Development and characterization of a distributed measurement system for the evaluation of voltage quality in electric power networks

The research activity carried out during the PhD course in Electrical Engineering belongs to the branch of electric and electronic measurements. The main subject of the present thesis is a distributed measurement system to be installed in Medium Voltage power networks, as well as the method developed to analyze data acquired by the measurement system itself and to monitor power quality. In chapter 2 the increasing interest towards power quality in electrical systems is illustrated, by reporting the international research activity inherent to the problem and the relevant standards and guidelines emitted. The aspect of the quality of voltage provided by utilities and influenced by customers in the various points of a network came out only in recent years, in particular as a consequence of the energy market liberalization. Usually, the concept of quality of the delivered energy has been associated mostly to its continuity. Hence the reliability was the main characteristic to be ensured for power systems. Nowadays, the number and duration of interruptions are the “quality indicators” commonly perceived by most customers; for this reason, a short section is dedicated also to network reliability and its regulation. In this contest it should be noted that although the measurement system developed during the research activity belongs to the field of power quality evaluation systems, the information registered in real time by its remote stations can be used to improve the system reliability too. Given the vast scenario of power quality degrading phenomena that usually can occur in distribution networks, the study has been focused on electromagnetic transients affecting line voltages. The outcome of such a study has been the design and realization of a distributed measurement system which continuously monitor the phase signals in different points of a network, detect the occurrence of transients superposed to the fundamental steady state component and register the time of occurrence of such events. The data set is finally used to locate the source of the transient disturbance propagating along the network lines. Most of the oscillatory transients affecting line voltages are due to faults occurring in any point of the distribution system and have to be seen before protection equipment intervention. An important conclusion is that the method can improve the monitored network reliability, since the knowledge of the location of a fault allows the energy manager to reduce as much as possible both the area of the network to be disconnected for protection purposes and the time spent by technical staff to recover the abnormal condition and/or the damage. The part of the thesis presenting the results of such a study and activity is structured as follows: chapter 3 deals with the propagation of electromagnetic transients in power systems by defining characteristics and causes of the phenomena and briefly reporting the theory and approaches used to study transients propagation. Then the state of the art concerning methods to detect and locate faults in distribution networks is presented. Finally the attention is paid on the particular technique adopted for the same purpose during the thesis, and the methods developed on the basis of such approach. Chapter 4 reports the configuration of the distribution networks on which the fault location method has been applied by means of simulations as well as the results obtained case by case. In this way the performance featured by the location procedure firstly in ideal then in realistic operating conditions are tested. In chapter 5 the measurement system designed to implement the transients detection and fault location method is presented. The hardware belonging to the measurement chain of every acquisition channel in remote stations is described. Then, the global measurement system is characterized by considering the non ideal aspects of each device that can concur to the final combined uncertainty on the estimated position of the fault in the network under test. Finally, such parameter is computed according to the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurements, by means of a numeric procedure. In the last chapter a device is described that has been designed and realized during the PhD activity aiming at substituting the commercial capacitive voltage divider belonging to the conditioning block of the measurement chain. Such a study has been carried out aiming at providing an alternative to the used transducer that could feature equivalent performance and lower cost. In this way, the economical impact of the investment associated to the whole measurement system would be significantly reduced, making the method application much more feasible.

Modeling surface-atmosphere exchange of trace gases and energy within and above the Amazon rain forest

