Rylen-Farbstoffen. Die Lebenszeit wurde weiter reduziert, wenn Maleinsäure als Ankergruppe unter einer Ringöffnungsreaktion an die mesoporöse Oberfläche des Metalloxid-Halbleiters adsorbierte. Dies konnte mit Hilfe von Berechnungen mittels der Dichtefunktionaltheorie (DFT, B3LYP) auf die Differenz des Dipolmoments zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand zurückgeführt werden. Die Berechnungen bekräftigen die unvorteilhafte Injektion von Ladungen durch die Änderung der Richtung des Dipolmoments, wenn eine Ringöffnung der Anhydridgruppe stattfindet. In der zweiten Studie zeigte das Perylenmonoimid-Derivat ID889 einen Wirkungsgrad von 4.5% in Feststoff-Farbstoffsolarzellen, wobei ID889 sogar ohne Zuhilfenahme eines Additivs in der Lage ist langlebige Farbstoffkationen zu bilden. Die Verwendung von Lithium-Kationen stabilisiert jedoch sowohl den Prozess der Ladungsgeneration als auch den der Ladungsregeneration. Des Weiteren wurde in ID889-sensitivierten Bauteilen kein reduktives Löschen beobachtet. Dabei wurde die Dynamik der Exzitonen mittels einer soft-modelling Methode Kurvenanalyse aus den Daten der transienten Absorptionsspektroskopie gewonnen. Zuletzt wurden Strukturen mit Cyclopentadithiophen(CPDT)-Baustein untersucht, die eine typische D-π-A Molekülstruktur bilden. FPH224 und 233 zeigten dabei eine bessere Effizienz als FPH231 und 303 aufgrund einer großen Injektionseffizienz (IE) und längerer Lebenszeit der angeregten Zustände. Dies kann auf reduktives Löschen in FPH231 und 303 zurückgeführt werden, wohingegen FPH224 und 233 einen moderaten Zerfall des Spirokationensignals zeigten.

Migration von Technetium in natürlichem Tongestein

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Verbundprojektes „Rückhaltung endlagerrelevanter Radionuklide im natürlichen Tongestein und salinaren Systemen“ (Förderkennzeichen: 02E10981), welches durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wurde, angefertigt. Ziel war es, erstmals Erkenntnisse zur Wechselwirkung zwischen dem Spaltprodukt Technetium und einem natürlichen Tongestein im Hinblick auf ein Endlager für wärmeentwickelnde radioaktive Abfälle zu erlangen. Hierfür wurde der in der Nordschweiz vorkommende Opalinuston aus Mont Terri als Referenzmaterial verwendet. Das Nuklid Technetium-99 liefert auf Grund seiner langen Halbwertszeit einen signifikanten Beitrag zur Radiotoxizität abgebrannter Brennelemente für mehr als tausend Jahre. Im Falle einer Freisetzung aus den Lagerbehältern wird die Geochemie des Technetiums von seiner Oxidationsstufe bestimmt, wobei lediglich die Oxidationsstufen +IV und +VII von Relevanz sind. Auf Grund seiner hohen Löslichkeit und geringen Affinität zur Sorption an Oberflächen von Mineralien ist Tc(VII) die mobilste und somit auch gefährlichste Spezies. Entsprechend lag der Fokus dieser Arbeit auf Diffusionsexperimenten dieser mobilen Spezies sowie auf dem Einfluss von Eisen(II) auf die Mobilität und die Speziation des Technetiums.rnDie Wechselwirkung zwischen Technetium und Opalinuston wurde in Sorptions- und Diffusionsexperimenten unter Variation verschiedener Parameter (pH-Wert, Zusatz verschiedener Reduktionsmittel, Einfluss von Sauerstoff, Diffusionsweg) untersucht. Im Zuge dieser Arbeit wurden erstmals ortsaufgelöste Untersuchungen zur Speziation des Technetiums an Dünnschliffen und Bohrkernen durchgeführt. Dabei konnten ergänzend zur Speziation auch Informationen über die Elementverteilung und die kristallinen Mineralphasen nahe lokaler Anreicherungen des Radionuklides gewonnen werden. Zusätzlich erlaubten Untersuchungen an Pulverproben die Bestimmung der molekularen Struktur des Technetiums an der Tonoberfläche.rnSowohl die Kombination der oben aufgeführten Sorptionsexperimente mit spektroskopischen Untersuchungen als auch die Diffusionsexperimente zeigten unter Sauerstoffausschluss eine Reduktion von Tc(VII) zu immobilen Tc(IV)-Spezies. Weiterhin konnte die Bildung eines Tc(IV)-Sorptionskomplexes an der Tonoberfläche gezeigt werden. Im Hinblick auf ein Endlager in Tongestein sind diese Ergebnisse positiv zu bewerten.

