Preparation, Characterization and Dilectric Properties of Ceramics in the BaO-Nd2O3-TiO2 System

The dielectric ceramics BaNd2Ti3Oto, BaNd2Ti4O12 and BaNd2Ti5O14 have been prepared by Conventional solid state ceramic route. The sintered ceramic samples have been characterized by X-ray diffraction and Scanning Electron Microscopy (SEM). The dielectric properties in the microwave frequency range have been measured using conventional microwave dielectric resonator methods. The BaNd2Ti1O10, BaN2Ti4O12 and BaNd2Ti5O14 have dielectric constants (Er) ~ 60, 84 and 77 respectively. They have relatively high quality factors

Temperature Stable Low Loss Ceramic Dielectrics in (1-x)ZnAI2O4-xTiO2 System for Microwave Substrate Applications

The microwave dielectric properties of ZnAl2O4 spinels were investigated and their properties were tailored by adding different mole fractions of Ti02. The samples were synthesized using the mixed oxide rout.e. The phase purity and crystal structure were identified using X-ray diffraction technique. The sintered specimens were characterized in the microwave frequency range (3-13 GHz). The ZnA12O4 ceramics exhibited interesting dielectric properties (dielectric constant (e,.) = 8.5, unloaded quality factor (Q.) = 4590 at 12.27 GHz and temperature coefficient of resonant frequency (Tf) = -79 ppm/°C). Addition of Ti02 into the spinel improved its properties and the Tf approached zero for 0.83ZnAl2O4- 0.17TiO2• This temperature compensated composition has excellent microwave dielectric properties (Cr _ 12.67, Q, = 9950 at 10.075 GHz) which can be exploited for microwave substrate applications

Development of Free Space Method for Material Characterisation and GPR Study & A Case Study on Biological Samples

The thesis mainly focuses on material characterization in different environments: freely available samples taken in planar fonn, biological samples available in small quantities and buried objects.Free space method, finds many applications in the fields of industry, medicine and communication. As it is a non-contact method, it can be employed for monitoring the electrical properties of materials moving through a conveyor belt in real time. Also, measurement on such systems at high temperature is possible. NID theory can be applied to the characterization of thin films. Dielectric properties of thin films deposited on any dielectric substrate can be determined. ln chemical industry, the stages of a chemical reaction can be monitored online. Online monitoring will be more efficient as it saves time and avoids risk of sample collection.Dielectric contrast is one of the main factors, which decides the detectability of a system. lt could be noted that the two dielectric objects of same dielectric constant 3.2 (s, of plastic mine) placed in a medium of dielectric constant 2.56 (er of sand) could even be detected employing the time domain analysis of the reflected signal. This type of detection finds strategic importance as it provides solution to the problem of clearance of non-metallic mines. The demining of these mines using the conventional techniques had been proved futile. The studies on the detection of voids and leakage in pipes find many applications.The determined electrical properties of tissues can be used for numerical modeling of cells, microwave imaging, SAR test etc. All these techniques need the accurate determination of dielectric constant. ln the modem world, the use of cellular and other wireless communication systems is booming up. At the same time people are concemed about the hazardous effects of microwaves on living cells. The effect is usually studied on human phantom models. The construction of the models requires the knowledge of the dielectric parameters of the various body tissues. lt is in this context that the present study gains significance. The case study on biological samples shows that the properties of normal and infected body tissues are different. Even though the change in the dielectric properties of infected samples from that of normal one may not be a clear evidence of an ailment, it is an indication of some disorder.ln medical field, the free space method may be adapted for imaging the biological samples. This method can also be used in wireless technology. Evaluation of electrical properties and attenuation of obstacles in the path of RF waves can be done using free waves. An intelligent system for controlling the power output or frequency depending on the feed back values of the attenuation may be developed.The simulation employed in GPR can be extended for the exploration of the effects due to the factors such as the different proportion of water content in the soil, the level and roughness of the soil etc on the reflected signal. This may find applications in geological explorations. ln the detection of mines, a state-of-the art technique for scanning and imaging an active mine field can be developed using GPR. The probing antenna can be attached to a robotic arm capable of three degrees of rotation and the whole detecting system can be housed in a military vehicle. In industry, a system based on the GPR principle can be developed for monitoring liquid or gas through a pipe, as pipe with and without the sample gives different reflection responses. lt may also be implemented for the online monitoring of different stages of extraction and purification of crude petroleum in a plant.Since biological samples show fluctuation in the dielectric nature with time and other physiological conditions, more investigation in this direction should be done. The infected cells at various stages of advancement and the normal cells should be analysed. The results from these comparative studies can be utilized for the detection of the onset of such diseases. Studying the properties of infected tissues at different stages, the threshold of detectability of infected cells can be determined.