Die vorliegende Dissertation untersucht die biogeochemischen Vorgänge in der Vegetationsschicht (Bestand) und die Rückkopplungen zwischen physiologischen und physikalischen Umweltprozessen, die das Klima und die Chemie der unteren Atmosphäre beeinflussen. Ein besondere Schwerpunkt ist die Verwendung theoretischer Ansätze zur Quantifizierung des vertikalen Austauschs von Energie und Spurengasen (Vertikalfluss) unter besonderer Berücksichtigung der Wechselwirkungen der beteiligten Prozesse. Es wird ein differenziertes Mehrschicht-Modell der Vegetation hergeleitet, implementiert, für den amazonischen Regenwald parametrisiert und auf einen Standort in Rondonia (Südwest Amazonien) angewendet, welches die gekoppelten Gleichungen zur Energiebilanz der Oberfläche und CO2-Assimilation auf der Blattskala mit einer Lagrange-Beschreibung des Vertikaltransports auf der Bestandesskala kombiniert. Die hergeleiteten Parametrisierungen beinhalten die vertikale Dichteverteilung der Blattfläche, ein normalisiertes Profil der horizontalen Windgeschwindigkeit, die Lichtakklimatisierung der Photosynthesekapazität und den Austausch von CO2 und Wärme an der Bodenoberfläche. Desweiteren werden die Berechnungen zur Photosynthese, stomatären Leitfähigkeit und der Strahlungsabschwächung im Bestand mithilfe von Feldmessungen evaluiert. Das Teilmodell zum Vertikaltransport wird im Detail unter Verwendung von 222-Radon-Messungen evaluiert. Die ``Vorwärtslösung'' und der ``inverse Ansatz'' des Lagrangeschen Dispersionsmodells werden durch den Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Konzentrationsprofilen bzw. Bodenflüssen bewertet. Ein neuer Ansatz wird hergeleitet, um die Unsicherheiten des inversen Ansatzes aus denjenigen des Eingabekonzentrationsprofils zu quantifizieren. Für nächtliche Bedingungen wird eine modifizierte Parametrisierung der Turbulenz vorgeschlagen, welche die freie Konvektion während der Nacht im unteren Bestand berücksichtigt und im Vergleich zu früheren Abschätzungen zu deutlich kürzeren Aufenthaltszeiten im Bestand führt. Die vorhergesagte Stratifizierung des Bestandes am Tage und in der Nacht steht im Einklang mit Beobachtungen in dichter Vegetation. Die Tagesgänge der vorhergesagten Flüsse und skalaren Profile von Temperatur, H2O, CO2, Isopren und O3 während der späten Regen- und Trockenzeit am Rondonia-Standort stimmen gut mit Beobachtungen überein. Die Ergebnisse weisen auf saisonale physiologische Änderungen hin, die sich durch höhere stomatäre Leitfähigkeiten bzw. niedrigere Photosyntheseraten während der Regen- und Trockenzeit manifestieren. Die beobachteten Depositionsgeschwindigkeiten für Ozon während der Regenzeit überschreiten diejenigen der Trockenzeit um 150-250%. Dies kann nicht durch realistische physiologische Änderungen erklärt werden, jedoch durch einen zusätzlichen cuticulären Aufnahmemechanismus, möglicherweise an feuchten Oberflächen. Der Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Isoprenkonzentrationen im Bestand weist auf eine reduzierte Isoprenemissionskapazität schattenadaptierter Blätter und zusätzlich auf eine Isoprenaufnahme des Bodens hin, wodurch sich die globale Schätzung für den tropischen Regenwald um 30% reduzieren würde. In einer detaillierten Sensitivitätsstudie wird die VOC Emission von amazonischen Baumarten unter Verwendung eines neuronalen Ansatzes in Beziehung zu physiologischen und abiotischen Faktoren gesetzt. Die Güte einzelner Parameterkombinationen bezüglich der Vorhersage der VOC Emission wird mit den Vorhersagen eines Modells verglichen, das quasi als Standardemissionsalgorithmus für Isopren dient und Licht sowie Temperatur als Eingabeparameter verwendet. Der Standardalgorithmus und das neuronale Netz unter Verwendung von Licht und Temperatur als Eingabeparameter schneiden sehr gut bei einzelnen Datensätzen ab, scheitern jedoch bei der Vorhersage beobachteter VOC Emissionen, wenn Datensätze von verschiedenen Perioden (Regen/Trockenzeit), Blattentwicklungsstadien, oder gar unterschiedlichen Spezies zusammengeführt werden. Wenn dem Netzwerk Informationen über die Temperatur-Historie hinzugefügt werden, reduziert sich die nicht erklärte Varianz teilweise. Eine noch bessere Leistung wird jedoch mit physiologischen Parameterkombinationen erzielt. Dies verdeutlicht die starke Kopplung zwischen VOC Emission und Blattphysiologie.

Climate impact studies of sediment transport on the Adriatic coastal zone

The study of the impact of climate change on the environment has been based, until very recently, on an global approach, whose interest from a local point of view is very limited. This thesis, on the contrary, has treated the study of the impact of climate change in the Adriatic Sea basin following a twofold strategy of regionalization and integration of numerical models in order to reproduce the present and future scenarios of the system through a more and more realistic and solid approach. In particular the focus of the study was on the impact on the physical environment and on the sediment transport in the basin. This latter is a very new and original issue, to our knowledge still uninvestigated. The study case of the coastal area of Montenegro was particularly studied, since it is characterized by an important supply of sediment through the Buna/Bojana river, second most important in the Adriatic basin in terms of flow. To do this, a methodology to introduce the tidal processes in a baroclinic primitive equations Ocean General Circulation Model was applied and tidal processes were successfully reproduced in the Adriatic Sea, analyzing also the impacts they have on the mean general circulation, on salt and heat transport and on mixing and stratification of the water column in the different seasons of the year. The new hydrodynamical model has been further coupled with a wave model and with a river and sea sediment transport model, showing good results in the reproduction of sediment transport processes. Finally this complex coupled platform was integrated in the period 2001-2030 under the A1B scenario of IPCC, and the impact of climate change on the physical system and on sediment transport was preliminarily evaluated.