Misleading Population Estimates: Biases and Consistency of Visual Surveys and Matrix Modelling in the Endangered Bearded Vulture

Conservation strategies for long-lived vertebrates require accurate estimates of parameters relative to the populations' size, numbers of non-breeding individuals (the “cryptic” fraction of the population) and the age structure. Frequently, visual survey techniques are used to make these estimates but the accuracy of these approaches is questionable, mainly because of the existence of numerous potential biases. Here we compare data on population trends and age structure in a bearded vulture (Gypaetus barbatus) population from visual surveys performed at supplementary feeding stations with data derived from population matrix-modelling approximations. Our results suggest that visual surveys overestimate the number of immature (<2 years old) birds, whereas subadults (3–5 y.o.) and adults (>6 y.o.) were underestimated in comparison with the predictions of a population model using a stable-age distribution. In addition, we found that visual surveys did not provide conclusive information on true variations in the size of the focal population. Our results suggest that although long-term studies (i.e. population matrix modelling based on capture-recapture procedures) are a more time-consuming method, they provide more reliable and robust estimates of population parameters needed in designing and applying conservation strategies. The findings shown here are likely transferable to the management and conservation of other long-lived vertebrate populations that share similar life-history traits and ecological requirements.

Physiological Ecology and Reproductive Effort in a Migratory Seabird

Fluctuations of food availability, habitat quality, and environmental conditions throughout the year have been implicated in the breeding success and survival of migratory birds. Levels of circulating corticosterone, the hormone involved in energy balance and the stress response in birds, are also affected by fluctuations in these variables, and also play a role in self-maintenance and survival. In addition to changes in behaviors and resource allocation, the metabolic effects of corticosterone increase the amount of free radicals in the body, which can cause oxidative stress and damage lipids and DNA. In this thesis, I assessed if diet and physiology during the breeding and non-breeding seasons contributed to the reproductive success, survival, and oxidative stress of a long-lived migratory seabird, Leach’s storm-petrel (Oceanodroma leucorhoa). I tested the hypotheses that 1.) diet and physiology throughout the breeding and non-breeding seasons predict reproductive effort; and 2.) corticosterone affects telomere length, a measure of oxidative damage. Through analyses of stable isotopes, corticosterone, and antioxidant capacity, I found that although there was variation in these measures of diet and physiology within the population, none of these factors during the breeding or non-breeding seasons correlated with reproductive effort or success. I also found that feather and plasma corticosterone did not predict telomere length. The life history strategies of Leach’s storm-petrels appear to be complex, and many factors likely contribute to self-maintenance and the decision to breed. Long-term monitoring of these variables may help identify relationships between trends in oceanographic variables during both the breeding and non-breeding seasons with reproductive effort and success, and survival.

The habitat, double life, citizenship, and forgetfulness of IgA

Immunoglobulin A (IgA) is the main secretory immunoglobulin of mucous membranes and is powerfully induced by the presence of commensal microbes in the intestine. B cells undergo class switch recombination to IgA in the mucosa-associated lymphoid tissues, particularly mesenteric lymph nodes (MLNs) and Peyer's patches, through both T-dependent and T-independent pathways. IgA B cells primed in the mucosa traffic from the intestinal lymphoid structures, initially through the lymphatics and then join the bloodstream, to home back to the intestinal mucosa as IgA-secreting plasma cells. Once induced, anti-bacterial IgA can be extremely long-lived but is replaced if there is induction of additional IgA specificities by other microbes. The mucosal immune system is anatomically separated from the systemic immune system by the MLNs, which act as a firewall to prevent penetration of live intestinal bacteria to systemic sites. Dendritic cells sample intestinal bacteria and induce B cells to switch to IgA. In contrast, intestinal macrophages are adept at killing extracellular bacteria and are able to clear bacteria that have crossed the mucus and epithelial barriers. There is both a continuum between innate and adaptive immune mechanisms and compartmentalization of the mucosal immune system from systemic immunity that function to preserve host microbial mutualism.