Geodynamics of the Andaman - Sumatra - Java Trench - Arc System Based on Gravity and Seismotectonic Study

This work aims to study the variation in subduction zone geometry along and across the arc and the fault pattern within the subducting plate. Depth of penetration as well as the dip of the Benioff zone varies considerably along the arc which corresponds to the curvature of the fold- thrust belt which varies from concave to convex in different sectors of the arc. The entire arc is divided into 27 segments and depth sections thus prepared are utilized to investigate the average dip of the Benioff zone in the different parts of the entire arc, penetration depth of the subducting lithosphere, the subduction zone geometry underlying the trench, the arctrench gap, etc.The study also describes how different seismogenic sources are identified in the region, estimation of moment release rate and deformation pattern. The region is divided into broad seismogenic belts. Based on these previous studies and seismicity Pattern, we identified several broad distinct seismogenic belts/sources. These are l) the Outer arc region consisting of Andaman-Nicobar islands 2) the back-arc Andaman Sea 3)The Sumatran fault zone(SFZ)4)Java onshore region termed as Jave Fault Zone(JFZ)5)Sumatran fore arc silver plate consisting of Mentawai fault(MFZ)6) The offshore java fore arc region 7)The Sunda Strait region.As the Seismicity is variable,it is difficult to demarcate individual seismogenic sources.Hence, we employed a moving window method having a window length of 3—4° and with 50% overlapping starting from one end to the other. We succeeded in defining 4 sources each in the Andaman fore arc and Back arc region, 9 such sources (moving windows) in the Sumatran Fault zone (SFZ), 9 sources in the offshore SFZ region and 7 sources in the offshore Java region. Because of the low seismicity along JFZ, it is separated into three seismogenic sources namely West Java, Central Java and East Java. The Sunda strait is considered as a single seismogenic source.The deformation rates for each of the seismogenic zones have been computed. A detailed error analysis of velocity tensors using Monte—Carlo simulation method has been carried out in order to obtain uncertainties. The eigen values and the respective eigen vectors of the velocity tensor are computed to analyze the actual deformation pattem for different zones. The results obtained have been discussed in the light of regional tectonics, and their implications in terms of geodynamics have been enumerated.ln the light of recent major earthquakes (26th December 2004 and 28th March 2005 events) and the ongoing seismic activity, we have recalculated the variation in the crustal deformation rates prior and after these earthquakes in Andaman—Sumatra region including the data up to 2005 and the significant results has been presented.ln this chapter, the down going lithosphere along the subduction zone is modeled using the free air gravity data by taking into consideration the thickness of the crustal layer, the thickness of the subducting slab, sediment thickness, presence of volcanism, the proximity of the continental crust etc. Here a systematic and detailed gravity interpretation constrained by seismicity and seismic data in the Andaman arc and the Andaman Sea region in order to delineate the crustal structure and density heterogeneities a Io nagnd across the arc and its correlation with the seismogenic behaviour is presented.

Semiclassical theory of shot noise in ballistic n+in+ semiconductor structures: relevance of Pauli and long range Coulomb interactions

We work out a semiclassical theory of shot noise in ballistic n+-i-n+ semiconductor structures aiming at studying two fundamental physical correlations coming from Pauli exclusion principle and long-range Coulomb interaction. The theory provides a unifying scheme which, in addition to the current-voltage characteristics, describes the suppression of shot noise due to Pauli and Coulomb correlations in the whole range of system parameters and applied bias. The whole scenario is summarized by a phase diagram in the plane of two dimensionless variables related to the sample length and contact chemical potential. Here different regions of physical interest can be identified where only Coulomb or only Pauli correlations are active, or where both are present with different relevance. The predictions of the theory are proven to be fully corroborated by Monte Carlo simulations.