Analysis and development of ecologically based approaches to coastal defense

Climate-change related impacts, notably coastal erosion, inundation and flooding from sea level rise and storms, will increase in the coming decades enhancing the risks for coastal populations. Further recourse to coastal armoring and other engineered defenses to address risk reduction will exacerbate threats to coastal ecosystems. Alternatively, protection services provided by healthy ecosystems is emerging as a key element in climate adaptation and disaster risk management. I examined two distinct approaches to coastal defense on the base of their ecological and ecosystem conservation values. First, I analyzed the role of coastal ecosystems in providing services for hazard risk reduction. The value in wave attenuation of coral reefs was quantitatively demonstrated using a meta-analysis approach. Results indicate that coral reefs can provide wave attenuation comparable to hard engineering artificial defenses and at lower costs. Conservation and restoration of existing coral reefs are cost-effective management options for disaster risk reduction. Second, I evaluated the possibility to enhance the ecological value of artificial coastal defense structures (CDS) as habitats for marine communities. I documented the suitability of CDS to support native, ecologically relevant, habitat-forming canopy algae exploring the feasibility of enhancing CDS ecological value by promoting the growth of desired species. Juveniles of Cystoseira barbata can be successfully transplanted at both natural and artificial habitats and not affected by lack of surrounding adult algal individuals nor by substratum orientation. Transplantation success was limited by biotic disturbance from macrograzers on CDS compared to natural habitats. Future work should explore the reasons behind the different ecological functioning of artificial and natural habitats unraveling the factors and mechanisms that cause it. The comprehension of the functioning of systems associated with artificial habitats is the key to allow environmental managers to identify proper mitigation options and to forecast the impact of alternative coastal development plans.

Water-soluble organic compounds in air particulate matter analyzed by HPLC-DAD-MS and HPLC-MS/MS: abundance, sources and transformation of carboxylic acids, nitrophenols and nitrated proteins

