Origin and variability of PM10 and atmospheric radiotracers at the WMO-GAW station of Mt. Cimone (1998-2011) and in the central Po Valley

Particulate matter is one of the main atmospheric pollutants, with a great chemical-environmental relevance. Improving knowledge of the sources of particulate matter and of their apportionment is needed to handle and fulfill the legislation regarding this pollutant, to support further development of air policy as well as air pollution management. Various instruments have been used to understand the sources of particulate matter and atmospheric radiotracers at the site of Mt. Cimone (44.18° N, 10.7° E, 2165 m asl), hosting a global WMO-GAW station. Thanks to its characteristics, this location is suitable investigate the regional and long-range transport of polluted air masses on the background Southern-Europe free-troposphere. In particular, PM10 data sampled at the station in the period 1998-2011 were analyzed in the framework of the main meteorological and territorial features. A receptor model based on back trajectories was applied to study the source regions of particulate matter. Simultaneous measurements of atmospheric radionuclides Pb-210 and Be-7 acquired together with PM10 have also been analysed to acquire a better understanding of vertical and horizontal transports able to affect atmospheric composition. Seasonal variations of atmospheric radiotracers have been studied both analysing the long-term time series acquired at the measurement site as well as by means of a state-of-the-art global 3-D chemistry and transport model. Advection patterns characterizing the circulation at the site have been identified by means of clusters of back-trajectories. Finally, the results of a source apportionment study of particulate matter carried on in a midsize town of the Po Valley (actually recognised as one of the most polluted European regions) are reported. An approach exploiting different techniques, and in particular different kinds of models, successfully achieved a characterization of the processes/sources of particulate matter at the two sites, and of atmospheric radiotracers at the site of Mt. Cimone.

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.

Roman aqueducts and calcareous sinter deposits as a proxy for environmental changes