Fragile-glass behavior of a short-range p-spin model

We propose a short-range generalization of the p-spin interaction spin-glass model. The model is well suited to test the idea that an entropy collapse is at the bottom line of the dynamical singularity encountered in structural glasses. The model is studied in three dimensions through Monte Carlo simulations, which put in evidence fragile glass behavior with stretched exponential relaxation and super-Arrhenius behavior of the relaxation time. Our data are in favor of a Vogel-Fulcher behavior of the relaxation time, related to an entropy collapse at the Kauzmann temperature. We, however, encounter difficulties analogous to those found in experimental systems when extrapolating thermodynamical data at low temperatures. We study the spin-glass susceptibility, investigating the behavior of the correlation length in the system. We find that the increase of the relaxation time is accompanied by a very slow growth of the correlation length. We discuss the scaling properties of off-equilibrium dynamics in the glassy regime, finding qualitative agreement with the mean-field theory.

Development of Zero Water Exchange Shrimp Culture System Integrated With Bioremediation of Detritus and Ammonia- Nitrogen

Aquaculture is one of the fastest growing food sectors in the world. Amongst the various branches of aquaculture, shrimp culture has expanded rapidly across the globe because of its faster growth rate, short culture period, high export value and demand in the International market. Indian shrimp farming has experienced phenomenal development over the decades due to its excellent commercial viability. Farmers have adopted a number of innovative technologies to improve the production and to maximize the returns per unit area. The culture methods adopted can be classified in to extensive, modified extensive and semi intensive based on the management strategies adopted in terms of pond size, stocking density, feeding and environmental control. In all these systems water exchanges through the natural tidal effects, or pump fed either from creek or from estuaries is a common practice. In all the cases, the systems are prone to epizootics due to the pathogen introduction through the incoming water, either brought by vectors, reservoir hosts, infected tissue debris and free pathogens themselves. In this scenario, measures to prevent the introduction of pathogen have become a necessity to protect the crop from the onslaught of diseases as well as to prevent the discharge of waste water in to the culture environment.The present thesis deals with Standardization of bioremediation technology for zero water exchange shrimp culture system

Development of a Biometric Personal Authentication System Based on Fingerprint and Speech

Biometrics deals with the physiological and behavioral characteristics of an individual to establish identity. Fingerprint based authentication is the most advanced biometric authentication technology. The minutiae based fingerprint identification method offer reasonable identification rate. The feature minutiae map consists of about 70-100 minutia points and matching accuracy is dropping down while the size of database is growing up. Hence it is inevitable to make the size of the fingerprint feature code to be as smaller as possible so that identification may be much easier. In this research, a novel global singularity based fingerprint representation is proposed. Fingerprint baseline, which is the line between distal and intermediate phalangeal joint line in the fingerprint, is taken as the reference line. A polygon is formed with the singularities and the fingerprint baseline. The feature vectors are the polygonal angle, sides, area, type and the ridge counts in between the singularities. 100% recognition rate is achieved in this method. The method is compared with the conventional minutiae based recognition method in terms of computation time, receiver operator characteristics (ROC) and the feature vector length. Speech is a behavioural biometric modality and can be used for identification of a speaker. In this work, MFCC of text dependant speeches are computed and clustered using k-means algorithm. A backpropagation based Artificial Neural Network is trained to identify the clustered speech code. The performance of the neural network classifier is compared with the VQ based Euclidean minimum classifier. Biometric systems that use a single modality are usually affected by problems like noisy sensor data, non-universality and/or lack of distinctiveness of the biometric trait, unacceptable error rates, and spoof attacks. Multifinger feature level fusion based fingerprint recognition is developed and the performances are measured in terms of the ROC curve. Score level fusion of fingerprint and speech based recognition system is done and 100% accuracy is achieved for a considerable range of matching threshold

Design And Development Of A Named Entity Based Question Answering System For Malayalam Language

