The surface exchange of trace gases in the tropics and savannas

ZusammenfassungDie Spurengase NOx (Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2)) haben massgeblichen Einfluss auf die Produktion von OH (Hydroxylradikal) und Ozon (O3) in der Troposphäre. Die Bodenemissionen dieser Gase sind weitgehend unbekannt. Das Ziel dieser Arbeit war, die für die NO Bodenemissionen relevanten Prozesse durch Labor und Feldmessungen zu untersuchen und diese durch Modellsimulationen für zwei Regionen, ein tropisches Regenwaldgebiet in Rondônia (Brasilien) und subtropische Savannen in Zimbabwe abzuschätzen. Unter Verwendung der gemessenen NO Werte ergaben die Simulationen mit einem modifizierten prozessorientierten Modell, dass Abholzung in den Tropen nach einer kurzzeitigen Erhöhung zu einer langfristigen Abnahme der Bodenemissionen führt. Ein 'up scaling' der Modellresultate ergab ausgehend von der ursprünglichen Bewaldung der Region eine Verdopplung der NO Bodenemission bis 1999. Sowohl für nährstoffarme Böden der Tropen als auch für die nährstoffreichen Savannenböden waren Landnutzung und Bodenfeuchte die wichtigsten Einflussgrössen für die Regulierung der Emissionen. Über den Zeitraum eines Jahres waren die Emissionsraten der Tropen (0.49 kgNhayr-1) ungefähr halb so gross wie die der subtropischen Savannen (0.86 kgNhayr-1). Solange die Abholzung der Regenwälder voranschreitet werden die Tropen starken Einfluss auf die troposphärische Chemie haben.

Prozessorientierte Modellierung des Wassertransports zur Bewertung von Hochwasserschutzmaßnahmen in bewaldeten Entstehungsgebieten

Im der vorliegenden Arbeit wurden die Einflüsse verschiedener wasserwirtschaftlicher und forstwirtschaftlicher Maßnahmen auf das Abflussverhalten von bewaldeten Gebieten untersucht. Der Schwerpunkt lag auf der Erfassung der Veränderungen im natürlichen System durch die jeweilige Maßnahme. Der Wassertransport wurde dabei auf der Prozessebene im Hangmaßstab betrachtet. Wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Hochwasserentstehung in bewaldeten Gebieten wurden gewonnen. Daraus abgeleitet wurde eine Bewertung sowohl der natürlich gegebenen Systemgrößen als auch der einzelnen Maßnahmen bezüglich einer Hochwasservorsorge in Wäldern.Berücksichtigt wurden Änderungen in der Bestockung und in der Feinerschließung der bewaldeten Flächen durch Wege und Wirtschaftstrecken. Die Wassertransportprozesse wurden im Gelände untersucht und in Abhängigkeit der globalen klimatischen Randbedingungen sowie den bodenhydraulischen und landnutzungsspezifischen Parameter mit dem Niederschlag-Abfluss-Modell CATFLOW simuliert.Die Abflussdynamik wird im untersuchten Maßstab im wesentlichen durch die gegebene Bodenhydraulik, die Vorfeuchte des Bodens bei einem Niederschlag und durch die Niederschlagsintensität bestimmt. Die vergleichende Untersuchung von zwei rheinland-pfälzischen Waldstandorten ergab, dass im Bereich Soonwald ein relativ hohes Hochwasserrisiko besteht. Hier wirken sich Eingriffe durch forstwirtschaftliche Bewirtschaftungsmaßnahmen stark aus. Im Bereich des Pfälzerwaldes ist nur ein sehr geringes Hochwasserrisiko gegeben, da hier die natürlichen Gebietseigenschaften die Eingriffe durch Bewirtschaftungsmaßnahmen überprägen.