Die im Süden der Türkei gelegen, antiken Städte Aspendos und Patara, waren in der Römerzeit zwei bedeutende Handelszentren mit hoher Bevölkerungsdichte. Aquädukte versorgten beide Städte mit carbonathaltigem Wasser, wobei sich Kalksinter (Calciumcarbonat) in der Kanalrinne ablagerte. Dabei lagern sich im Wechsel eine hellere und dunklere Kalksinterlage ab, die als Sinterpaar bezeichnet wird. Um die Entstehung dieser Sinterpaare besser zu verstehen, und die beteiligten Prozesse mit saisonalen Veränderungen der Umwelt zu korrelieren, werden in der vorliegenden Arbeit laminierten Sinterablagerungen mit geochemischen und petrographischen Methoden untersucht.rnEntlang der Kanalrinne beider Aquädukte wurden an mehreren Stellen Proben entnommen. Es wurde untersucht in wieweit sich die Sinterstruktur aufgrund von Änderungen in der Neigung des Wasserkanals oder des Kanaltyps ändert. Um die Kristallform und die kristallografische Orientierung der Kristalle innerhalb der verschiedenen Sinterpaare zu untersuchen, wurden die entnommenen laminierten Kalksinterablagerungen mit Hilfe optischer Mikroskopie und EBSD (Electron Backscatter Diffraction) analysiert. Der Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA) wurde verwendet, um saisonale Schwankungen der Hauptelementverteilung und den Anteil der stabilen Isotope im Wasser zu bestimmen. Die LA-ICP-MS (Laser Ablation-induktiv gekoppeltem Plasma-Massenspektrometrie) Spurenelementanalyse wurde durchgeführt, um kleinste Schwankungen der Spurenelemente zu finden. Basierend auf diesen Analysen wurde festgestellt, dass laminierten Kalksinterablagerungen laterale Änderungen in der Aquäduktstruktur und -neigung, jahreszeitliche Änderungen der Wasserchemie, der Temperatur sowie der Entgasungsrate während eines Jahres widerspiegeln. Die Kalksinterablagerungen zeigen eine deutliche Laminierung in Form von feinkörnig-porösen und grobkörnig-dichten Schichten, die trockene und nasse Jahreszeiten anzeigen. Feinkörnige Schichten zeigen eine hohe Epifluoreszenz aufgrund reichhaltiger organischer Inhalte, die vermutlich eine Folge der bakteriellen Aktivität während der warmen und trockenen Jahreszeit sind. Stabile Sauerstoff und Kohlenstoff-Isotop-Kurven entsprechen auch den jahreszeitlichen Schwankungen der verschiedenen Schichtenpaare. Vor allem δ 18O spiegelt jährliche Veränderungen in der Temperatur und jahreszeitliche Veränderungen des Abflusses wieder. Das wichtigste Ergebnis ist, dass die Periodizität von δ 18O durch Erwärmen des Wassers im Wasserkanal und nicht durch die Verdunstung oder der Brunnenwasser-Charakteristik verursacht wird. Die Periodizität von δ 13C ist komplexer Natur, vor allem zeigen δ 18O und δ 13C eine Antikorrelation entlang der Lamellenpaare. Dies wird wohl vor allem durch Entgasungsprozesse im Aquädukt verursacht. Die Ergebnisse der Spurenelemente sind meist inkonsistent und zeigen keine signifikanten Veränderungen in den verschiedenen Lamellenpaaren. Die Isotope Mg, Sr und Ba zeigen hingegen bei einigen Proben eine positive Korrelation und erreichen Höchstwerte innerhalb feinkörnig-poröser Schichten. Auch sind die Hauptelementwerte von Fe, K, Si und anderer detritischer Elemente innerhalb der feinkörnige-porösen Schichten maximal. Eine genaue Datierung der Kalksinterablagerungen ist wünschenswert, da der Zeitraum, in dem die Aquädukte aktiv waren, bereits archäologisch auf 200-300 Jahre festgelegt wurde. Paläomagnetische und 14C-Datierung geben keine brauchbare Ergebnisse. Die U/Th Isotopie wird durch eine hohe Anfangskonzentration von Th in den Proben behindert. Trotz dieser Schwierigkeiten war eine U/Th Datierung an einem Testbeispiel des Béziers Aquädukt erfolgreich. Mit Hilfe von analogen Untersuchungen an aktiven Wasserkanälen der heutigen Zeit, werden die Ablagerungsmechanismen und die geochemische Entwicklung der laminierten Sinterschichten besser verstanden. Ein weiteres laufendes Projekt dieser Doktorarbeit ist die Überwachung von Sinterabscheidungen und der saisonale Zusammensetzung des Wassers an einigen heute noch aktiven Aquädukten. Das Ziel ist die Untersuchung der jetzigen Calciumcarbonatabscheidungen in Aquäduktkanälen unter den heutigen Umgebungsbedingungen. Erste Ergebnisse zeigen, dass kleine regelmäßige jahreszeitliche Veränderungen in der Isotopenzusammensetzung des Wassers vorliegen, und dass die beobachtete Periodizität der stabilen Isotope aufgrund von Änderungen im eigentlichen Kanal entstanden ist. Die Untersuchung von Kalksinterablagerungen in römischen Aquädukten liefern vielversprechende Ergebnisse, für die Untersuchung des Paläöklimas, der Archaeoseismologie und anderer Umweltbedingungen in der Römerzeit. Diese Studie beschränkt sich auf zwei Aquädukte. Die Untersuchungen weiterer Aquädukte und einer Überwachung, der noch in Betrieb stehenden Aquädukte werden genauere Ergebnisse liefern.

Methoden zur Analyse, Interpretation und Modellierung des elektrischen Widerstandes von archäologischen Steinstrukturen

