Crashworthiness and composite materials: development of an experimental test method for the energy absorption determination and implementation of the relative numerical model

In this PhD thesis the crashworthiness topic is studied with the perspective of the development of a small-scale experimental test able to characterize a material in terms of energy absorption. The material properties obtained are then used to validate a nu- merical model of the experimental test itself. Consequently, the numerical model, calibrated on the specific ma- terial, can be extended to more complex structures and used to simulate their energy absorption behavior. The experimental activity started at University of Washington in Seattle, WA (USA) and continued at Second Faculty of Engi- neering, University of Bologna, Forl`ı (Italy), where the numerical model for the simulation of the experimental test was implemented and optimized.

The Mavuradonha Layered Complex

Der Mavuradonha Layered Complex repräsentiert einen 862 ? 4 Ma alten Komplex, der in einem tiefkrustalen Milieu intrudierte. Eine mehrphasige magmatische Differentiation ist in macro-rhythmischen Einheiten und kleinmaßstäblichen Lagenbau erkennbar, aus denen die Kristallisationssequenzen Pyroxenite, Gabbros/Norite, Leuko-Gabbros oder Ferro-Gabbro und Anorthosite resultieren. ?Nd-Werte zwischen + 0.3 und + 6.6 zeigen krustale Kontamination eines aus dem verarmten Mantel stammenden, tholeiitischen Ursprungsmagma an. ?Nd-Werte (+ 2.4 bis - 3.5) anderer tholeiitischer Gabbros in unmittelbarer Nähe des Komplexes deuten ebenfalls auf Krustenkontamination hin, jedoch in stärkerem Maße.Der Komplex wurde um 554 ? 13 Ma unter granulitfaziellen Bedingungen von 13 ? 2 kbar und 840 ? 30° C überprägt. Die anschließende retrograde, amphibolitfazielle Metamorphose mit Bedingungen von 11 ? 2 kbar und 680 ? 20° C ereignete sich um 546 ? 9 Ma. Abkühlung bis zur Grünschieferfazies erfolgte spätestens um 501 ? 6 Ma.Die vorgestellten Daten zeigen, dass sich der Sambesi-Gürtel im NE Simbabwes als fehlgeschlagenes Rift oder intrakratonisches Becken während einer frühen Pan-Afrikanischen Extensionsphase entwickelte, während die granulitfazielle Metamorphose um 300 Ma später erfolgte. Somit deutet die Intrusion des Mavuradonha Layered Complex rift-bedingten Magmatismus in einer frühen Riftphase an, während das Becken oder Rift während der Pan-Afrikanischen Orogenese geschlossen wurde.

Ecological modelling of the phytoplankton dynamics in the northern Gulf of Aqaba (Red Sea)

The Gulf of Aqaba represents a small scale, easy to access, regional analogue of larger oceanic oligotrophic systems. In this Gulf, the seasonal cycles of stratification and mixing drives the seasonal phytoplankton dynamics. In summer and fall, when nutrient concentrations are very low, Prochlorococcus and Synechococcus are more abundant in the surface water. This two populations are exposed to phosphate limitation. During winter mixing, when nutrient concentrations are high, Chlorophyceae and Cryptophyceae are dominant but scarce or absent during summer. In this study it was tried to develop a simulation model based on historical data to predict the phytoplankton dynamics in the northern Gulf of Aqaba. The purpose is to understand what forces operate, and how, to determine the phytoplankton dynamics in this Gulf. To make the models data sampled in two different sampling station (Fish Farm Station and Station A) were used. The data of chemical, biological and physical factors, are available from 14th January 2007 to 28th December 2009. The Fish Farm Station point was near a Fish Farm that was operational until 17th June 2008, complete closure date of the Fish Farm, about halfway through the total sampling time. The Station A sampling point is about 13 Km away from the Fish Farm Station. To build the model, the MATLAB software was used (version 7.6.0.324 R2008a), in particular a tool named Simulink. The Fish Farm Station models shows that the Fish Farm activity has altered the nutrient concentrations and as a consequence the normal phytoplankton dynamics. Despite the distance between the two sampling stations, there might be an influence from the Fish Farm activities also in the Station A ecosystem. The models about this sampling station shows that the Fish Farm impact appears to be much lower than the impact in the Fish Farm Station, because the phytoplankton dynamics appears to be driven mainly by the seasonal mixing cycle.