The role of the West African Monsoon in the tropical to mid-latitudes climate

The interaction between atmosphere–land–ocean–biosphere systems plays a prominent role on the atmospheric dynamics and on the convective rainfall distribution over the West Africa monsoon area during the boreal summer. In particular, the initialization of convective systems in the Sub – Sahelian region has been directly linked to soil moisture heterogeneities identified as the major triggering, development and propagation of convective systems. The present study aims at investigating African monsoon large scale convective dynamics and rainfall diurnal cycle through an exploration of the hypothesis behind the mechanisms of a monsoon phenomenon as an emergence of a collective dynamics of many propagating convective systems. Such hypothesis is based on the existence of an internal self – regulation mechanism among the various components. To achieve these results a multiple analysis was performed based on remote sensed rainfall dataset, and global and regional modelling data for a period of 5 seasons: 2004 - 2008. Satellite rainfall data and convective occurrence variability were studied for assessing typical spatio – temporal signatures and characteristics with an emphasis to the diurnal cycle footprint. A global model and regional model simulation datasets, specifically developed for this analysis and based on Regional Atmospheric Modelling System – RAMS, have been analysed. Results from numerical model datasets highlight the evidence of a synchronization between the destabilization of the convective boundary layer and rainfall occurrence due to the solar radiation forcing through the latent heat release. This supports the conclusion that the studied interacting systems are associated with a process of mutual adjustment of rhythms. Furthermore, this rainfall internal coherence was studied in relation to the West African Heat Low pressure system, which has a prominent role in the large scale summer variability over the Mediterranean area since it is acting as one of dynamic link between sub tropical and midlatitudes variability.

Interactions between the hydrological cycle and atmospheric chemistry

The land-atmosphere exchange of atmospheric trace gases is sensitive to meteorological conditions and climate change. It contributes in turn to the atmospheric radiative forcing through its effects on tropospheric chemistry. The interactions between the hydrological cycle and atmospheric processes are intricate and often involve different levels of feedbacks. The Earth system model EMAC is used in this thesis to assess the direct role of the land surface components of the terrestrial hydrological cycle in the emissions, deposition and transport of key trace gases that control tropospheric chemistry. It is also used to examine its indirect role in changing the tropospheric chemical composition through the feedbacks between the atmospheric and the terrestrial branches of the hydrological cycle. Selected features of the hydrological cycle in EMAC are evaluated using observations from different data sources. The interactions between precipitation and the water vapor column, from the atmospheric branch of the hydrological cycle, and evapotranspiration, from its terrestrial branch, are assessed specially for tropical regions. The impacts of changes in the land surface hydrology on surface exchanges and the oxidizing chemistry of the atmosphere are assessed through two sensitivity simulations. In the first, a new parametrization for rainfall interception in the densely vegetated areas in the tropics is implemented, and its effects are assessed. The second study involves the application of a soil moisture forcing that replaces the model calculated soil moisture. Both experiments have a large impact on the local hydrological cycle, dry deposition of soluble and insoluble gases, emissions of isoprene through changes in surface temperature and the Planetary Boundary Layer height. Additionally the soil moisture forcing causes changes in local vertical transport and large-scale circulation. The changes in trace gas exchanges affect the oxidation capacity of the atmosphere through changes in OH, O$_3$, NO$_x$ concentrations.

Der Austausch von Stickstoffmonoxid zwischen Boden und Atmosphäre unter besonderer Berücksichtigung des Bodenwassergehaltes