In der Archäologie werden elektrische Widerstandsmessungen routinemäßig zur Prospektion von Fundstellen eingesetzt. Die Methode ist kostengünstig, leicht anwendbar und liefert in den meisten Fällen zuverlässige und leicht zu interpretierende Ergebnisse. Dennoch kann die Methode die archäologischen Strukturen in manchen Fällen nur teilweise oder gar nicht abbilden, wenn die bodenphysikalischen und bodenchemischen Eigenschaften des Bodens und der archäologischen Strukturen dies nicht zulassen. Der spezifische elektrische Widerstand wird durch Parameter wie Wassergehalt, Bodenstruktur, Bodenskelett, Bodentextur, Salinität und Bodentemperatur beeinflusst. Manche dieser Parameter, wie z.B. der Wassergehalt und die Bodentemperatur, unterliegen einer saisonalen Veränderung. Die vorliegende Arbeit untersucht den spezifischen elektrischen Widerstand von archäologischen Steinstrukturen und evaluiert die Möglichkeit, auf Grundlage von Geländemessungen und Laboranalysen archäologische Strukturen und Böden als numerische Modelle darzustellen. Dazu wurde eine Kombination von verschiedenen bodenkundlichen, geoarchäologischen und geophysikalischen Methoden verwendet. Um archäologische Strukturen und Bodenprofile als numerische Widerstandsmodelle darstellen zu können, werden Informationen zur Geometrie der Strukturen und ihren elektrischen Widerstandswerten benötigt. Dabei ist die Qualität der Hintergrundinformationen entscheidend für die Genauigkeit des Widerstandsmodells. Die Geometrie der Widerstandsmodelle basiert auf den Ergebnissen von Rammkernsondierungen und archäologische Ausgrabungen. Die an der Ausbildung des elektrischen Widerstands beteiligten Parameter wurden durch die Analyse von Bodenproben gemessen und ermöglichen durch Pedotransfer-Funktion, wie die Rhoades-Formel, die Abschätzung des spezifischen elektrischen Widerstandes des Feinbodens. Um den Einfluss des Bodenskeletts auf den spezifischen elektrischen Widerstand von Bodenprofilen und archäologischen Strukturen zu berechnen, kamen die Perkolationstheorie und die Effective Medium Theory zum Einsatz. Die Genauigkeit und eventuelle Limitierungen der Methoden wurden im Labor durch experimentelle Widerstandsmessungen an ungestörten Bodenproben und synthetischen Materialien überprüft. Die saisonale Veränderung des Wassergehalts im Boden wurde durch numerische Modelle mit der Software HYDRUS simuliert. Die hydraulischen Modelle wurden auf Grundlage der ermittelten bodenkundlichen und archäologischen Stratigraphie erstellt und verwenden die Daten von lokalen Wetterstationen als Eingangsparameter. Durch die Kombination der HYDRUS-Ergebnisse mit den Pedotransfer-Funktionen konnte der Einfluss dieser saisonalen Veränderung auf die Prospektionsergebnisse von elektrischen Widerstandsmethoden berechnet werden. Die Ergebnisse der Modellierungsprozesse wurden mit den Geländemessungen verglichen. Die beste Übereinstimmung zwischen Modellergebnissen und den Prospektionsergebnissen konnte für die Fallstudie bei Katzenbach festgestellt werden. Bei dieser wurden die Modelle auf Grundlage von archäologischen Grabungsergebnissen und detaillierten bodenkundlichen Analysen erstellt. Weitere Fallstudien zeigen, dass elektrische Widerstandsmodelle eingesetzt werden können, um den Einfluss von ungünstigen Prospektionsbedingungen auf die Ergebnisse der elektrischen Widerstandsmessungen abzuschätzen. Diese Informationen unterstützen die Planung und Anwendung der Methoden im Gelände und ermöglichen eine effektivere Interpretation der Prospektionsergebnisse. Die präsentierten Modellierungsansätze benötigen eine weitere Verifizierung durch den Vergleich der Modellierungsergebnisse mit detailliertem geophysikalischem Gelände-Monitoring von archäologischen Fundstellen. Zusätzlich könnten elektrische Widerstandsmessungen an künstlichen Mauerstrukturen unter kontrollierten Bedingungen zur Überprüfung der Modellierungsprozesse genutzt werden.