Model predictive flight control systems for rotorcraft UAS

Constraints are widely present in the flight control problems: actuators saturations or flight envelope limitations are only some examples of that. The ability of Model Predictive Control (MPC) of dealing with the constraints joined with the increased computational power of modern calculators makes this approach attractive also for fast dynamics systems such as agile air vehicles. This PhD thesis presents the results, achieved at the Aerospace Engineering Department of the University of Bologna in collaboration with the Dutch National Aerospace Laboratories (NLR), concerning the development of a model predictive control system for small scale rotorcraft UAS. Several different predictive architectures have been evaluated and tested by means of simulation, as a result of this analysis the most promising one has been used to implement three different control systems: a Stability and Control Augmentation System, a trajectory tracking and a path following system. The systems have been compared with a corresponding baseline controller and showed several advantages in terms of performance, stability and robustness.

Magnetic fields around radio galaxies from Faraday rotation measure analysis

The purpose of this thesis is to investigate the strength and structure of the magnetized medium surrounding radio galaxies via observations of the Faraday effect. This study is based on an analysis of the polarization properties of radio galaxies selected to have a range of morphologies (elongated tails, or lobes with small axial ratios) and to be located in a variety of environments (from rich cluster core to small group). The targets include famous objects like M84 and M87. A key aspect of this work is the combination of accurate radio imaging with high-quality X-ray data for the gas surrounding the sources. Although the focus of this thesis is primarily observational, I developed analytical models and performed two- and three-dimensional numerical simulations of magnetic fields. The steps of the thesis are: (a) to analyze new and archival observations of Faraday rotation measure (RM) across radio galaxies and (b) to interpret these and existing RM images using sophisticated two and three-dimensional Monte Carlo simulations. The approach has been to select a few bright, very extended and highly polarized radio galaxies. This is essential to have high signal-to-noise in polarization over large enough areas to allow computation of spatial statistics such as the structure function (and hence the power spectrum) of rotation measure, which requires a large number of independent measurements. New and archival Very Large Array observations of the target sources have been analyzed in combination with high-quality X-ray data from the Chandra, XMM-Newton and ROSAT satellites. The work has been carried out by making use of: 1) Analytical predictions of the RM structure functions to quantify the RM statistics and to constrain the power spectra of the RM and magnetic field. 2) Two-dimensional Monte Carlo simulations to address the effect of an incomplete sampling of RM distribution and so to determine errors for the power spectra. 3) Methods to combine measurements of RM and depolarization in order to constrain the magnetic-field power spectrum on small scales. 4) Three-dimensional models of the group/cluster environments, including different magnetic field power spectra and gas density distributions. This thesis has shown that the magnetized medium surrounding radio galaxies appears more complicated than was apparent from earlier work. Three distinct types of magnetic-field structure are identified: an isotropic component with large-scale fluctuations, plausibly associated with the intergalactic medium not affected by the presence of a radio source; a well-ordered field draped around the front ends of the radio lobes and a field with small-scale fluctuations in rims of compressed gas surrounding the inner lobes, perhaps associated with a mixing layer.

Magma injections and destabilization of basaltic volcanoes: a numerical study. Application to La Reunion (Indian ocean, France) and Stromboli (Tyrrhenian sea, Italy)

Most basaltic volcanoes are affected by recurrent lateral instabilities during their evolution. Numerous factors have been shown to be involved in the process of flank destabilization occurring over long periods of time or by instantaneous failures. However, the role of these factors on the mechanical behaviour and stability of volcanic edifices is poorly-constrained as lateral failure usually results from the combined effects of several parameters. Our study focuses on the morphological and structural comparison of two end-member basaltic systems, La Reunion (Indian ocean, France) and Stromboli (southern Tyrrhenian sea, Italy). We showed that despite major differences on their volumes and geodynamic settings, both systems present some similarities as they are characterized by an intense intrusive activity along well-developed rift zones and recurrent phenomena of flank collapse during their evolution. Among the factors of instability, the examples of la Reunion and Stromboli evidence the major contribution of intrusive complexes to volcano growth and destruction as attested by field observations and the monitoring of these active volcanoes. Classical models consider the relationship between vertical intrusions of magma and flank movements along a preexisting sliding surface. A set of published and new field data from Piton des Neiges volcano (La Reunion) allowed us to recognize the role of subhorizontal intrusions in the process of flank instability and to characterize the geometry of both subvertical and subhorizontal intrusions within basaltic edifices. This study compares the results of numerical modelling of the displacements associated with high-angle and low-angle intrusions within basaltic volcanoes. We use a Mixed Boundary Element Method to investigate the mechanical response of an edifice to the injection of magmatic intrusions in different stress fields. Our results indicate that the anisotropy of the stress field favours the slip along the intrusions due to cointrusive shear stress, generating flank-scale displacements of the edifice, especially in the case of subhorizontal intrusions, capable of triggering large-scale flank collapses on basaltic volcanoes. Applications of our theoretical results to real cases of flank displacements on basaltic volcanoes (such as the 2007 eruptive crisis at La Reunion and Stromboli) revealed that the previous model of subvertical intrusions-related collapse is a likely mechanism affecting small-scale steeply-sloping basaltic volcanoes like Stromboli. Furthermore, our field study combined to modelling results confirms the importance of shallow-dipping intrusions in the morpho-structural evolution of large gently-sloping basaltic volcanoes like Piton de la Fournaise, Etna and Kilauea, with particular regards to flank instability, which can cause catastrophic tsunamis.