Stickstoffmonoxid (NO) ist als reaktives Spurengas eine wichtige Komponente atmosphärenchemischer Prozesse und hat somit einen bedeutenden Einfluss auf die Zusammensetzung der Atmosphäre. Eine Hauptquelle des Spurengases stellen bodenmikrobiologische Prozesse dar, deren regionaler und globaler Anteil weiterhin mit größeren Unsicherheiten geschätzt wird. Ursache für die schwere Abschätzbarkeit der NO-Freisetzung aus Böden ist die hohe räumliche Variabilität der steuernden Faktoren. Als einer der wichtigsten Faktoren, die die Freisetzung von NO aus Böden regeln, gilt der Bodenwassergehalt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Zusammenhang zwischen NO-Freisetzung, Bodenwassergehalt, den Bodeneigenschaften und den Standortbedingungen zu untersuchen und diesen möglichst zu quantifizieren. Dazu sind Bodenproben unterschiedlicher Landnutzungen in einem kleineren Wassereinzugsgebiet im Rheingau im Labor, unter kontrollierten Bedingungen, untersucht. Der charakteristische Zusammenhang zwischen Bodenfeuchte und NO-Freisetzung, die sogenannte Bodenfeuchtekurve, kann demnach weitestgehend auf die gemessenen Bodenmerkmale der untersuchten Proben zurückgeführt werden. Anhand der Bodenmerkmale kann die Bodenfeuchtekurve zufriedenstellend vorhergesagt werden. Dabei zeigt vor allem der Humusgehalt der Böden einen dominierenden Einfluss. Er ist die Variable, die die Unterschiede der Böden beim Zusammenhang zwischen Bodenfeuchte und NO-Freisetzung am besten und hinreichend erklären kann. Zur Konstruktion der Bodenfeuchtekurve müssen die optimale Bodenfeuchte und die dabei herrschende Freisetzung, sowie die obere Bodenfeuchte, bei der keine NO-Freisetzung mehr stattfindet, bekannt sein. Diese charakteristischen Punkte lassen sich durch lineare Regressionsmodelle gut aus den Bodeneigenschaften ableiten. Auf räumlicher Ebene werden die Bodeneigenschaften durch die standörtlichen Bedingungen geprägt, die wiederum Ausdruck der landschaftlichen Ausstattung sind. In der Kulturlandschaft kann der Mensch aufgrund seiner Landnutzungsansprüche als der dominierende Faktor angesehen werden. Die Landnutzung orientiert sich an den landschaftlichen Bedingungen und bestimmt in hohem Maße wichtige Bodeneigenschaften, die zu den erklärenden Merkmalen bei der Beziehung zwischen Bodenwassergehalt und NO-Freisetzung gehören. Die in erster Linie wirtschaftlich orientierten Kartenwerke Bodenschätzung, Weinbergsbodenkartierung und forstliche Standortkartierung sind dementsprechend geeignete Grundlagen, um eine Regionalisierung der Landschaft in - bezüglich der NO-Freisetzung - weitgehend homogene Flächen durchführen zu können. Eine hierauf beruhende Regionalisierung ist dazu geeignet, die räumliche Variabilität der NO-Freisetzung in räumlich sinnvoller Auflösung besser abschätzen zu können.

Die Entwicklung der Mesofauna eines Weinberges im nordöstlichen Rheinhessen im Vergleich zum Lennebergwald und weiteren Agrarflächen