Entwicklung von chiralen- sowie RP-HPLC-Methoden in Verbindung mit hochauflösender MS und deren Anwendung zur Analyse sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Edelga¬sen. Obwohl Partikel weniger als 0,1% ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle in der Chemie und Physik der Atmosphäre, da sie das Klima der Erde sowohl direkt als auch indirekt beeinflussen. Je nach Art der Bildung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Partikeln, wobei primäre Partikel direkt in die Atmosphäre eingetragen werden. Sekundäre Partikel hingegen entstehen durch Kondensation von schwerflüchtigen Verbindungen aus der Gasphase, welche durch Reaktionen von gasförmigen Vorläufersubstanzen (volatile organic compounds, VOCs) mit atmosphärischen Oxidantien wie Ozon oder OH-Radikalen gebildet werden. Da die meisten Vorläufersubstanzen organischer Natur sind, wird das daraus gebil¬dete Aerosol als sekundäres organisches Aerosol (SOA) bezeichnet. Anders als die meisten primären Partikel stammen die VOCs überwiegend aus biogenen Quellen. Es handelt sich da¬bei um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die bei intensiver Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen von Pflanzen emittiert werden. Viele der leichtflüchtigen Vorläufersubstanzen sind chiral, sowohl die Vorläufer als auch die daraus gebildeten Partikel werden aber in den meisten Studien als eine Verbindung betrachtet und gemeinsam analysiert. Die mit Modellen berechneten SOA-Konzentrationen, welche auf dieser traditionellen Vorstellung der SOA-Bil¬dung beruhen, liegen deutlich unterhalb der in der Atmosphäre gefundenen, so dass neben diesem Bildungsweg auch noch andere SOA-Bildungsarten existieren müssen. Aus diesem Grund wird der Fokus der heutigen Forschung vermehrt auf die heterogene Chemie in der Partikelphase gerichtet. Glyoxal als Modellsubstanz kommt hierbei eine wichtige Rolle zu. Es handelt sich bei dieser Verbindung um ein Molekül mit einem hohen Dampfdruck, das auf Grund dieser Eigenschaft nur in der Gasphase zu finden sein sollte. Da es aber über zwei Alde¬hydgruppen verfügt, ist es sehr gut wasserlöslich und kann dadurch in die Partikelphase über¬gehen, wo es heterogenen chemischen Prozessen unterliegt. Unter anderem werden in An¬wesenheit von Ammoniumionen Imidazole gebildet, welche wegen der beiden Stickstoff-He¬teroatome lichtabsorbierende Eigenschaften besitzen. Die Verteilung von Glyoxal zwischen der Gas- und der Partikelphase wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, wobei die Gleichgewichtskonstante die sogenannte Henry-Konstante ist. Diese ist abhängig von der un¬tersuchten organischen Verbindung und den im Partikel vorhandenen anorganischen Salzen. Für die Untersuchung chiraler Verbindungen im SOA wurde zunächst eine Filterextraktions¬methode entwickelt und die erhaltenen Proben anschließend mittels chiraler Hochleistungs-Flüssigchromatographie, welche an ein Elektrospray-Massenspektrometer gekoppelt war, analysiert. Der Fokus lag hierbei auf dem am häufigsten emittierten Monoterpen α-Pinen und seinem Hauptprodukt, der Pinsäure. Da bei der Ozonolyse des α-Pinens das cyclische Grund¬gerüst erhalten bleibt, können trotz der beiden im Molekül vorhanden chiralen Zentren nur zwei Pinsäure Enantiomere gebildet werden. Als Extraktionsmittel wurde eine Mischung aus Methanol/Wasser 9/1 gewählt, mit welcher Extraktionseffizienzen von 65% für Pinsäure Enan¬tiomer 1 und 68% für Pinsäure Enantiomer 2 erreicht werden konnten. Des Weiteren wurden Experimente in einer Atmosphärensimulationskammer durchgeführt, um die Produkte der α-Pinen Ozonolyse eindeutig zu charakterisieren. Enantiomer 1 wurde demnach aus (+)-α-Pinen gebildet und Enantiomer 2 entstand aus (-)-α-Pinen. Auf Filterproben aus dem brasilianischen Regenwald konnte ausschließlich Pinsäure Enantiomer 2 gefunden