Frugivores, seed dispersal and tree regeneration along a human disturbance gradient in East African tropical rainforests

Samenausbreitung und Regeneration von Bäumen sind wichtig für den langfristigen Bestand von Baum- und Frugivorengemeinschaften in tropischen Regenwäldern. Zunehmende Rohdung und Degradation gefährden den Ablauf dieser mutualistischen Prozesse in diesem Ökosystem. Um den Einfluss von kleinräumiger menschlicher Störung auf die Frugivorengemeinschaft und die zentralen Ökosystemprozesse Samenausbreitung und Regeneration zu erforschen, habe ich 1) die Frugivorengemeinschaft und die Samenausbreitungsrate von Celtis durandii (Ulmaceae) und 2) den Zusammenhang zwischen Baumarten mit fleischigen Früchten, Frugivoren und der Etablierung von Keimlingen dieser Baumarten in unterschiedlich stark gestörten Flächen dreier ostafrikanischer tropischer Regenwälder untersucht. Insgesamt konnte ich 40 frugivore Vogel- und Primatenarten in den drei untersuchten Waldgebieten nachweisen. Auf gering gestörten Flächen wurden mehr Frugivore als auf stark gestörten Flächen aufgenommen. Auch die Beobachtungen an C. durandii ergaben mehr frugivore Besucher in Bäumen auf gering gestörten als auf stark gestörten Flächen. Dies führte zu einer marginal signifikant höheren Samenausbreitungsrate auf den gering gestörten Flächen. Diese Ergebnisse waren auf regionaler Ebene in allen drei untersuchten Wäldern konsistent. Dies zeigt, dass kleinräumige Störung einen umfassenderen negativen Einfluss auf Frugivore und ihre Funktion als Samenausbreiter hat als zuvor angenommen. Bei der Vegetationserfassung nahm ich 131 verschiedene Baumarten mit fleischigen Früchten in den drei Regenwäldern auf. Kleinräumige menschliche Störung erhöhte den Artenreichtum dieser Baumarten marginal signifikant, hatte jedoch keinen direkten Einfluss auf die Frugivorendichte und den Artenreichtum von Keimlingen dieser Baumarten. Der Artenreichtum von Baumarten mit fleischigen Früchten zeigte einen marginal signifikant positiven Einfluss auf die Frugivorendichte, allerdings nicht auf die Keimlinge. Allerdings führte die Dichte der Frugivoren zu signifikant erhöhtem Artenreichtum der Keimlinge. Folglich scheint kleinräumige Störung die Keimlingsetablierung indirekt durch erhöhten Baumartenreichtum und erhöhte Frugivorendichte zu beeinflussen. Die Frugivorendichte hatte einen größeren Einfluss auf die Waldregeneration als kleinräumige Störung und Baumartenreichtum. Demnach scheint kleinräumige menschliche Störung sowohl positive als auch negative Effekte auf Samenausbreitung und Regeneration zu haben. Somit sind weitere Studien notwendig, die den Einfluss von kleinräumiger menschlicher Störung auf Mutualismen tropischer Regenwälder aufklären.