ZusammenfassungrnrnrnDer Köderstreifentest, die Auswertung der Minicontainer und die Erfassung der Bodenlebewesen mit Hilfe der Bodenstechkerne ergeben zusammen eine gut standardisierte Methode zur Darstellung und Beurteilung der Mesofauna. Unter der Vorraussetzung gleicher abiotischer Faktoren ist es problemlos möglich, selbst unterschiedliche Standorte wie Agrarflächen, Weinberge und Waldböden vergleichend zu untersuchen.rnrnAuf den verschiedenen Versuchsflächen des Laubenheimer Weinberges gelingt es deutlich zu zeigen, wie wichtig eine naturnahe Begrünung für den Boden ist. Dies betrifft nicht nur die Entwicklung der Humusschicht und damit die Bodenlebewesen, sondern auch die Schaffung von Kapillaren und Poren, die durch schwere landwirtschaftliche Geräte im Rahmen der Bo-denverdichtung reduziert werden. Erosionserscheinungen kommen vollständig zum Stillstand. Das Ökosystem Boden sollte auch so gut wie keine Belastung durch Herbizide, Insektizide und Pestizide erfahren. Ähnliches gilt auch für agrarisch genutzte Flächen. rnrnDer Lennebergwald als Naherholungsregion von Mainz ist besonders schützenswert, da dieser durch intensiven Immissionseintrag aufgrund der Nähe zu den Autobahnen und durch die Eutrophierung über die Haustiere stark belastet wird. Die immer größere Ausdehnung des Siedlungsgebietes und die damit verbundene steigende Anzahl an Waldbesuchern, die durch Verlassen der vorgegebenen Wege den Boden zerstören, gefährden zusätzlich das Ökosystem.rnrnÜber Sinn und Zweck einer Flurbereinigung zu diskutieren ist hier nicht angebracht. Aus bo-denkundlicher Sicht ist sie nicht zu befürworten, da hiermit alle bodenbewahrenden Maßnah-men ignoriert werden. Wichtig ist es, bei den Landwirten Aufklärungsarbeit zu leisten, was bodenschonende und bodenweiterentwickelnde Bearbeitungsmethoden bedeuten. Mit Hilfe sachgemäßer Aufklärung und richtiger Umsetzung kann durch Begrünungsmaßnahmen der zum Teil sehr stark strapazierte Boden erhalten, gefördert und auf lange Sicht stabilisiert wer-den.rnrnAufgrund der festgestellten Tatsachen wurde ab 2008 auf eine flächige Dauerbegrünung um-gestellt, so dass es auch in den unbegrünten Rebzeilen zu einer Bodenverbesserung kommen kann. Mit großer Wahrscheinlichkeit dürfte diese schneller voranschreiten, da die Mesofauna von den benachbarten begrünten Rebzeilen einwandern kann. rnDie Mesofauna landwirtschaftlich genutzter Flächen und Waldgebiete kann, obwohl extrem unterschiedlich, miteinander verglichen werden.rnrnBrachflächen und Waldgebiete lassen sich aufgrund der unberührten Bodenstrukturen sogar gut miteinander vergleichen. Temperatur- und Niederschlagsverhältnisse müssen dabei über-einstimmen. Die Azidität der jeweiligen Böden gilt es zu berücksichtigen, da verschiedene Tiergruppen damit unterschiedlich umgehen. Collembolen bevorzugen neutrale Böden, wäh-rend Acari als Räuber mit den Lebewesen in sauren Böden besser zurechtkommen. Die Streu-auflage ist dabei von großer Bedeutung.rnrnIm Rahmen von Bearbeitungsmaßnahmen kommt es durch jeglichen Maschineneinsatz zu ei-ner mehr oder weniger starken Veränderung der Bodenstruktur und somit auch der darin le-benden Mesofauna. Bis sich diese erholt hat, steht meist schon die nächste Bodenbewirtschaf-tung an. Die Bodenverdichtung spielt auch eine Rolle. Bei herkömmlichem Ackerbau ist eine Fruchtfolge mit eingeschalteter Brache oder Gründüngung mit Klee oder Luzerne angebracht, um die Mesofauna nicht zu stark zu strapazieren. Organische Düngegaben leicht abbaubarer Streu sind deutlich zu bevorzugen gegenüber sehr zellulose- und ligninhaltigen Pflanzenresten. Die Einbringung von Stoppeln nach Aberntung von Getreidefeldern ist sinnvoll, solange dabei nicht zu tief in die Bodenstruktur eingegriffen wird (ZIMMER 1997).rnrnIm Rahmen der Sonderkultur Wein, bei der eine Bodenbearbeitung aus den aufgezeigten Gründen eigentlich nicht notwendig wäre, sind Dauerbegrünungsmaßnahmen generell von Nutzen: der Erosion wird vorgebeugt, die Bodenfeuchte konstant gehalten, der anfallende Mulch als Gründüngung genutzt. Dies sind alles entscheidende Faktoren, die die Meso- und Makrofauna fördern. Nur die Bodenverdichtung durch schweres Gerät, wie Schlepper und Vollernter, sind für den Boden nicht förderlich (HEISLER 1993, EHRENSBERGER 1993). Nie-derdruckreifen und Verringerung der Befahrung sind geeignete Gegenmaßnahmen. rnrnEntgegen landläufiger Winzermeinung, stellen die Pflanzen einer Begrünung eigentlich keine Konkurrenz für die Weinstöcke dar. Die Vorteile einer Begrünung sind nicht nur die Förde-rung der einheimischen Flora in ihrem standortgerechten Artenreichtum, sondern auch Ver-vielfältigung von Meso- und Makrofauna aufgrund der dadurch mehr anfallenden und ein-zuarbeitenden leicht abbaubaren Streu (GRIEBEL 1995).rn