Wasserlösliche organische Verbindungen (WSOCs) sind Hauptbestandteile atmosphärischer Aerosole, die bis zu ~ 50% und mehr der organischen Aerosolfraktion ausmachen. Sie können die optischen Eigenschaften sowie die Hygroskopizität von Aerosolpartikeln und damit deren Auswirkungen auf das Klima beeinflussen. Darüber hinaus können sie zur Toxizität und Allergenität atmosphärischer Aerosole beitragen.In dieser Studie wurde Hochleistungsflüssigchromatographie gekoppelt mit optischen Diodenarraydetektion und Massenspektrometrie (HPLC-DAD-MS und HPLC-MS/MS) angewandt, um WSOCs zu analysieren, die für verschiedene Aerosolquellen und -prozesse charakteristisch sind. Niedermolekulare Carbonsäuren und Nitrophenole wurden als Indikatoren für die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Entstehung sowie Alterung sekundärer organischer Aerosole (SOA) aus biogenen Vorläufern untersucht. Protein-Makromoleküle wurden mit Blick auf den Einfluss von Luftverschmutzung und Nitrierungsreaktionen auf die Allergenität primärer biologischer Aerosolpartikel – wie Pollen und Pilzsporen – untersucht.rnFilterproben von Grob- und Feinstaubwurden über ein Jahr hinweg gesammelt und auf folgende WSOCs untersucht: die Pinen-Oxidationsprodukte Pinsäure, Pinonsäure und 3-Methyl-1,2,3-Butantricarbonsäure (3-MBTCA) sowie eine Vielzahl anderer Dicarbonsäuren und Nitrophenole. Saisonale Schwankungen und andere charakteristische Merkmale werden mit Blick auf Aerosolquellen und -senken im Vergleich zu Daten anderen Studien und Regionen diskutiert. Die Verhätlnisse von Adipinsäure und Phthalsäure zu Azelainsäure deuten darauf hin, dass die untersuchten Aerosolproben hauptsächlich durch biogene Quellen beeinflusst werden. Eine ausgeprägte Arrhenius-artige Korrelation wurde zwischen der 3-MBTCA-¬Konzentration und der inversen Temperatur beobachtet (R2 = 0.79, Ea = 126±10 kJ mol-1, Temperaturbereich 275–300 K). Modellrechnungen zeigen, dass die Temperaturabhängigkeit auf eine Steigerung der photochemischen Produktionsraten von 3-MBTCA durch erhöhte OH-Radikal-Konzentrationen bei erhöhten Temperaturen zurückgeführt werden kann. Im Vergleich zur chemischen Reaktionskinetik scheint der Einfluss von Gas-Partikel-Partitionierungseffekten nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Die Ergebnisse zeigen, dass die OH-initiierte Oxidation von Pinosäure der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Bildung von 3-MBTCA ist. 3-MBTCA erscheint somit als Indikator für die chemische Alterung von biogener sekundärer organischer Aerosole (SOA) durch OH-Radikale geeignet. Eine Arrhenius-artige Temperaturabhängigkeit wurde auch für Pinäure beobachtet und kann durch die Temperaturabhängigkeit der biogenen Pinen-Emissionen als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Pinsäure-Bildung erklärt werden (R2 = 0.60, Ea = 84±9 kJ mol-1).rn rnFür die Untersuchung von Proteinnitrierungreaktionen wurde nitrierte Protein¬standards durch Flüssigphasenreaktion von Rinderserumalbumin (BSA) und Ovalbumin (OVA) mit Tetranitromethan (TNM) synthetisiert.Proteinnitrierung erfolgt vorrangig an den Resten der aromatischen Aminosäure Tyrosin auf, und mittels UV-Vis-Photometrie wurde der Proteinnnitrierungsgrad (ND) bestimmt. Dieser ist definiert als Verhältnis der mittleren Anzahl von Nitrotyrosinresten zur Tyrosinrest-Gesamtzahl in den Proteinmolekülen. BSA und OVA zeigten verschiedene Relationen zwischen ND und TNM/Tyrosin-Verhältnis im Reaktionsgemisch, was vermutlich auf Unterschiede in den Löslichkeiten und den molekularen Strukturen der beiden Proteine zurück zu führen ist.rnDie Nitrierung von BSA und OVA durch Exposition mit einem Gasgemisch aus Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) wurde mit einer neu entwickelten HPLC-DAD-¬Analysemethode untersucht. Diese einfache und robuste Methode erlaubt die Bestimmung des ND ohne Hydrolyse oder Verdau der untersuchten Proteine und ernöglicht somit eine effiziente Untersuchung der Kinetik von Protein¬nitrierungs-Reaktionen. Für eine detaillierte Produktstudien wurden die nitrierten Proteine enzymatisch verdaut, und die erhaltenen Oligopeptide wurden mittels HPLC-MS/MS und Datenbankabgleich mit hoher Sequenzübereinstimmung analysiert. Die Nitrierungsgrade individueller Nitrotyrosin-Reste (NDY) korrelierten gut mit dem Gesamt-Proteinnitrierungsgrad (ND), und unterschiedliche Verhältnisse von NDY zu ND geben Aufschluss über die Regioselektivität der Reaktion. Die Nitrierungmuster von BSA und OVA nach Beahndlung mit TNM deuten darauf hin, dass die Nachbarschaft eines negativ geladenen Aminosäurerestes die Tyrosinnitrierung fördert. Die Behandlung von BSA durch NO2 und O3 führte zu anderend Nitrierungemustern als die Behandlung mit TNM, was darauf hindeutet, dass die Regioselektivität der Nitrierung vom Nitrierungsmittel abhängt. Es zeigt sich jedoch, dass Tyrosinreste in Loop-Strukturen bevorzugt und unabhängig vom Reagens nitriert werden.Die Methoden und Ergebnisse dieser Studie bilden eine Grundlage für weitere, detaillierte Untersuchungen der Reaktionskinetik sowie der Produkte und Mechanismen von Proteinnitrierungreaktionen. Sie sollen helfen, die Zusammenhänge zwischen verkehrsbedingten Luftschadstoffen wie Stickoxiden und Ozon und der Allergenität von Luftstaub aufzuklären.rn

Measurement and modeling of cloud condensation nuclei in continental air

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

The drivers and implications of environmental innovations: European evidence at different levels of analysis

The present work is a collection of three essays devoted at understanding the determinants and implications of the adoption of environmental innovations EI by firms, by adopting different but strictly related schumpeterian perspectives. Each of the essays is an empirical analysis that investigates one original research question, formulated to properly fill the gaps that emerged in previous literature, as the broad introduction of this thesis outlines. The first Chapter is devoted at understanding the determinants of EI by focusing on the role that knowledge sources external to the boundaries of the firm, such as those coming from business suppliers or customers or even research organizations, play in spurring their adoption. The second Chapter answers the question on what induces climate change technologies, adopting regional and sectoral lens, and explores the relation among green knowledge generation, inducement in climate change and environmental performances. Chapter 3 analyzes the economic implications of the adoption of EI for firms, and proposes to disentangle EI by different typologies of innovations, such as externality reducing innovations and energy and resource efficient innovations. Each Chapter exploits different dataset and heterogeneous econometric models, that allow a better extension of the results and to overcome the limits that the choice of one dataset with respect to its alternatives engenders. The first and third Chapter are based on an empirical investigation on microdata, i.e. firm level data extracted from innovation surveys. The second Chapter is based on the analysis of patent data in green technologies that have been extracted by the PATSTAT and REGPAT database. A general conclusive Chapter will follow the three essays and will outline how each Chapter filled the research gaps that emerged, how its results can be interpreted, which policy implications can be derived and which are the possible future lines of research in the field.