Modeling of deep-convective

Deep convection by pyro-cumulonimbus clouds (pyroCb) can transport large amounts of forest fire smoke into the upper troposphere and lower stratosphere. Here, results from numerical simulations of such deep convective smoke transport are presented. The structure, shape and injection height of the pyroCb simulated for a specific case study are in good agreement with observations. The model results confirm that substantial amounts of smoke are injected into the lower stratosphere. Small-scale mixing processes at the cloud top result in a significant enhancement of smoke injection into the stratosphere. Sensitivity studies show that the release of sensible heat by the fire plays an important role for the dynamics of the pyroCb. Furthermore, the convection is found to be very sensitive to background meteorological conditions. While the abundance of aerosol particles acting as cloud condensation nuclei (CCN) has a strong influence on the microphysical structure of the pyroCb, the CCN effect on the convective dynamics is rather weak. The release of latent heat dominates the overall energy budget of the pyroCb. Since most of the cloud water originates from moisture entrained from the background atmosphere, the fire-released moisture contributes only minor to convection dynamics. Sufficient fire heating, favorable meteorological conditions, and small-scale mixing processes at the cloud top are identified as the key ingredients for troposphere-to-stratosphere transport by pyroCb convection.

Satellite and in situ data integrated analysis to study the upper ocean an coastal environment of the Italian seas

The thesis objectives are to develop new methodologies for study of the space and time variability of Italian upper ocean ecosystem through the combined use of multi-sensors satellite data and in situ observations and to identify the capability and limits of remote sensing observations to monitor the marine state at short and long time scales. Three oceanographic basins have been selected and subjected to different types of analyses. The first region is the Tyrrhenian Sea where a comparative analysis of altimetry and lagrangian measurements was carried out to study the surface circulation. The results allowed to deepen the knowledge of the Tyrrhenian Sea surface dynamics and its variability and to defined the limitations of satellite altimetry measurements to detect small scale marine circulation features. Channel of Sicily study aimed to identify the spatial-temporal variability of phytoplankton biomass and to understand the impact of the upper ocean circulation on the marine ecosystem. An combined analysis of the satellite of long term time series of chlorophyll, Sea Surface Temperature and Sea Level field data was applied. The results allowed to identify the key role of the Atlantic water inflow in modulating the seasonal variability of the phytoplankton biomass in the region. Finally, Italian coastal marine system was studied with the objective to explore the potential capability of Ocean Color data in detecting chlorophyll trend in coastal areas. The most appropriated methodology to detect long term environmental changes was defined through intercomparison of chlorophyll trends detected by in situ and satellite. Then, Italian coastal areas subject to eutrophication problems were identified. This work has demonstrated that satellites data constitute an unique opportunity to define the features and forcing influencing the upper ocean ecosystems dynamics and can be used also to monitor environmental variables capable of influencing phytoplankton productivity.

Numerical investigation of turbulent/non-turbulent interface

The subject of this work is the diffusion of turbulence in a non-turbulent flow. Such phenomenon can be found in almost every practical case of turbulent flow: all types of shear flows (wakes, jet, boundary layers) present some boundary between turbulence and the non-turbulent surround; all transients from a laminar flow to turbulence must account for turbulent diffusion; mixing of flows often involve the injection of a turbulent solution in a non-turbulent fluid. The mechanism of what Phillips defined as “the erosion by turbulence of the underlying non-turbulent flow”, is called entrainment. It is usually considered to operate on two scales with different mechanics. The small scale nibbling, which is the entrainment of fluid by viscous diffusion of turbulence, and the large scale engulfment, which entraps large volume of flow to be “digested” subsequently by viscous diffusion. The exact role of each of them in the overall entrainment rate is still not well understood, as it is the interplay between these two mechanics of diffusion. It is anyway accepted that the entrainment rate scales with large properties of the flow, while is not understood how the large scale inertial behavior can affect an intrinsically viscous phenomenon as diffusion of vorticity. In the present work we will address then the problem of turbulent diffusion through pseudo-spectral DNS simulations of the interface between a volume of decaying turbulence and quiescent flow. Such simulations will give us first hand measures of velocity, vorticity and strains fields at the interface; moreover the framework of unforced decaying turbulence will permit to study both spatial and temporal evolution of such fields. The analysis will evidence that for this kind of flows the overall production of enstrophy , i.e. the square of vorticity omega^2 , is dominated near the interface by the local inertial transport of “fresh vorticity” coming from the turbulent flow. Viscous diffusion instead plays a major role in enstrophy production in the outbound of the interface, where the nibbling process is dominant. The data from our simulation seems to confirm the theory of an inertially stirred viscous phenomenon proposed by others authors before and provides new data about the inertial diffusion of turbulence across the interface.