1st and 2nd Generation Ethanol from Biomass Crops

In chapter 1 and 2 calcium hydroxide as impregnation agent before steam explosion of sugarcane bagasse and switchgrass, respectively, was compared with auto-hydrolysis, assessing the effects on enzymatic hydrolysis and simultaneous saccharification and fermentation (SSF) at high solid concentration of pretreated solid fraction. In addition, anaerobic digestion of pretreated liquid fraction was carried out, in order to appraise the effectiveness of calcium hydroxide before steam explosion in a more comprehensive way. In As water is an expensive input in both cultivation of biomass crops and subsequent pretreatment, Chapter 3 addressed the effects of variable soil moisture on biomass growth and composition of biomass sorghum. Moreover, the effect of water stress was related to the characteristics of stem juice for 1st generation ethanol and structural carbohydrates for 2nd generation ethanol. In the frame of chapter 1, calcium hydroxide was proven to be a suitable catalyst for sugarcane bagasse before steam explosion, in order to enhance fibre deconstruction. In chapter 2, effect of calcium hydroxide on switchgrass showed a great potential when ethanol was focused, whereas acid addition produced higher methane yield. Regarding chapter 3, during crop cycle the amount of cellulose, hemicellulose and AIL changed causing a decrease of 2G ethanol amount. Biomass physical and chemical properties involved a lower glucose yield and concentration at the end of enzymatic hydrolysis and, consequently, a lower 2G ethanol concentration at the end of simultaneous saccharification and fermentation, proving that there is strong relationship between structure, chemical composition, and fermentable sugar yield. The significantly higher concentration of ethanol at the early crop stage could be an important incentive to consider biomass sorghum as second crop in the season, to be introduced into some agricultural systems, potentially benefiting farmers and, above all, avoiding the exacerbation of the debate about fuel vs food crops.

Tetti verdi: Analisi sperimentale e Modellazione numerica

I tetti verdi rappresentano, sempre più frequentemente, una tecnologia idonea alla mitigazione alle problematiche connesse all’ urbanizzazione, tuttavia la conoscenza delle prestazioni dei GR estensivi in clima sub-Mediterraneo è ancora limitata. La presente ricerca è supportata da 15 mesi di analisi sperimentali su due GR situati presso la Scuola di Ingegneria di Bologna. Inizialmente vengono comparate, tra loro e rispetto a una superficie di riferimento (RR), le prestazioni idrologiche ed energetiche dei due GR, caratterizzati da vegetazione a Sedum (SR) e a erbe native perenni (NR). Entrambi riducono i volumi defluiti e le temperature superficiali. Il NR si dimostra migliore del SR sia in campo idrologico che termico, la fisiologia della vegetazione del NR determina l'apertura diurna degli stomi e conseguentemente una maggiore evapotraspirazione (ET). Successivamente si sono studiate la variazioni giornaliere di umidità nel substrato del SR riscontrando che la loro ampiezza è influenzata dalla temperatura, dall’umidità iniziale e dalla fase vegetativa. Queste sono state simulate mediante un modello idrologico basato sull'equazione di bilancio idrico e su due modelli convenzionali per la stima della ET potenziale combinati con una funzione di estrazione dell’ umidità dal suolo. Sono stati proposti dei coefficienti di correzione, ottenuti per calibrazione, per considerare le differenze tra la coltura di riferimento e le colture nei GR durante le fasi di crescita. Infine, con l’ausilio di un modello implementato in SWMM 5.1. 007 utilizzando il modulo Low Impact Development (LID) durante simulazioni in continuo (12 mesi) si sono valutate le prestazioni in termini di ritenzione dei plot SR e RR. Il modello, calibrato e validato, mostra di essere in grado di riprodurre in modo soddisfacente i volumi defluiti dai due plot. Il modello, a seguito di una dettagliata calibrazione, potrebbe supportare Ingegneri e Amministrazioni nella valutazioni dei vantaggi derivanti dall'utilizzo dei GR.