werden. Enantiomer 1 lag dauerhaft unterhalb der Nachweisgrenze von 18,27 ng/mL. Im borealen Nadelwald war das Verhältnis umgekehrt und Pinsäure Enantiomer 1 überwog vor Pinsäure Enantiomer 2. Das Verhältnis betrug 56% Enantiomer 1 zu 44% Enantiomer 2. Saisonale Verläufe im tropischen Regenwald zeigten, dass die Konzentrationen zur Trockenzeit im August höher waren als wäh¬rend der Regenzeit im Februar. Auch im borealen Nadelwald wurden im Sommer höhere Kon¬zentrationen gemessen als im Winter. Die Verhältnisse der Enantiomere änderten sich nicht im jahreszeitlichen Verlauf. Die Bestimmung der Henry-Konstanten von Glyoxal bei verschiedenen Saataerosolen, nämlich Ammoniumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumsulfat, Natriumchlorid und Ammoniumnitrat sowie die irreversible Produktbildung aus Glyoxal in Anwesenheit von Ammoniak waren Forschungs¬gegenstand einer Atmosphärensimulationskammer-Kampagne am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Hierzu wurde zunächst das zu untersuchende Saataerosol in der Kammer vorgelegt und dann aus photochemisch erzeugten OH-Radikalen und Acetylen Glyoxal er¬zeugt. Für die Bestimmung der Glyoxalkonzentration im Kammeraerosol wurde zunächst eine beste¬hende Filterextraktionsmethode modifiziert und die Analyse mittels hochauflösender Mas¬senspektrometrie realisiert. Als Extraktionsmittel kam 100% Acetonitril, ACN zum Einsatz wo¬bei die Extraktionseffizienz bei 85% lag. Für die anschließende Derivatisierung wurde 2,4-Di¬nitrophenylhydrazin, DNPH verwendet. Dieses musste zuvor drei Mal mittels Festphasenex¬traktion gereinigt werden um störende Blindwerte ausreichend zu minimieren. Die gefunde¬nen Henry-Konstanten für Ammoniumsulfat als Saataerosol stimmten gut mit in der Literatur gefundenen Werten überein. Die Werte für Natriumnitrat und Natriumchlorid als Saataerosol waren kleiner als die von Ammoniumsulfat aber größer als der Wert von reinem Wasser. Für Ammoniumnitrat und Kaliumsulfat konnten keine Konstanten berechnet werden. Alle drei Saataerosole führten zu einem „Salting-in“. Das bedeutet, dass bei Erhöhung der Salzmolalität auch die Glyoxalkonzentration im Partikel stieg. Diese Beobachtungen sind auch in der Litera¬tur beschrieben, wobei die Ergebnisse dort nicht auf der Durchführung von Kammerexperi¬menten beruhen, sondern mittels bulk-Experimenten generiert wurden. Für die Trennung der Imidazole wurde eine neue Filterextraktionsmethode entwickelt, wobei sich ein Gemisch aus mit HCl angesäuertem ACN/H2O im Verhältnis 9/1 als optimales Extrak¬tionsmittel herausstellte. Drei verschiedenen Imidazole konnten mit dieser Methode quanti¬fiziert werden, nämlich 1-H-Imidazol-4-carbaldehyd (IC), Imidazol (IM) und 2,2‘-Biimidazol (BI). Die Effizienzen lagen für BI bei 95%, für IC bei 58% und für IM bei 75%. Kammerexperimente unter Zugabe von Ammoniak zeigten höhere Imidazolkonzentrationen als solche ohne. Wurden die Experimente ohne Ammoniak in Anwesenheit von Ammoni¬umsulfat durchgeführt, wurden höhere Imidazol-Konzentrationen gefunden als ohne Ammo¬niumionen. Auch die relative Luftfeuchtigkeit spielte eine wichtige Rolle, da sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit zu einer verminderten Imidazolbildung führte. Durch mit 13C-markiertem Kohlenstoff durchgeführte Experimente konnte eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei den gebildeten Imidazolen und Glyoxalprodukte handelte. Außerdem konnte der in der Literatur beschriebene Bildungsmechanismus erfolgreich weiter¬entwickelt werden. Während der CYPHEX Kampagne in Zypern konnten erstmalig Imidazole in Feldproben nach¬gewiesen werden. Das Hauptprodukt IC zeigte einen tageszeitlichen Verlauf mit höheren Kon¬zentrationen während der Nacht und korrelierte signifikant aber schwach mit der Acidität und Ammoniumionenkonzentration des gefundenen Aerosols.