The development and deployment of FOTOS: a fast observation of trace organics system

Flüchtige organische Bestandteile (engl.: VOC) sind in der Atmosphäre in Spuren vorhanden, spielen aber trotzdem eine wichtige Rolle in der Luftchemie: sie beeinflussen das Ozon der Troposphäre, städtischen Smog, Oxidationskapazität und haben direkte und indirekte Auswirkungen auf die globale Klimaveränderung. Eine wichtige Klasse der VOC sind die Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (engl.: NMHC), die überwiegend von anthropogenen Quellen kommen. Aus diesem Grund ist für Luftchemiker ein Messinstrument nötig, das die VOC, die NMHC eingeschlossen, mit einer höheren Zeitauflösung misst, besonders für Echtzeitmessungen an Bord eines Forschungsflugzeuges. Dafür wurde das System zur schnellen Beobachtung von organischen Spuren (engl.: FOTOS) entworfen, gebaut für den Einsatz in einem neuen Wissenschaftlichen Flugzeug, das in großen Höhen und über weite Strecken fliegt, genannt HALO. In der Folge wurde FOTOS in zwei Messkampagnen am Boden getestet. FOTOS wurde entworfen und gebaut mit einem speziell angefertigten, automatisierten, kryogenen Probensystem mit drei Fallen und einem angepassten, erworbenen schnellen GC-MS. Ziel dieses Aufbaus war es, die Vielseitigkeit zu vergrößern und das Störungspotential zu verringern, deshalb wurden keine chemischen Trocknungsmittel oder adsorbierenden Stoffe verwendet. FOTOS erreichte eine Probenfrequenz von 5.5 Minuten, während es mindestens 13 verschiedene C2- bis C5-NMHC maß. Die Drei-Sigma-Detektionsgrenze für n- und iso-Pentan wurde als 2.6 und 2.0 pptv ermittelt, in dieser Reihenfolge. Labortests bestätigten, dass FOTOS ein vielseitiges, robustes, hochautomatisiertes, präzises, genaues, empfindliches Instrument ist, geeignet für Echtzeitmessungen von VOC in Probenfrequenzen, die angemessen sind für ein Forschungsflugzeug wie HALO. Um die Leistung von FOTOS zu bestätigen, wurde vom 26. Januar bis 4. Februar 2010 ein Zwischenvergleich gemacht mit dem GC-FID-System am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg, einer WMO-GAW-globalen Station. Dreizehn verschiedene NMHC wurden innerhalb des Rahmens der GWA Data Quality Objectives (DQO) analysiert und verglichen. Mehr als 80% der Messungen von sechs C3- bis C5-NMHC erfüllten diese DQO. Diese erste Messkampagne im Feld hob die Robustheit und Messgenauigkeit von FOTOS hervor, zusätzlich zu dem Vorteil der höheren Probenfrequenz, sogar in einer Messung am Boden. Um die Möglichkeiten dieses Instrumentes im Feld zu zeigen, maß FOTOS ausgewählte leichte NMHC während einer Messkampagne im Borealen Waldgebiet, HUMPPA-COPEC 2010. Vom 12. Juli bis zum 12. August 2010 beteiligte sich eine internationale Gruppe von Instituten und Instrumenten an Messungen physikalischer und chemischer Größen der Gas- und Partikelphasen der Luft über dem Borealen Wald an der SMEAR II-Station nahe Hyyttiälä, Finnland. Es wurden mehrere Hauptpunkte von Interesse im Mischungsverhältnis der Alkane und im Isomerenverhätnis von Pentan identifiziert, insbesondere sehr unterschiedliche Perioden niedriger und hoher Variabilität, drei Rauchschwaden von Biomassen-Verbrennung von russischen Waldbränden und zwei Tage mit extrem sauberer Luft aus der Polarregion. Vergleiche der NMHC mit anderen anthropogenen Indikatoren zeigten mehrere Quellen anthropogener Einflüsse am Ort auf und erlaubten eine Unterscheidung zwischen lokalen und weiter entfernten Quellen. Auf einen minimalen natürlichen Beitrag zum 24h-Kreislauf von NOx wurde geschlussfolgert aus der Korrelation von NOx mit Alkanen. Altersschätzungen der Luftmassen durch das Isomerenverhältnis von Pentan wurden erschwert durch sich verändernde Verhältnisse der Quellen und durch Besonderheiten der Photochemie während des Sommers im hohen Norden. Diese Messungen zeigten den Wert des Messens leichter NMHC, selbst in abgelegenen Regionen, als einen zusätzlichen spezifischen Marker von anthropogenem Einfluss.