Stabilität und Transport in der planetaren Grenzschicht - Untersuchungen mit Radiosonden- und Spurengasmessungen während PARADE

Die vorliegende Arbeit untersucht die Struktur und Zusammensetzung der untersten Atmosphäre im Rahmen der PARADE-Messkampagne (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) am Kleinen Feldberg in Deutschland im Spätsommer 2011. Dazu werden Messungen von meteorologischen Grundgrößen (Temperatur, Feuchte, Druck, Windgeschwindigkeit und -richtung) zusammen mit Radiosonden und flugzeuggetragenen Messungen von Spurengasen (Kohlenstoffmonoxid, -dioxid, Ozon und Partikelanzahlkonzentrationen) ausgewertet. Ziel ist es, mit diesen Daten, die thermodynamischen und dynamischen Eigenschaften und deren Einfluss auf die chemische Luftmassenzusammensetzung in der planetaren Grenzschicht zu bestimmen. Dazu werden die Radiosonden und Flugzeugmessungen mit Lagrangeschen Methoden kombiniert und es wird zwischen rein kinematischen Modellen (LAGRANTO und FLEXTRA) sowie sogenannten Partikeldispersionsmodellen (FLEXPART) unterschieden. Zum ersten Mal wurde im Rahmen dieser Arbeit dabei auch eine Version von FLEXPART-COSMO verwendet, die von den meteorologischen Analysefeldern des Deutschen Wetterdienstes angetrieben werden. Aus verschiedenen bekannten Methoden der Grenzschichthöhenbestimmung mit Radiosondenmessungen wird die Bulk-Richardson-Zahl-Methode als Referenzmethode verwendet, da sie eine etablierte Methode sowohl für Messungen und als auch Modellanalysen darstellt. Mit einer Toleranz von 125 m, kann zu 95 % mit mindestens drei anderen Methoden eine Übereinstimmung zu der ermittelten Grenzschichthöhe festgestellt werden, was die Qualität der Grenzschichthöhe bestätigt. Die Grenzschichthöhe variiert während der Messkampagne zwischen 0 und 2000 m über Grund, wobei eine hohe Grenzschicht nach dem Durchzug von Kaltfronten beobachtet wird, hingegen eine niedrige Grenzschicht unter Hochdruckeinfluss und damit verbundener Subsidenz bei windarmen Bedingungen im Warmsektor. Ein Vergleich zwischen den Grenzschichthöhen aus Radiosonden und aus Modellen (COSMO-DE, COSMO-EU, COSMO-7) zeigt nur geringe Unterschiede um -6 bis +12% während der Kampagne am Kleinen Feldberg. Es kann allerdings gezeigt werden, dass in größeren Simulationsgebieten systematische Unterschiede zwischen den Modellen (COSMO-7 und COSMO-EU) auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird deutlich, dass die Bodenfeuchte, die in diesen beiden Modellen unterschiedlich initialisiert wird, zu verschiedenen Grenzschichthöhen führt. Die Folge sind systematische Unterschiede in der Luftmassenherkunft und insbesondere der Emissionssensitivität. Des Weiteren kann lokale Mischung zwischen der Grenzschicht und der freien Troposphäre bestimmt werden. Dies zeigt sich in der zeitlichen Änderung der Korrelationen zwischen CO2 und O3 aus den Flugzeugmessungen, und wird im Vergleich mit Rückwärtstrajektorien und Radiosondenprofilen bestärkt. Das Einmischen der Luftmassen in die Grenzschicht beeinflusst dabei die chemische Zusammensetzung in der Vertikalen und wahrscheinlich auch am Boden. Diese experimentelle Studie bestätigt die Relevanz der Einmischungsprozesse aus der freien Troposphäre und die Verwendbarkeit der Korrelationsmethode, um Austausch- und Einmischungsprozesse an dieser Grenzfläche zu bestimmen.

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.

Impact of irrigation in the Po valley (Italy) on meteorological parameters through numerical simulation