Verifikation der Niederschlagsvorhersage für Deutschland von 2001 - 2004

Die Verifikation numerischer Modelle ist für die Verbesserung der Quantitativen Niederschlagsvorhersage (QNV) unverzichtbar. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von neuen Methoden zur Verifikation der Niederschlagsvorhersagen aus dem regionalen Modell der MeteoSchweiz (COSMO-aLMo) und des Globalmodells des Europäischen Zentrums für Mittelfristvorhersage (engl.: ECMWF). Zu diesem Zweck wurde ein neuartiger Beobachtungsdatensatz für Deutschland mit stündlicher Auflösung erzeugt und angewandt. Für die Bewertung der Modellvorhersagen wurde das neue Qualitätsmaß „SAL“ entwickelt. Der neuartige, zeitlich und räumlich hoch-aufgelöste Beobachtungsdatensatz für Deutschland wird mit der während MAP (engl.: Mesoscale Alpine Program) entwickelten Disaggregierungsmethode erstellt. Die Idee dabei ist, die zeitlich hohe Auflösung der Radardaten (stündlich) mit der Genauigkeit der Niederschlagsmenge aus Stationsmessungen (im Rahmen der Messfehler) zu kombinieren. Dieser disaggregierte Datensatz bietet neue Möglichkeiten für die quantitative Verifikation der Niederschlagsvorhersage. Erstmalig wurde eine flächendeckende Analyse des Tagesgangs des Niederschlags durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass im Winter kein Tagesgang existiert und dies vom COSMO-aLMo gut wiedergegeben wird. Im Sommer dagegen findet sich sowohl im disaggregierten Datensatz als auch im COSMO-aLMo ein deutlicher Tagesgang, wobei der maximale Niederschlag im COSMO-aLMo zu früh zwischen 11-14 UTC im Vergleich zu 15-20 UTC in den Beobachtungen einsetzt und deutlich um das 1.5-fache überschätzt wird. Ein neues Qualitätsmaß wurde entwickelt, da herkömmliche, gitterpunkt-basierte Fehlermaße nicht mehr der Modellentwicklung Rechnung tragen. SAL besteht aus drei unabhängigen Komponenten und basiert auf der Identifikation von Niederschlagsobjekten (schwellwertabhängig) innerhalb eines Gebietes (z.B. eines Flusseinzugsgebietes). Berechnet werden Unterschiede der Niederschlagsfelder zwischen Modell und Beobachtungen hinsichtlich Struktur (S), Amplitude (A) und Ort (L) im Gebiet. SAL wurde anhand idealisierter und realer Beispiele ausführlich getestet. SAL erkennt und bestätigt bekannte Modelldefizite wie das Tagesgang-Problem oder die Simulation zu vieler relativ schwacher Niederschlagsereignisse. Es bietet zusätzlichen Einblick in die Charakteristiken der Fehler, z.B. ob es sich mehr um Fehler in der Amplitude, der Verschiebung eines Niederschlagsfeldes oder der Struktur (z.B. stratiform oder kleinskalig konvektiv) handelt. Mit SAL wurden Tages- und Stundensummen des COSMO-aLMo und des ECMWF-Modells verifiziert. SAL zeigt im statistischen Sinne speziell für stärkere (und damit für die Gesellschaft relevante Niederschlagsereignisse) eine im Vergleich zu schwachen Niederschlägen gute Qualität der Vorhersagen des COSMO-aLMo. Im Vergleich der beiden Modelle konnte gezeigt werden, dass im Globalmodell flächigere Niederschläge und damit größere Objekte vorhergesagt werden. Das COSMO-aLMo zeigt deutlich realistischere Niederschlagsstrukturen. Diese Tatsache ist aufgrund der Auflösung der Modelle nicht überraschend, konnte allerdings nicht mit herkömmlichen Fehlermaßen gezeigt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden sind sehr nützlich für die Verifikation der QNV zeitlich und räumlich hoch-aufgelöster Modelle. Die Verwendung des disaggregierten Datensatzes aus Beobachtungen sowie SAL als Qualitätsmaß liefern neue Einblicke in die QNV und lassen angemessenere Aussagen über die Qualität von Niederschlagsvorhersagen zu. Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten für SAL gibt es hinsichtlich der Verifikation der neuen Generation von numerischen Wettervorhersagemodellen, die den Lebenszyklus hochreichender konvektiver Zellen explizit simulieren.