The Law and Economics of Hedge Fund Regulation: A Comparison between the U.S. and the EU

This doctoral dissertation seeks to assess and address the potential contribution of the hedge fund industry to financial instability. In so doing, the dissertation investigates three main questions. What are the contributions of hedge funds to financial instability? What is the optimal regulatory strategy to address the potential contribution of hedge funds to financial instability? And do new regulations in the U.S. and the EU address the contribution of hedge funds to financial instability? With respect to financial stability concerns, it is argued that despite their benefits, hedge funds can contribute to financial instability. Hedge funds’ size and leverage, their interconnectedness with Large Complex Financial Institutions (LCFIs), and the likelihood of herding behavior in the industry can potentially undermine financial stability. Nonetheless, the data on hedge funds’ size and leverage suggest that these features are far from being systemically important. In contrast, the empirical evidence on the interconnectedness of hedge funds with LCFIs and their herding behavior is mixed. Based on these findings, the thesis focuses on one particular aspect of hedge fund regulation: direct vs. indirect regulation. In this respect, a major contribution of the thesis to the literature consists in the explicit discussion of the relationships between hedge funds and other market participants. Specifically, the thesis locates the domain of the indirect regulation in the inter-linkages between hedge funds and prime brokers. Accordingly, the thesis argues that the indirect regulation is likely to address the contribution of hedge funds to systemic risk without compromising their benefits to financial markets. The thesis further conducts a comparative study of the regulatory responses to the potential contribution of hedge funds to financial instability through studying the EU Directive on Alternative Investment Fund Managers (AIFMD) and the hedge fund-related provisions of the Dodd-Frank Wall Street Reform and Consumer Protection Act of 2010.