This is a Named Entity Based Question Answering System for Malayalam Language. Although a vast amount of information is available today in digital form, no effective information access mechanism exists to provide humans with convenient information access. Information Retrieval and Question Answering systems are the two mechanisms available now for information access. Information systems typically return a long list of documents in response to a user’s query which are to be skimmed by the user to determine whether they contain an answer. But a Question Answering System allows the user to state his/her information need as a natural language question and receives most appropriate answer in a word or a sentence or a paragraph. This system is based on Named Entity Tagging and Question Classification. Document tagging extracts useful information from the documents which will be used in finding the answer to the question. Question Classification extracts useful information from the question to determine the type of the question and the way in which the question is to be answered. Various Machine Learning methods are used to tag the documents. Rule-Based Approach is used for Question Classification. Malayalam belongs to the Dravidian family of languages and is one of the four major languages of this family. It is one of the 22 Scheduled Languages of India with official language status in the state of Kerala. It is spoken by 40 million people. Malayalam is a morphologically rich agglutinative language and relatively of free word order. Also Malayalam has a productive morphology that allows the creation of complex words which are often highly ambiguous. Document tagging tools such as Parts-of-Speech Tagger, Phrase Chunker, Named Entity Tagger, and Compound Word Splitter are developed as a part of this research work. No such tools were available for Malayalam language. Finite State Transducer, High Order Conditional Random Field, Artificial Immunity System Principles, and Support Vector Machines are the techniques used for the design of these document preprocessing tools. This research work describes how the Named Entity is used to represent the documents. Single sentence questions are used to test the system. Overall Precision and Recall obtained are 88.5% and 85.9% respectively. This work can be extended in several directions. The coverage of non-factoid questions can be increased and also it can be extended to include open domain applications. Reference Resolution and Word Sense Disambiguation techniques are suggested as the future enhancements

Entropy of a correlated system of nucleons

Realistic nucleon-nucleon interactions induce correlations to the nuclear many-body system, which lead to a fragmentation of the single-particle strength over a wide range of energies and momenta. We address the question of how this fragmentation affects the thermodynamical properties of nuclear matter. In particular, we show that the entropy can be computed with the help of a spectral function, which can be evaluated in terms of the self-energy obtained in the self-consistent Green's function approach. Results for the density and temperature dependences of the entropy per particle for symmetric nuclear matter are presented and compared to the results of lowest order finite-temperature Brueckner-Hartree-Fock calculations. The effects of correlations on the calculated entropy are small, if the appropriate quasiparticle approximation is used. The results demonstrate the thermodynamical consistency of the self-consistent T-matrix approximation for the evaluation of the Green's functions.

Chitosan as a wall material for a microencapsulated delivery system for Macrobrachium rosenbergii(de Man) larvae

Chitosan has beenwidely accepted as awall material for preparing microcapsules of various purposes in human medicine. The possibility of using chitosan as a wall material for microencapsulating nutrients and drugs for aquaculture purposes, speci¢cally to Macrobrachium rosenbergii larvae was evaluated in this study. Two types of chitosan-coated microcapsules were prepared using either acetone (MEC-A) or NaOH (MEC-N) as the cross-linking agents. They were compared with a microbound diet relative to total leaching of nutrients and free amino acids (FAA). Among the microcapsules, MEC-N showed the lowest level of total leaching of nutrients (23.3%) during 5 h of immersion in seawater and released 65% FAA after 60min. During laboratory trials,75% larvae had accepted the MEC-N capsule. The results of the study suggest that chitosan can be used as a wall material for preparing microcapsules to deliver drugs and nutrients to M. rosenbergii larvae.

Lead free heterogeneous multilayers with giant magneto electric coupling for microelectronics/microelectromechanical systems applications

Lead free magneto electrics with a strong sub resonant (broad frequency range) magneto electric coupling coefficient (MECC) is the goal of the day which can revolutionise the microelectronics and microelectromechanical systems (MEMS) industry. We report giant resonant MECC in lead free nanograined Barium Titanate–CoFe (Alloy)-Barium Titanate [BTO-CoFe-BTO] sandwiched thin films. The resonant MECC values obtained here are the highest values recorded in thin films/ multilayers. Sub-resonant MECC values are quite comparable to the highest MECC reported in 2-2 layered structures. MECC got enhanced by two orders at a low frequency resonance. The results show the potential of these thin films for transducer, magnetic field assisted energy harvesters, switching devices, and storage applications. Some possible device integration techniques are also discussed

Tailoring Magnetic Properties of Co-Fe Thin Films by Topographical Modifications Using Thermal Annealing and Swift Heavy Ion Irradiation and Fabrication of Magnetoelectric Multilayers for Device Applications