Dynamics of inorganic carbon and carbonate saturation in the Gulf of Cádiz (SW Spain)

The study of inorganic carbon chemistry of the coastal ocean is conducted in the Gulf of Cádiz (GoC). Here we describe observations obtained during 4 sampling cruises in March, June, September and November 2015. The primary data set consists of state-of-the-art measurements of the keystone parameters of the marine CO2 system: Total Alkalinity (TA), pH, dissolved inorganic carbon (DIC). We have then calculated aragonite and calcite saturation state. The distribution of inorganic carbon system parameters in the north eastern shelf of the Gulf of Cádiz showed temporal and spatial variability. River input, mixing, primary production, respiration and remineralization were factors that controlled such distributions. Data related to carbonate saturation of calcite and aragonite reveal the occurrence of a supersaturated water; in any case, both species increased with distance and decreased with depth. The carbon system parameters present a different behaviour close to the coast to offshore ad at deeper water. In this area six water masses are clearly identified by their different chemical properties: Surface Atlantic Water, North Atlantic Central Water (NACW) and Mediterranean Water (MOW). Moreover, with this work the measurement of calcium in seawater is optimize, allowing a better quantification for future work of the saturation state of CaCO3.

The molybdenum isotopic composition in river water: Constraints from small catchments

We report molybdenum isotope compositions and concentrations in water samples from a variety of river catchment profiles in order to investigate the influence of anthropogenic contamination, catchment geology, within-river precipitation, and seasonal river flow variations on riverine molybdenum. Our results show that the observed variations in δ98/95Mo from 0‰ to 1.9‰ are primarily controlled by catchment lithology, particularly by weathering of sulfates and sulfides. Erosion in catchments dominated by wet-based glaciers leads to very high dissolved molybdenum concentrations. In contrast, anthropogenic inputs affect neither the concentration nor the isotopic composition of dissolved molybdenum in the rivers studied here. Seasonal variations are also quite muted. The finding that catchment geology exerts the primary control on the delivery of molybdenum to seawater indicates that the flux and isotope composition of molybdenum to seawater has likely varied in the geologic past.

Impact of weather and climate on the incidence of acute coronary syndromes

BACKGROUND: First investigations of the interactions between weather and the incidence of acute myocardial infarctions date back to 1938. The early observation of a higher incidence of myocardial infarctions in the cold season could be confirmed in very different geographical regions and cohorts. While the influence of seasonal variations on the incidence of myocardial infarctions has been extensively documented, the impact of individual meteorological parameters on the disease has so far not been investigated systematically. Hence the present study intended to assess the impact of the essential variables of weather and climate on the incidence of myocardial infarctions. METHODS: The daily incidence of myocardial infarctions was calculated from a national hospitalization survey. The hourly weather and climate data were provided by the database of the national weather forecast. The epidemiological and meteorological data were correlated by multivariate analysis based on a generalized linear model assuming a log-link-function and a Poisson distribution. RESULTS: High ambient pressure, high pressure gradients, and heavy wind activity were associated with an increase in the incidence of the totally 6560 hospitalizations for myocardial infarction irrespective of the geographical region. Snow- and rainfall had inconsistent effects. Temperature, Foehn, and lightning showed no statistically significant impact. CONCLUSIONS: Ambient pressure, pressure gradient, and wind activity had a statistical impact on the incidence of myocardial infarctions in Switzerland from 1990 to 1994. To establish a cause-and-effect relationship more data are needed on the interaction between the pathophysiological mechanisms of the acute coronary syndrome and weather and climate variables.

Sex determination and temperature-induced sex differentiation in three natural populations of Nile tilapia (Oreochromis niloticus) adapted to extreme temperature conditions

As a species of major interest for aquaculture, the sex determination system (SDS) of Nile tilapia, Oreochromis niloticus, has been widely investigated. In this species, sex determination is considered to be governed by the interactions between a complex system of genetic sex determination factors (GSD) and the influence of temperature (TSD) during a critical period. Previous studies were exclusively carried out on domestic stocks with the genetic and maintenance limitations associated. Given the wide distribution and adaptation potential of the Nile tilapia, we investigated under controlled conditions the sex determination system of natural populations adapted to three extreme thermal regimes: stable extreme environments in Ethiopia, either cold temperatures in a highland lake (Lake Koka), or warm temperatures in hydrothermal springs (Lake Metahara), and an environment with large seasonal variations in Ghana (Kpandu, Lake Volta). The sex ratio analysis was conducted on progenies reared under constant basal (27 degrees C) or high (36 degrees C) temperatures during the 30 days following yolk-sac resorption. Sex ratios of the progenies reared at standard temperature suggest that the three populations share a similar complex GSD system based on a predominant male heterogametic factor with additional influences of polymorphism at this locus and/or action of minor factors. The three populations presented a clear thermosensitivity of sex differentiation, with large variations in the intensity of response depending on the parents. This confirms the presence of genotype-environment interactions in TSD of Nile tilapia. Furthermore the existence of naturally sex-reversed individuals is strongly suggested in two populations (Kpandu and Koka). However, it was not possible here to infer if the sex-inversion resulted from minor genetic factors and/or environmental influences. The present study demonstrated for the first time the conservation of a complex SDS combining polymorphic GSD and TSD components in natural populations of Nile tilapia. We discuss the evolutionary implications of our findings and highlight the importance of field investigations of sex determination. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Manual pumping test method for characterizing the productivity of drilled wells equipped with rope pumps