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

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

Measurements and modeling of ozone fluxes in and above Norway spruce canopies

Ozon (O3) ist ein wichtiges Oxidierungs- und Treibhausgas in der Erdatmosphäre. Es hat Einfluss auf das Klima, die Luftqualität sowie auf die menschliche Gesundheit und die Vegetation. Ökosysteme, wie beispielsweise Wälder, sind Senken für troposphärisches Ozon und werden in Zukunft, bedingt durch Stürme, Pflanzenschädlinge und Änderungen in der Landnutzung, heterogener sein. Es ist anzunehmen, dass diese Heterogenitäten die Aufnahme von Treibhausgasen verringern und signifikante Rückkopplungen auf das Klimasystem bewirken werden. Beeinflusst wird der Atmosphären-Biosphären-Austausch von Ozon durch stomatäre Aufnahme, Deposition auf Pflanzenoberflächen und Böden sowie chemische Umwandlungen. Diese Prozesse zu verstehen und den Ozonaustausch für verschiedene Ökosysteme zu quantifizieren sind Voraussetzungen, um von lokalen Messungen auf regionale Ozonflüsse zu schließen.rnFür die Messung von vertikalen turbulenten Ozonflüssen wird die Eddy Kovarianz Methode genutzt. Die Verwendung von Eddy Kovarianz Systemen mit geschlossenem Pfad, basierend auf schnellen Chemilumineszenz-Ozonsensoren, kann zu Fehlern in der Flussmessung führen. Ein direkter Vergleich von nebeneinander angebrachten Ozonsensoren ermöglichte es einen Einblick in die Faktoren zu erhalten, die die Genauigkeit der Messungen beeinflussen. Systematische Unterschiede zwischen einzelnen Sensoren und der Einfluss von unterschiedlichen Längen des Einlassschlauches wurden untersucht, indem Frequenzspektren analysiert und Korrekturfaktoren für die Ozonflüsse bestimmt wurden. Die experimentell bestimmten Korrekturfaktoren zeigten keinen signifikanten Unterschied zu Korrekturfaktoren, die mithilfe von theoretischen Transferfunktionen bestimmt wurden, wodurch die Anwendbarkeit der theoretisch ermittelten Faktoren zur Korrektur von Ozonflüssen bestätigt wurde.rnIm Sommer 2011 wurden im Rahmen des EGER (ExchanGE processes in mountainous Regions) Projektes Messungen durchgeführt, um zu einem besseren Verständnis des Atmosphären-Biosphären Ozonaustauschs in gestörten Ökosystemen beizutragen. Ozonflüsse wurden auf beiden Seiten einer Waldkante gemessen, die einen Fichtenwald und einen Windwurf trennt. Auf der straßenähnlichen Freifläche, die durch den Sturm "Kyrill" (2007) entstand, entwickelte sich eine Sekundärvegetation, die sich in ihrer Phänologie und Blattphysiologie vom ursprünglich vorherrschenden Fichtenwald unterschied. Der mittlere nächtliche Fluss über dem Fichtenwald war -6 bis -7 nmol m2 s-1 und nahm auf -13 nmol m2 s-1 um die Mittagszeit ab. Die Ozonflüsse zeigten eine deutliche Beziehung zur Pflanzenverdunstung und CO2 Aufnahme, was darauf hinwies, dass während des Tages der Großteil des Ozons von den Pflanzenstomata aufgenommen wurde. Die relativ hohe nächtliche Deposition wurde durch nicht-stomatäre Prozesse verursacht. Die Deposition über dem Wald war im gesamten Tagesverlauf in etwa doppelt so hoch wie über der Freifläche. Dieses Verhältnis stimmte mit dem Verhältnis des Pflanzenflächenindex (PAI) überein. Die Störung des Ökosystems verringerte somit die Fähigkeit des Bewuchses, als Senke für troposphärisches Ozon zu fungieren. Der deutliche Unterschied der Ozonflüsse der beiden Bewuchsarten verdeutlichte die Herausforderung bei der Regionalisierung von Ozonflüssen in heterogen bewaldeten Gebieten.rnDie gemessenen Flüsse wurden darüber hinaus mit Simulationen verglichen, die mit dem Chemiemodell MLC-CHEM durchgeführt wurden. Um das Modell bezüglich der Berechnung von Ozonflüssen zu evaluieren, wurden gemessene und modellierte Flüsse von zwei Positionen im EGER-Gebiet verwendet. Obwohl die Größenordnung der Flüsse übereinstimmte, zeigten die Ergebnisse eine signifikante Differenz zwischen gemessenen und modellierten Flüssen. Zudem gab es eine klare Abhängigkeit der Differenz von der relativen Feuchte, mit abnehmender Differenz bei zunehmender Feuchte, was zeigte, dass das Modell vor einer Verwendung für umfangreiche Studien des Ozonflusses weiterer Verbesserungen bedarf.rn

Effects of acute temperature increase on performance and survival of Caribbean echinoids

Climate change is occurring at a faster rate than in the past, with an expected increase of mean sea surface temperatures up to 4.8°C by the end of this century. The actual capabilities of marine invertebrates to adapt to these rapid changes has still to be understood. Adult echinoids play a crucial role in the tropical ecosystems where they live. Despite their role, few studies about the effect of temperature increase on their viability have been reported in literature. This thesis work reports a first systematic study on several Caribbean echinoids about their tolerance to temperature rise in the context of global warming. The research - carried out at the Bocas del Toro Station of the Smithsonian Tropical Research Institute, in Panama - focalized on the 6 sea urchins Lytechinus variegatus, L. williamsi, Echinometra lucunter, E. viridis, Tripneustes ventricosus and Eucidaris tribuloides, and the 2 sand dollars Clypeaster rosaceus and C. subdepressus. Mortality and neuromuscular well-being indicators - such as righting response, covering behaviour, adhesion to the substrate, spine and tube feet movements - have been analysed in the temperature range 28-38°C. The righting time RT (i.e., the time necessary for the animal to right itself completely after inversion) measured in the 6 sea urchin species, demonstrated a clearly dependence on the water temperature. The experiments allowed to determine the “thermal safety margin” (TSM) of each species. Echinometra lucunter and E. viridis resulted the most tolerant species to high temperatures with a TSM of 5.5°C, while T. ventricosus was the most vulnerable with a TSM of only 3°C. The study assessed that all the species already live at temperatures close to their upper thermal limit. Their TSMs are comparable to the predicted temperature increase by 2100. In absence of acclimatization to such temperature change, these species could experience severe die-offs, with important consequences for tropical marine ecosystems.