Magnetism and magnetic materials have been playing a lead role in improving the quality of life. They are increasingly being used in a wide variety of applications ranging from compasses to modern technological devices. Metallic glasses occupy an important position among magnetic materials. They assume importance both from a scientific and an application point of view since they represent an amorphous form of condensed matter with significant deviation from thermodynamic equilibrium. Metallic glasses having good soft magnetic properties are widely used in tape recorder heads, cores of high-power transformers and metallic shields. Superconducting metallic glasses are being used to produce high magnetic fields and magnetic levitation effect. Upon heat treatment, they undergo structural relaxation leading to subtle rearrangements of constituent atoms. This leads to densification of amorphous phase and subsequent nanocrystallisation. The short-range structural relaxation phenomenon gives rise to significant variations in physical, mechanical and magnetic properties. Magnetic amorphous alloys of Co-Fe exhibit excellent soft magnetic properties which make them promising candidates for applications as transformer cores, sensors, and actuators. With the advent of microminiaturization and nanotechnology, thin film forms of these alloys are sought after for soft under layers for perpendicular recording media. The thin film forms of these alloys can also be used for fabrication of magnetic micro electro mechanical systems (magnetic MEMS). In bulk, they are drawn in the form of ribbons, often by melt spinning. The main constituents of these alloys are Co, Fe, Ni, Si, Mo and B. Mo acts as the grain growth inhibitor and Si and B facilitate the amorphous nature in the alloy structure. The ferromagnetic phases such as Co-Fe and Fe-Ni in the alloy composition determine the soft magnetic properties. The grain correlation length, a measure of the grain size, often determines the soft magnetic properties of these alloys. Amorphous alloys could be restructured in to their nanocrystalline counterparts by different techniques. The structure of nanocrystalline material consists of nanosized ferromagnetic crystallites embedded in an amorphous matrix. When the amorphous phase is ferromagnetic, they facilitate exchange coupling between nanocrystallites. This exchange coupling results in the vanishing of magnetocrystalline anisotropy which improves the soft magnetic properties. From a fundamental perspective, exchange correlation length and grain size are the deciding factors that determine the magnetic properties of these nanocrystalline materials. In thin films, surfaces and interfaces predominantly decides the bulk property and hence tailoring the surface roughness and morphology of the film could result in modified magnetic properties. Surface modifications can be achieved by thermal annealing at various temperatures. Ion irradiation is an alternative tool to modify the surface/structural properties. The surface evolution of a thin film under swift heavy ion (SHI) irradiation is an outcome of different competing mechanism. It could be sputtering induced by SHI followed by surface roughening process and the material transport induced smoothening process. The impingement of ions with different fluence on the alloy is bound to produce systematic microstructural changes and this could effectively be used for tailoring magnetic parameters namely coercivity, saturation magnetization, magnetic permeability and remanence of these materials. Swift heavy ion irradiation is a novel and an ingenious tool for surface modification which eventually will lead to changes in the bulk as well as surface magnetic property. SHI has been widely used as a method for the creation of latent tracks in thin films. The bombardment of SHI modifies the surfaces or interfaces or creates defects, which induces strain in the film. These changes will have profound influence on the magnetic anisotropy and the magnetisation of the specimen. Thus inducing structural and morphological changes by thermal annealing and swift heavy ion irradiation, which in turn induce changes in the magnetic properties of these alloys, is one of the motivation of this study. Multiferroic and magneto-electrics is a class of functional materials with wide application potential and are of great interest to material scientists and engineers. Magnetoelectric materials combine both magnetic as well as ferroelectric properties in a single specimen. The dielectric properties of such materials can be controlled by the application of an external magnetic field and the magnetic properties by an electric field. Composites with magnetic and piezo/ferroelectric individual phases are found to have strong magnetoelectric (ME) response at room temperature and hence are preferred to single phasic multiferroic materials. Currently research in this class of materials is towards optimization of the ME coupling by tailoring the piezoelectric and magnetostrictive properties of the two individual components of ME composites. The magnetoelectric coupling constant (MECC) (_ ME) is the parameter that decides the extent of interdependence of magnetic and electric response of the composite structure. Extensive investigates have been carried out in bulk composites possessing on giant ME coupling. These materials are fabricated by either gluing the individual components to each other or mixing the magnetic material to a piezoelectric matrix. The most extensively investigated material combinations are Lead Zirconate Titanate (PZT) or Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate (PMNPT) as the piezoelectric, and Terfenol-D as the magnetostrictive phase and the coupling is measured in different configurations like transverse, longitudinal and inplane longitudinal. Fabrication of a lead free multiferroic composite with a strong ME response is the need of the hour from a device application point of view. The multilayer structure is expected to be far superior to bulk composites in terms of ME coupling since the piezoelectric (PE) layer can easily be poled electrically to enhance the piezoelectricity and hence the ME effect. The giant magnetostriction reported in the Co-Fe thin films makes it an ideal candidate for the ferromagnetic component and BaTiO3 which is a well known ferroelectric material with improved piezoelectric properties as the ferroelectric component. The multilayer structure of BaTiO3- CoFe- BaTiO3 is an ideal system to understand the underlying fundamental physics behind the ME coupling mechanism. Giant magnetoelectric coupling coefficient is anticipated for these multilayer structures of BaTiO3-CoFe-BaTiO3. This makes it an ideal candidate for cantilever applications in magnetic MEMS/NEMS devices. SrTiO3 is an incipient ferroelectric material which is paraelectric up to 0K in its pure unstressed form. Recently few studies showed that ferroelectricity can be induced by application of stress or by chemical / isotopic substitution. The search for room temperature magnetoelectric coupling in SrTiO3-CoFe-SrTiO3 multilayer structures is of fundamental interest. Yet another motivation of the present work is to fabricate multilayer structures consisting of CoFe/ BaTiO3 and CoFe/ SrTiO3 for possible giant ME coupling coefficient (MECC) values. These are lead free and hence promising candidates for MEMS applications. The elucidation of mechanism for the giant MECC also will be the part of the objective of this investigation.