Patch selection by wintering white-tailed deer : consequences for eastern hemlock regeneration at local and landscape scales

Tsuga canadensis (eastern hemlock) is a highly shade-tolerant, late-successional, and long-lived conifer species found throughout eastern North America. It is most often found in pure or nearly pure stands, because highly acidic and nutrient poor forest floor conditions are thought to favor T. canadensis regeneration while simultaneously limiting the establishment of some hardwood species with greater nutrient requirements. Once a common species, T. canadensis is currently experiencing widescale declines across its range. The hemlock woolly adelgid (Adelges tsugae) is decimating the population across its eastern distribution. Across the Upper Great Lakes region, where the adelgid is currently being held at bay by cold winter temperatures, T. canadensis has been experiencing failures in regeneration attributed, in part, to herbivory by white-tailed deer (Odocoileus virginianus). Deer utilize T. canadensis stands as winter habitat in areas of high snow depth. Tsuga canadensis, once a major component of these forests, currently exists at just a fraction of its pre-settlement abundance due to historic logging and contemporary forest management practices, and what remains is found in small remnant patches surrounded by second- and third-growth deciduous forests. The deer population across the region, however, is likely double that of pre-European settlement times. In this dissertation I explore the relationship between white-tailed deer use of T. canadensis as winter habitat and the effect this use is having on regeneration and forest succession. For this research I quantified stand composition and structure and abiotic variables of elevation and snow depth in 39 randomly selected T. canadensis stands from across the western Upper Peninsula of Michigan. I also quantified composition and the configuration of the landscapes surrounding these stands. I measured relative deer use of T. canadensis stands as pellet group piles deposited in each stand during each of three consecutive winters, 2005-06, 2006-07, and 2007-08. The results of this research suggest that deer use of T. canadensis stands as winter habitat is influenced primarily by snow depth, elevation, and the composition and configuration of the greater landscapes surrounding these stands. Specifically, stands with more heterogeneous landscapes surrounding them (i.e., a patchy mosaic of conifer, deciduous, and open cover) had higher relative deer use than stands surrounded by homogenous deciduous forest cover. Additionally, the intensity of use and the number of stands used was greater in years with higher average snow depth. Tsuga canadensis regeneration in these stands was negatively associated with deer use and Acer saccharum (sugar maple) basal area. Of the 39 stands, 17 and 22 stands had no T. canadensis regeneration in small and large sapling categories, respectively. Acer saccharum was the most common understory tree species, and the importance of A. saccharum in the understory (stems < 10 cm dbh) of the stands was positively associated with overstory A. saccharum dominance. Tsuga canadensis establishment was associated with high-decay coarse woody debris and moss, and deciduous leaf litter inputs in these stands may be limiting access to these important microsites. Furthermore, A. saccharum is more tolerant to the effects of deer herbivory than T. canadensis, giving A. saccharum a competitive advantage in stands being utilized as winter habitat by deer. My research suggests that limited microsite availability, in conjunction with deer herbivory, may be leading to an erosion in T. canadensis patch stability and an altered successional trajectory toward one of A. saccharum dominance, an alternately stable climax species.

Evaluating stress patterns for Plio-Quaternary brittle deformation along the Calama-Olacapato-El Toro fault zone, Central Andes

Understanding the geometry and kinematics of the major structures of an orogen is important to elucidate its style of deformation, as well as its tectonic evolution. We describe the temporal and spatial changes in the state of stress of the trans-orogen area of the Calama-Olacapato-El Toro (COT) Fault Zone in the Central Andes, at about 24°S within the northern portion of the Puna Plateau between the Argentina-Chile border. The importance of the COT derives principally from the Quaternary-Holocene activity recognized on some segments, which may shed new light on its possible control on Quaternary volcanism and on the seismic hazard evaluation of the area. Field geological surveys along with kinematic analysis and numerical inversion of ∼140 new fault-slip measurements have revealed that this portion of the COT zone, previously considered a continuous, long-lived lineament, in reality has been subjected to three different kinematic regimes: 1) a Miocene transpressional phase with the maximum principal stress (σ1) chiefly trending NNE-SSW; 2) an extensional phase that started by 9 Ma, with a horizontal NW-SE-striking minimum principal stress (σ3) – permutations between σ2 and σ3 axes have been recognized at two sites – and 3) a left-lateral strike-slip phase with a horizontal ∼E-W &sigma1 and ∼N-S σ3 dating to the Late Pliocene-Quaternary. Spatially, in the Quaternary, the left-lateral component decreases toward the westernmost tip of the COT, where it transitions to extension; this produced to a N-S horst and graben structure. Hence, even if transcurrence is still active in the eastern portion of the COT, as focal mechanisms of crustal earthquakes indicate, our study demonstrates that extension is becoming the predominant structural style of deformation, at least in the western region. These major temporal and spatial changes in the tectonic regimes are attributed in part to changes in the magnitude of the boundary forces due to subduction processes. The overall orogen-perpendicular extension might be the result of vertical stress larger than both the horizontal stresses induced by gravitational effect of a thickened crust.