Applications of remote sensing and geographic information systems in geomorphological studies: Safaga - El Quseir area, Red Sea coast, Egypt as an example

In den letzten drei Jahrzehnten sind Fernerkundung und GIS in den Geowissenschaften zunehmend wichtiger geworden, um die konventionellen Methoden von Datensammlung und zur Herstellung von Landkarten zu verbessern. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Anwendung von Fernerkundung und geographischen Informationssystemen (GIS) für geomorphologische Untersuchungen. Durch die Kombination beider Techniken ist es vor allem möglich geworden, geomorphologische Formen im Überblick und dennoch detailliert zu erfassen. Als Grundlagen werden in dieser Arbeit topographische und geologische Karten, Satellitenbilder und Klimadaten benutzt. Die Arbeit besteht aus 6 Kapiteln. Das erste Kapitel gibt einen allgemeinen Überblick über den Untersuchungsraum. Dieser umfasst folgende morphologische Einheiten, klimatischen Verhältnisse, insbesondere die Ariditätsindizes der Küsten- und Gebirgslandschaft sowie das Siedlungsmuster beschrieben. Kapitel 2 befasst sich mit der regionalen Geologie und Stratigraphie des Untersuchungsraumes. Es wird versucht, die Hauptformationen mit Hilfe von ETM-Satellitenbildern zu identifizieren. Angewandt werden hierzu folgende Methoden: Colour Band Composite, Image Rationing und die sog. überwachte Klassifikation. Kapitel 3 enthält eine Beschreibung der strukturell bedingten Oberflächenformen, um die Wechselwirkung zwischen Tektonik und geomorphologischen Prozessen aufzuklären. Es geht es um die vielfältigen Methoden, zum Beispiel das sog. Image Processing, um die im Gebirgskörper vorhandenen Lineamente einwandfrei zu deuten. Spezielle Filtermethoden werden angewandt, um die wichtigsten Lineamente zu kartieren. Kapitel 4 stellt den Versuch dar, mit Hilfe von aufbereiteten SRTM-Satellitenbildern eine automatisierte Erfassung des Gewässernetzes. Es wird ausführlich diskutiert, inwieweit bei diesen Arbeitsschritten die Qualität kleinmaßstäbiger SRTM-Satellitenbilder mit großmaßstäbigen topographischen Karten vergleichbar ist. Weiterhin werden hydrologische Parameter über eine qualitative und quantitative Analyse des Abflussregimes einzelner Wadis erfasst. Der Ursprung von Entwässerungssystemen wird auf der Basis geomorphologischer und geologischer Befunde interpretiert. Kapitel 5 befasst sich mit der Abschätzung der Gefahr episodischer Wadifluten. Die Wahrscheinlichkeit ihres jährlichen Auftretens bzw. des Auftretens starker Fluten im Abstand mehrerer Jahre wird in einer historischen Betrachtung bis 1921 zurückverfolgt. Die Bedeutung von Regentiefs, die sich über dem Roten Meer entwickeln, und die für eine Abflussbildung in Frage kommen, wird mit Hilfe der IDW-Methode (Inverse Distance Weighted) untersucht. Betrachtet werden außerdem weitere, regenbringende Wetterlagen mit Hilfe von Meteosat Infrarotbildern. Genauer betrachtet wird die Periode 1990-1997, in der kräftige, Wadifluten auslösende Regenfälle auftraten. Flutereignisse und Fluthöhe werden anhand von hydrographischen Daten (Pegelmessungen) ermittelt. Auch die Landnutzung und Siedlungsstruktur im Einzugsgebiet eines Wadis wird berücksichtigt. In Kapitel 6 geht es um die unterschiedlichen Küstenformen auf der Westseite des Roten Meeres zum Beispiel die Erosionsformen, Aufbauformen, untergetauchte Formen. Im abschließenden Teil geht es um die Stratigraphie und zeitliche Zuordnung von submarinen Terrassen auf Korallenriffen sowie den Vergleich mit anderen solcher Terrassen an der ägyptischen Rotmeerküste westlich und östlich der Sinai-Halbinsel.