Recent studies found that soil-atmosphere coupling features, through soil moisture, have been crucial to simulate well heat waves amplitude, duration and intensity. Moreover, it was found that soil moisture depletion both in Winter and Spring anticipates strong heat waves during the Summer. Irrigation in geophysical studies can be intended as an anthropogenic forcing to the soil-moisture, besides changes in land proprieties. In this study, the irrigation was add to a LAM hydrostatic model (BOLAM) and coupled with the soil. The response of the model to irrigation perturbation is analyzed during a dry Summer season. To identify a dry Summer, with overall positive temperature anomalies, an extensive climatological characterization of 2015 was done. The method included a statistical validation on the reference period distribution used to calculate the anomalies. Drought conditions were observed during Summer 2015 and previous seasons, both on the analyzed region and the Alps. Moreover July was characterized as an extreme event for the referred distribution. The numerical simulation consisted on the summer season of 2015 and two run: a control run (CTR), with the soil coupling and a perturbed run (IPR). The perturbation consists on a mask of land use created from the Cropland FAO dataset, where an irrigation water flux of 3 mm/day was applied from 6 A.M. to 9 A.M. every day. The results show that differences between CTR and IPR has a strong daily cycle. The main modifications are on the air masses proprieties, not on to the dynamics. However, changes in the circulation at the boundaries of the Po Valley are observed, and a diagnostic spatial correlation of variable differences shows that soil moisture perturbation explains well the variation observed in the 2 meters height temperature and in the latent heat fluxes.On the other hand, does not explain the spatial shift up and downslope observed during different periods of the day. Given the results, irrigation process affects the atmospheric proprieties on a larger scale than the irrigation, therefore it is important in daily forecast, particularly during hot and dry periods.

Sensitivity of atmospheric CO2 and climate to explosive volcanic eruptions

Impacts of low-latitude, explosive volcanic eruptions on climate and the carbon cycle are quantified by forcing a comprehensive, fully coupled carbon cycle-climate model with pulse-like stratospheric aerosol optical depth changes. The model represents the radiative and dynamical response of the climate system to volcanic eruptions and simulates a decrease of global and regional atmospheric surface temperature, regionally distinct changes in precipitation, a positive phase of the North Atlantic Oscillation, and a decrease in atmospheric CO2 after volcanic eruptions. The volcanic-induced cooling reduces overturning rates in tropical soils, which dominates over reduced litter input due to soil moisture decrease, resulting in higher land carbon inventories for several decades. The perturbation in the ocean carbon inventory changes sign from an initial weak carbon sink to a carbon source. Positive carbon and negative temperature anomalies in subsurface waters last up to several decades. The multi-decadal decrease in atmospheric CO2 yields a small additional radiative forcing that amplifies the cooling and perturbs the Earth System on longer time scales than the atmospheric residence time of volcanic aerosols. In addition, century-scale global warming simulations with and without volcanic eruptions over the historical period show that the ocean integrates volcanic radiative cooling and responds for different physical and biogeochemical parameters such as steric sea level or dissolved oxygen. Results from a suite of sensitivity simulations with different magnitudes of stratospheric aerosol optical depth changes and from global warming simulations show that the carbon cycle-climate sensitivity γ, expressed as change in atmospheric CO2 per unit change in global mean surface temperature, depends on the magnitude and temporal evolution of the perturbation, and time scale of interest. On decadal time scales, modeled γ is several times larger for a Pinatubo-like eruption than for the industrial period and for a high emission, 21st century scenario.

Constraining global methane emissions and uptake by ecosystems

Natural methane (CH4) emissions from wet ecosystems are an important part of today's global CH4 budget. Climate affects the exchange of CH4 between ecosystems and the atmosphere by influencing CH4 production, oxidation, and transport in the soil. The net CH4 exchange depends on ecosystem hydrology, soil and vegetation characteristics. Here, the LPJ-WHyMe global dynamical vegetation model is used to simulate global net CH4 emissions for different ecosystems: northern peatlands (45°–90° N), naturally inundated wetlands (60° S–45° N), rice agriculture and wet mineral soils. Mineral soils are a potential CH4 sink, but can also be a source with the direction of the net exchange depending on soil moisture content. The geographical and seasonal distributions are evaluated against multi-dimensional atmospheric inversions for 2003–2005, using two independent four-dimensional variational assimilation systems. The atmospheric inversions are constrained by the atmospheric CH4 observations of the SCIAMACHY satellite instrument and global surface networks. Compared to LPJ-WHyMe the inversions result in a~significant reduction in the emissions from northern peatlands and suggest that LPJ-WHyMe maximum annual emissions peak about one month late. The inversions do not put strong constraints on the division of sources between inundated wetlands and wet mineral soils in the tropics. Based on the inversion results we diagnose model parameters in LPJ-WHyMe and simulate the surface exchange of CH4 over the period 1990–2008. Over the whole period we infer an increase of global ecosystem CH4 emissions of +1.11 Tg CH4 yr−1, not considering potential additional changes in wetland extent. The increase in simulated CH4 emissions is attributed to enhanced soil respiration resulting from the observed rise in land temperature and in atmospheric carbon dioxide that were used as input. The long-term decline of the atmospheric CH4 growth rate from 1990 to 2006 cannot be fully explained with the simulated ecosystem emissions. However, these emissions show an increasing trend of +3.62 Tg CH4 yr−1 over 2005–2008 which can partly explain the renewed increase in atmospheric CH4 concentration during recent years.