Wirtschaft an der Grenze. Studien zum Wirtschaftsleben in römischen Militärlagern im Norden Britanniens

Die wichtigsten Quellen für die Erforschung des Wirtschaftsleben in den Militärlagern im Norden Britanniens sind die im Kastell Vindolanda gefundenen Holztäfelchen mit Texten aus dem Lageralltag von ca. 90-120 n. Chr. sowie die archäologischen Funde aus der Region. Nicht zuletzt aufgrund dieser Quellenlage wurde der Betrachtungszeitraum auf die Zeit von Agricola bis Hadrianus begrenzt. Es hat sich gezeigt, daß das Wirtschaftsleben in den römischen Militärlagern im Norden Britanniens dieser Epoche einerseits bürokratische Züge trägt, da Führungspersonen in Militär und Verwaltung im Rahmen redistributiver Strukturen viele Güter beschafften, die an die Soldaten gegen Abzüge vom Sold ausgegeben wurden. Andererseits stand diesem Verfahren eine beeindruckende Dynamik im Marktgeschehen gegenüber, die durch die Erfordernisse der Heeresversorgung und des individuellen Konsums der Soldaten entstand. Zu den Bereichen der Wirtschaftstätigkeit, in denen ein starker Einfluß der Bürokratie herrschte, zählten insbesondere die Versorgung mit den Grundnahrungsmitteln (v. a. Getreide, Bier). Hypothesen über ein militärisches Redistributivsystem für Olivenöl unter der Ägide des praefectus annonae wurden allerdings nicht bestätigt. Die Existenz einer zentralen Behörde für die Heeresversorgung im Reich für die Principatszeit nicht nachgewiesen werden. Es zeigte sich statt dessen eine in der Forschung bisher nicht so deutlich gesehene Verantwortung und Aktivität unterer militärischer Entscheidungsträger vor Ort. Die Märkte an der britannischen Grenze bieten eine sehr viel differenzierteres Bild als man es von Handelsplätzen am äußersten Rande der romanisierten Welt vielleicht erwartet hätte. Vor allem zeichneten sie sich durch ein breites Angebot an Waren aus, die über große Entfernungen heran transportiert worden waren (Wein, Oliven, mediterrane Fischcaucen, Pfeffer, Importkeramik). Im Bereich des Handwerks sind im Norden Britanniens durch archäologische Funde und die Tätigkeitsbezeichnungen von Handwerkern in den Texten aus Vindolanda vielfältige Zeugnisse eines Engagements der Militärs präsent.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.