Räumliche Verbreitung geogener Schwermetallgehalte in Böden des Taunus: Einfluss von periglazialer Deckschichtengenese

Während der Glazialphasen kam es in den europäischen Mittelgebirgen bedingt durch extensive solifluidale Massenbewegungen zur Bildung von Deckschichten. Diese Deckschichten repräsentieren eine Mischung verschiedener Substrate, wie anstehendes Ausgangsgestein, äolische Depositionen und lokale Erzgänge. Die räumliche Ausdehnung der Metallkontaminationen verursacht durch kleinräumige Erzgänge wird durch die periglaziale Solifluktion verstärkt. Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war a) den Zusammenhang zwischen den Reliefeigenschaften und den Ausprägungen der solifluidalen Deckschichten und Böden aufzuklären, sowie b) mittels Spurenelementgehalte und Blei-Isotopen-Verhältnisse als Eingangsdaten für Mischungsmodelle die Beitrage der einzelnen Substrate zum Ausgangsmaterial der Bodenbildung zu identifizieren und quantifizieren und c) die räumliche Verteilung von Blei (Pb) in Deckschichten, die über Bleierzgänge gewandert sind, untersucht, die Transportweite des erzbürtigen Bleis berechnet und die kontrollierenden Faktoren der Transportweite bestimmt werden. Sechs Transekte im südöstlichen Rheinischen Schiefergebirge, einschließlich der durch periglaziale Solifluktion entwickelten Böden, wurden untersucht. Die bodenkundliche Geländeaufnahme erfolgte nach AG Boden (2005). O, A, B und C-Horizontproben wurden auf ihre Spurenelementgehalte und teilweise auf ihre 206Pb/207Pb-Isotopenverhältnisse analysiert. Die steuernden Faktoren der Verteilung und Eigenschaften periglazialer Deckschichten sind neben der Petrographie, Reliefeigenschaften wie Exposition, Hangneigung, Hangposition und Krümmung. Die Reliefanalyse zeigt geringmächtige Deckschichten in divergenten, konvexen Hangbereichen bei gleichzeitig hohem Skelettgehalt. In konvergent, konkaven Hangbereichen nimmt die Deckschichtenmächtigkeit deutlich zu, bei gleichzeitig zunehmendem Lösslehm- und abnehmendem Skelettgehalt. Abhängig von den Reliefeigenschaften und -positionen reichen die ausgeprägten Bodentypen von sauren Braunerden bis hin zu Pseudogley-Parabraunerden. Des Weiteren kommen holozäne Kolluvien in eher untypischen Reliefpositionen wie langgestreckten, kaum geneigten Hangbereichen oder Mittelhangbereichen vor. Außer für Pb bewegen sich die Spurenelementgehalte im Rahmen niedriger Hintergrundgehalte. Die Pb-Gehalte liegen zwischen 20-135 mg kg-1. Abnehmende Spurenelementgehalte und Isotopensignaturen (206Pb/207Pb-Isotopenverhältnisse) von Pb zeigen, dass nahezu kein Pb aus atmosphärischen Depositionen in die B-Horizonte verlagert wurde. Eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) der Spurenelementgehalte hat vier Hauptsubstratquellen der untersuchten B-Horizonte identifiziert (Tonschiefer, Löss, Laacher-See-Tephra [LST] und lokale Pb-Erzgänge). Mittels 3-Komponenten-Mischungsmodell, das Tonschiefer, Löss und LST einschloss, konnten, bis auf 10 Ausreißer, die Spurenelementgehalte aller 120 B-Horizontproben erklärt werden. Der Massenbeitrag des Pb-Erzes zur Substratmischung liegt bei <0,1%. Die räumliche Pb-Verteilung zeigt Bereiche lokaler Pb-Gehaltsmaxima hangaufwärtiger Pb-Erzgänge. Mittels eines 206Pb/207Pb-Isotopenverhältnis-Mischungsmodells konnten 14 Bereiche erhöhter lokaler Pb-Gehaltsmaxima ausgewiesen werden, die 76-100% erzbürtigen Bleis enthalten. Mit Hilfe eines Geographischen Informationssystems wurden die Transportweiten des erzbürtigen Bleis mit 30 bis 110 m bestimmt. Die steuerenden Faktoren der Transportweite sind dabei die Schluffkonzentration und die Vertikalkrümmung. Diese Untersuchung zeigt, dass Reliefeigenschaften und Reliefposition einen entscheidenden Einfluss auf die Ausprägung der Deckschichten und Böden im europäischen Mittelgebirgsbereich haben. Mischungsmodelle in Kombination mit Spurenelementanalysen und Isotopenverhältnissen stellen ein wichtiges Werkzeug zur Bestimmung der Beiträge der einzelnen Glieder in Bodensubstratmischungen dar. Außerdem können lokale Bleierzgänge die natürlichen Pb-Gehalte in Böden, entwickelt in periglazialen Deckschichten der letzten Vereisungsphase (Würm), bis über 100 m Entfernung erhöhen.