Since the introduction of the rope-pump in Nicaragua in the 1990s, the dependence on wells in rural areas has grown steadily. However, little or no attention is paid to rope-pump well performance after installation. Due to financial restraints, groundwater resource monitoring using conventional testing methods is too costly and out of reach of rural municipalities. Nonetheless, there is widespread agreement that without a way to quantify the changes in well performance over time, prioritizing regulatory actions is impossible. A manual pumping test method is presented, which at a fraction of the cost of a conventional pumping test, measures the specific capacity of rope-pump wells. The method requires only sight modifcations to the well and reasonable limitations on well useage prior to testing. The pumping test was performed a minimum of 33 times in three wells over an eight-month period in a small rural community in Chontales, Nicaragua. Data was used to measure seasonal variations in specific well capacity for three rope-pump wells completed in fractured crystalline basalt. Data collected from the tests were analyzed using four methods (equilibrium approximation, time-drawdown during pumping, time-drawdown during recovery, and time-drawdown during late-time recovery) to determine the best data-analyzing method. One conventional pumping test was performed to aid in evaluating the manual method. The equilibrim approximation can be performed while in the field with only a calculator and is the most technologically appropriate method for analyzing data. Results from this method overestimate specific capacity by 41% when compared to results from the conventional pumping test. The other analyes methods, requiring more sophisticated tools and higher-level interpretation skills, yielded results that agree to within 14% (pumping phase), 31% (recovery phase) and 133% (late-time recovery) of the conventional test productivity value. The wide variability in accuracy results principally from difficulties in achieving equilibrated pumping level and casing storage effects in the puping/recovery data. Decreases in well productivity resulting from naturally occuring seasonal water-table drops varied from insignificant in two wells to 80% in the third. Despite practical and theoretical limitations on the method, the collected data may be useful for municipal institutions to track changes in well behavior, eventually developing a database for planning future ground water development projects. Furthermore, the data could improve well-users’ abilities to self regulate well usage without expensive aquifer characterization.

Performance evaluation of VIP latrines in the Upper West Region of Ghana

The prevalence of Ventilated Improved Pit (VIP) latrines in Ghana suggests that the design must have a high user acceptance. The two key factors attributed to user acceptance of a VIP latrine over an alternative latrine design, such as the basic pit latrine, are its ability to remove foul odors and maintain low fly populations; both of which are a direct result of an adequate ventilation flow rate. Adequate ventilation for odorless conditions in a VIP latrine has been defined by the United Nations Development Program (UNDP) and the World Bank, as an air flow rate equivalent to 6 air changes per hour (6 ACH) of the superstructure’s air volume. Additionally, the UNDP determined that the three primary factors that affect ventilation are: 1) wind passing over the mouth of the vent pipe, 2) wind passing into the superstructure, and 3) solar radiation on to the vent pipe. Previous studies also indicate that vent pipes with larger diameters increase flow rates, and the application of carbonaceous materials to the pit sludge reduces odor and insect prevalence. Furthermore, proper design and construction is critical for the correct functioning of VIP latrines. Under-designing could cause problems with odor and insect control; over-designing would increase costs unnecessarily, thereby making it potentially unaffordable for benefactors to independently construct, repair or replace a VIP latrine. The present study evaluated the design of VIP latrines used by rural communities in the Upper West Region of Ghana with the focus of assessing adequate ventilation for odor removal and insect control. Thirty VIP latrines from six communities in the Upper West Region of Ghana were sampled. Each VIP latrine’s ventilation flow rate and micro-environment was measured using a hot-wire anemometer probe and portable weather station for a minimum of four hours. To capture any temporal or seasonal variations in ventilation, ten of the latrines were sampled monthly over the course of three months for a minimum of 12 hours. A latrine usage survey and a cost analysis were also conducted to further assess the VIP latrine as an appropriated technology for sustainable development in the Upper West Region. It was found that the average air flow rate over the entire sample set was 11.3 m3/hr. The minimum and maximum air flow rates were 0.0 m3/hr and 48.0 m3/hr respectively. Only 1 of the 30 VIP latrines (3%) was found to have an air flow rate greater than the UNDP-defined odorless condition of 6 ACH. Furthermore, 19 VIP latrines (63%) were found to have an average air flow rate of less than half the flow rate required to achieve 6 ACH. The dominant factors affecting ventilation flow rate were wind passing over the mouth of the vent pipe and air buoyancy forces, which were the effect of differences in temperature between the substructure and the ambient environment. Of 76 usable VIP latrines found in one community, 68.4% were in actual use. The cost of a VIP latrine was found to be equivalent to approximately 12% of the mean annual household income for Upper West Region inhabitants.