Transient dominance in a central African rain forest

The large-crowned emergent tree Microberlinia bisulcata dominates rain forest groves at Korup National Park, Cameroon, along with two codominants, Tetraberlinia bifoliolata and T. korupensis. M. bisulcata has a pronounced modal size frequency distribution around 110 cm stem diameter: its recruitment potential is very poor. It is a long-lived light-demanding species, one of many found in African forests. Tetraberlinia species lack modality, are more shade tolerant, and recruit better. All three species are ectomycorrhizal. M. bisulcata dominates grove basal area, even though it has similar numbers of trees (≥50 cm stem diameter) as each of the other two species. This situation presented a conundrum that prompted a long-term study of grove dynamics. Enumerations of two plots (82.5 and 56.25 ha) between 1990 and 2010 showed mortality and recruitment of M. bisulcata to be very low (both rates 0.2% per year) compared with Tetraberlinia (2.4% and 0.8% per year), and M. bisulcata grows twice as fast as the Tetraberlinia. Ordinations indicated that these three species determined community structure by their strong negative associations while other species showed almost none. Ranked species abundance curves fitted the Zipf-Mandelbrot model well and allowed “overdominance” of M. bisulcata to be estimated. Spatial analysis indicated strong repulsion by clusters of large (50 to <100 cm) and very large (≥100 cm) M. bisulcata of their own medium-sized (10 to <50 cm) trees and all sizes of Tetraberlinia. This was interpreted as competition by M. bisulcata increasing its dominance, but also inhibition of its own replacement potential. Stem coring showed a modal age of 200 years for M. bisulcata, but with large size variation (50–150 cm). Fifty-year model projections suggested little change in medium, decreases in large, and increases in very large trees of M. bisulcata, accompanied by overall decreases in medium and large trees of Tetraberlinia species. Realistically increasing very-large-tree mortality led to grove collapse without short-term replacement. M. bisulcata most likely depends on climatic events to rebuild its stands: the ratio of disturbance interval to median species' longevity is important. A new theory of transient dominance explains how M. bisulcata may be cycling in abundance over time and displaying nonequilibrium dynamics.

Three decades of global methane sources and sinks

Methane is an important greenhouse gas, responsible for about 20 of the warming induced by long-lived greenhouse gases since pre-industrial times. By reacting with hydroxyl radicals, methane reduces the oxidizing capacity of the atmosphere and generates ozone in the troposphere. Although most sources and sinks of methane have been identified, their relative contributions to atmospheric methane levels are highly uncertain. As such, the factors responsible for the observed stabilization of atmospheric methane levels in the early 2000s, and the renewed rise after 2006, remain unclear. Here, we construct decadal budgets for methane sources and sinks between 1980 and 2010, using a combination of atmospheric measurements and results from chemical transport models, ecosystem models, climate chemistry models and inventories of anthropogenic emissions. The resultant budgets suggest that data-driven approaches and ecosystem models overestimate total natural emissions. We build three contrasting emission scenarios � which differ in fossil fuel and microbial emissions � to explain the decadal variability in atmospheric methane levels detected, here and in previous studies, since 1985. Although uncertainties in emission trends do not allow definitive conclusions to be drawn, we show that the observed stabilization of methane levels between 1999 and 2006 can potentially be explained by decreasing-to-stable fossil fuel emissions, combined with stable-to-increasing microbial emissions. We show that a rise in natural wetland emissions and fossil fuel emissions probably accounts for the renewed increase in global methane levels after 2006, although the relative contribution of these two sources remains uncertain.