Observations and modeling of the Marginal Ice Zone

Global climate change in recent decades has strongly influenced the Arctic generating pronounced warming accompanied by significant reduction of sea ice in seasonally ice-covered seas and a dramatic increase of open water regions exposed to wind [Stephenson et al., 2011]. By strongly scattering the wave energy, thick multiyear ice prevents swell from penetrating deeply into the Arctic pack ice. However, with the recent changes affecting Arctic sea ice, waves gain more energy from the extended fetch and can therefore penetrate further into the pack ice. Arctic sea ice also appears weaker during melt season, extending the transition zone between thick multi-year ice and the open ocean. This region is called the Marginal Ice Zone (MIZ). In the Arctic, the MIZ is mainly encountered in the marginal seas, such as the Nordic Seas, the Barents Sea, the Beaufort Sea and the Labrador Sea. Formed by numerous blocks of sea ice of various diameters (floes) the MIZ, under certain conditions, allows maritime transportation stimulating dreams of industrial and touristic exploitation of these regions and possibly allowing, in the next future, a maritime connection between the Atlantic and the Pacific. With the increasing human presence in the Arctic, waves pose security and safety issues. As marginal seas are targeted for oil and gas exploitation, understanding and predicting ocean waves and their effects on sea ice become crucial for structure design and for real time safety of operations. The juxtaposition of waves and sea ice represents a risk for personnel and equipment deployed on ice, and may complicate critical operations such as platform evacuations. The risk is difficult to evaluate because there are no long-term observations of waves in ice, swell events are difficult to predict from local conditions, ice breakup can occur on very short time-scales and wave-ice interactions are beyond the scope of current forecasting models [Liu and Mollo-Christensen, 1988,Marko, 2003]. In this thesis, a newly developed Waves in Ice Model (WIM) [Williams et al., 2013a,Williams et al., 2013b] and its related Ocean and Sea Ice model (OSIM) will be used to study the MIZ and the improvements of wave modeling in ice infested waters. The following work has been conducted in collaboration with the Nansen Environmental and Remote Sensing Center and within the SWARP project which aims to extend operational services supporting human activity in the Arctic by including forecast of waves in ice-covered seas, forecast of sea-ice in the presence of waves and remote sensing of both waves and sea ice conditions. The WIM will be included in the downstream forecasting services provided by Copernicus marine environment monitoring service.

Active processes, morphology, and dynamics of icy debris fans: Landform evolution along rapidly degrading escarpments in alpine regions undergoing recent deglaciation

In the past few decades the impacts of climate warming have been significant in alpine glaciated regions. Many valley glaciers formerly linked as distributary glaciers to high-level icecaps have decoupled at their icefalls, exposing major escarpments and generating a suite of dynamic landforrns dominated by mass wasting. Ice-dominated landforms, here termed icy debris fans, develop rapidly by ice avalanching, rockfall, and icy debris flow. Field-based reconnaissance studies at two alpine settings, the Wrangell Mountains of Alaska and the Southern Alps of New Zealand, provide a preliminary morphogenetic model of spatial and temporal evolution of icy debris fans in a range of alpine settings. The influence of these processes on landform evolution is largely unrecognized in the literature dealing with post-glacial landform adjustment known as the paraglacial. A better understanding of these dynamic processes will be increasingly important because of the extreme geohazards characterizing these areas. Our field studies show that after glacier decoupling, icy debris fans begin to form along the base of bedrock escarpments at the mouths of catchments and prograde over valley glaciers. The presence of a distinct catchment, apex, and fan morphology distinguishes these landforms from other landforms common in periglacial hillslope settings receiving abundant clastic debris and ice. Ice avalanching is the most abundant process involved in icy debris fan formation. Fans developed below weakly incised catchments are dominated by ice avalanching and are composed primarily of ice with minor lithic detritus. Typically, avalanches fall into the fan catchments where sediments transform into grainflows that flow onto the fans. Once on the fans, avalanche deposits ablate rapidly, flattening and concentrating lithic fragments at the surface. Icy debris fans may become thick enough to become glaciers with splay crevasse systems. Fans developed below larger, more complex catchments are composed of higher proportions of lithic detritus resulting from temporary storage of ice and lithic detritus deposits within the catchment. Episodic outbursts of meltwater from the icecap may mix with the stored sediments and mobilize icy debris flows (mixture of ice and lithic clasts) onto the fans. Our observations indicate that the entire evolutionary cycle of icy debris fans probably occurs during an early paraglacial interval (i.e., decades to 100 years). Observations comparing avalanche frequency, volume, and fan morphologic evolution at the Alaska site between 2006 and 2010 illustrate complex response between icy debris fans even within the same cirque - where one fan may be growing while others are downwasting because of differences in ice supply controlled by their respective catchments and icecap contributions. As ice supply from the icecap diminishes through time, icy debris fans rapidly downwaste and eventually evolve into talus cones that receive occasional but ephemeral ice avalanches.