Stable-Isotope Time Series and Precipitation Origin from Firn-Core and Snow Samples, Altai Glaciers, Siberia

In the summers of 2001 and 2002, glacio-climatological research was performed at 4110-4120 m a.s.l. on the Belukha snow/firn plateau, Siberian Altai. Hundreds of samples from snow pits and a 21 m snow/firn core were collected to establish the annual/seasonal/monthly depth-accumulation scale, based on stable-isotope records, stratigraphic analyses and meteorological and synoptic data. The fluctuations of water stable-isotope records show well-preserved seasonal variations. The delta(18)O and delta D relationships in precipitation, snow pits and the snow/firn core have the same slope to the covariance as that of the global meteoric water line. The origins of precipitation nourishing the Belukha plateau were determined based on clustering analysis of delta(18)O and d-excess records and examination of synoptic atmospheric patterns. Calibration and validation of the developed clusters occurred at event and monthly timescales with about 15% uncertainty. Two distinct moisture sources were shown: oceanic sources with d-excess < 12 parts per thousand, and the Aral-Caspian closed drainage basin sources with d-excess > 12 parts per thousand. Two-thirds of the annual accumulation was from oceanic precipitation, of which more than half had isotopic ratios corresponding to moisture evaporated over the Atlantic Ocean. Precipitation from the Arctic/Pacific Ocean had the lowest deuterium excess, contributing one-tenth to annual accumulation.

Climatic conditions as a risk factor in canine gastric dilatation-volvulus

Canine acute gastric dilatation-volvulus (GDV) is a life-threatening condition of multifactorial origin. The risk of developing GDV is influenced by a variety of factors, including breed, age, gender, temperament, diet and management. A relationship between seasonal variations and the frequency of GDV has been previously documented although no association was found with any specific climatic event. Variables in weather conditions within a defined geographic region were investigated in a retrospective study of 287 client-owned dogs diagnosed with GDV between 1992 and 1999. Monthly incidences were evaluated and differences in atmospheric temperature, humidity and pressure between days in which GDV cases were observed and days in which no case was presented were examined. Although temperature was significantly associated with the occurrence of GDV, the difference in temperatures between days with and days without GDV cases was so small that it is unlikely to be of clinical relevance. Moreover, no significant association was found between GDV occurrence and atmospheric pressure or humidity, and a seasonal variation in GDV incidence was not observed.

Time variable Earth’s gravity field from SLR satellites

The time variable Earth’s gravity field contains information about the mass transport within the system Earth, i.e., the relationship between mass variations in the atmosphere, oceans, land hydrology, and ice sheets. For many years, satellite laser ranging (SLR) observations to geodetic satellites have provided valuable information of the low-degree coefficients of the Earth’s gravity field. Today, the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission is the major source of information for the time variable field of a high spatial resolution. We recover the low-degree coefficients of the time variable Earth’s gravity field using SLR observations up to nine geodetic satellites: LAGEOS-1, LAGEOS-2, Starlette, Stella, AJISAI, LARES, Larets, BLITS, and Beacon-C. We estimate monthly gravity field coefficients up to degree and order 10/10 for the time span 2003–2013 and we compare the results with the GRACE-derived gravity field coefficients. We show that not only degree-2 gravity field coefficients can be well determined from SLR, but also other coefficients up to degree 10 using the combination of short 1-day arcs for low orbiting satellites and 10-day arcs for LAGEOS-1/2. In this way, LAGEOS-1/2 allow recovering zonal terms, which are associated with long-term satellite orbit perturbations, whereas the tesseral and sectorial terms benefit most from low orbiting satellites, whose orbit modeling deficiencies are minimized due to short 1-day arcs. The amplitudes of the annual signal in the low-degree gravity field coefficients derived from SLR agree with GRACE K-band results at a level of 77 %. This implies that SLR has a great potential to fill the gap between the current GRACE and the future GRACE Follow-On mission for recovering of the seasonal variations and secular trends of the longest wavelengths in gravity field, which are associated with the large-scale mass transport in the system Earth.

Time variability and heterogeneity in the coma of 67P/Churyumov-Gerasimenko

Comets contain the best-preserved material from the beginning of our planetary system. Their nuclei and comae composition reveal clues about physical and chemical conditions during the early solar system when comets formed. ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) onboard the Rosetta spacecraft has measured the coma composition of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko with well-sampled time resolution per rotation. Measurements were made over many comet rotation periods and a wide range of latitudes. These measurements show large fluctuations in composition in a heterogeneous coma that has diurnal and possibly seasonal variations in the major outgassing species: water, carbon monoxide, and carbon dioxide. These results indicate a complex coma-nucleus relationship where seasonal variations may be driven by temperature differences just below the comet surface.