Temporal and spatial variation of nitrogen transformations in nitrogen-saturated soils of a central Appalachian hardwood forest

We studied temporal and spatial patterns of soil nitrogen (N) dynamics from 1993 to 1995 in three watersheds of Fernow Experimental Forest, W.V.: WS7 (24-year-old, untreated); WS4 (mature, untreated); and WS3 (24-year-old, treated with (NH4)2SO since 1989 at the rate of 35 kg Nha–1year–1). Net nitrification was 141, 114, and115 kg Nha–1year–1, for WS3, WS4, and WS7, respectively, essentially 100% of net N mineralization for all watersheds. Temporal (seasonal) patterns of nitrification were significantly related to soil moisture and ambient temperaturein untreated watersheds only. Spatial patterns of soil water NO3–of WS4 suggest that microenvironmental variabilitylimits rates of N processing in some areas of this N-saturated watershed, in part by ericaceous species in the herbaceous layer. Spatial patterns of soil water NO3–in treated WS3 suggest that later stages of N saturation may result inhigher concentrations with less spatial variability. Spatial variability in soil N variables was lower in treated WS3 versus untreated watersheds. Nitrogen additions have altered the response of N-processing microbes to environmental factors, becoming less sensitive to seasonal changes in soil moisture and temperature. Biotic processes responsible forregulating N dynamics may be compromised in N-saturated forest ecosystems.

Quantifying the ecological benefits of lakeshore restoration in northern Wisconsin

Housing development has increased dramatically in the Midwest with a high concentration around lakes. This development plays an important role in the economy of Northwoods communities. However, poorly planned development has the potential to alter a lake’s ecological processes and integrity. Studies have documented the impacts of housing developments and reported dramatic, negative changes to the flora and fauna in Vilas County, Wisconsin. One component of my research included examining the previously unstudied effects of residential development on the abundance and diversity of medium to large-bodied mammals using lakeshore ecosystems. The results suggest that a higher diversity of mammals were detected on low-development lakes. Coyotes were the most numerous species detected with the majority encountered on low-development lakes. White-tailed deer and red fox were more abundant on high-development lakes as compared to low-development lakes. I concluded that high-development lakes are having a negative affect on the mammal community in this area. Recently, lakeshore restoration has occurred on privately owned property in Vilas County and elsewhere in the Northwoods, but little is known about the benefit, if any, from these restoration efforts. A partnership between government agencies and academia has launched a long-term research project investigating the ecological benefits of lakeshore restoration. I investigated the impacts of using down woody material (DWM) to increase the success of restoration projects. Specifically, I tested the hypothesis that down woody material would reduce the variation in soil temperature, retain soil moisture, and improve plant survival and growth rates. I randomly assigned three DWM coverage treatments (0%, 25%, and 50%) on 3 m × 3 m experimental plots (n = 10 per treatment). The mean maximum soil temperature, temperature variation, and change in soil moisture content were significantly lower in the 25% and 50% DWM plots. I found no difference in survival, but snowberry (Symphoricarpos albus) and Barren strawberry (Waldstenia fragaroides) growth was significant greater in the 25% and 50% DWM plots. DWM addition can be considered a useful technique to physically manipulate soil properties and improve plant growth. Finally, I provided baseline data on vegetation structure, bird and small mammal community diversity and abundance for three lakes targeted for restoration efforts and their paired reference lakes. This study is one of the first of it kind in the area and continuing to document the degree of change in subsequent years will provide insight into the way the local ecosystem functions and how ecological communities are structured.