Muster und Prozesse in einer Microcebus-Hybridzone in Südostmadagaskar

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde in zwei Schwerpunktanalysen mit eine Teil- und Gesamtdatensatz die Untersuchung der Hybridisierung zwischen den beiden Microcebus-Arten M. murinus und M. griseorufus im Ökoton Südostmadagaskars umfangreich und vertieft untersucht. Für die genetischen Analysen wurden die maternal vererbte mitochondriale Hypervariable Region I (HVR 1) und neun nukleäre biparental vererbte Mikrosatellitenmarker eingesetzt. Als weiterer Datensatz wurden morphometrische Daten verwendet. Für die erste Schwerpunktanalyse wurde ein bereits vorhandener Teildatensatz (Hapke 2005 & Gligor 2006) mit Daten von insgesamt 162 Individuen aus neun Populationen der Dornbuschzone, der Übergangswaldzone und des Küstenwaldgebietes eingesetzt. In der zweiten Schwerpunktanalyse wurde eine umfangreiche Untersuchung der Microcebus griseoruus-M. murinus- Hybridzone vorgenommen. Für diese detaillierte Charakterisierung der Hybridzone wurde eine ausgedehnte und fein auflösende Probennahme in einem als Kernzone definierten Bereich, der die gesamte Übergangswaldzone und die dazu benachbarten Dornbuschgebiete umfasste, durchgeführt. Die morphometrischen und genetischen Daten der neu beprobten Individuen dieser Kernzone wurden mit den Daten des Teildatensatzes und weiteren Daten aus Küstenwaldpopulationen (Hapke 2005) zu einem Gesamtdatensatz zusammengefasst. Die Integration des Teildatensatzes in den Gesamtdatensatz erforderte umfassende und zeitintensive Labor- und Analysearbeiten, die im Rahmen dieser Doktorarbeit durchgeführt wurden. Der Gesamtdatensatz umfasste insgesamt 569 Individuen der Gattung Microcebus aus 29 Untersuchungsstandorten. Die mit beiden Datensätzen durchgeführte Analyse morphometrischer Daten zeigte deutlich, dass die Mehrzahl der Individuen aus der Übergangswaldzone einen intermediären Morphotyp aufweist. Durch die mit den Daten des Teildatensatzes durchgeführten Bayes’schen Clusteranalysen und Assignment-Tests, das vornehmlich in den Populationen der Übergangszone beobachtete signifikante Kopplungsungleichgewicht und Heterozygotendefizit, die festgestellte Verteilung der mitochondrialen Haplotypen und das kontrastierende Muster zwischen nukleären Mikrosatellitengenotypen und mitochondrialen Haplotypen in den Übergangswaldpopulationen konnte erstmals das Vorkommen einer Hybridzone zwischen Microcebus-Arten wissenschaftlich fundiert festgestellt werden. Die Ergebnisse dieser Schwerpunktanalyse wurden in der Fachzeitschrift Molecular Ecology publiziert (Gligor et al. 2009). Die in der ersten Schwerpunktanalyse festgestellte Hybridzone konnte durch die zweite Schwerpunktanalyse mit den genetischen und morphometrischen Daten des Gesamtdatensatzes nicht nur bestätigt werden, sondern auch auf die gesamte Übergangswaldzone erweitert werden. Ferner wurden starke Hinweise auf eine Hybridisierung beider Microcebus-Arten an einigen Dornbuschstandorten der Kernzone gefunden. Durch die große Datenmenge des Gesamtdatensatzes, vor allem aus der Kernzone des Untersuchungsgebietes, war es möglich eine fundierte Charakterisierung der Microcebus griseoruus-M. murinus- Hybridzone durchzuführen. Die Übereinstimmung der Hybridzone mit dem beobachteten Vegetationsmosaik zusammen mit den Ergebnissen der PCA, der PCoA und der Bayes’schen Clusteranalyse sprechen für das Modell der „Mosaik Hybridzone“, während die Einzelbetrachtung der mosaikartig verteilten intermediären Übergangswälder eine hohe Abundanz der Hybride aufzeigte und somit eher das „Bounded Hybrid Superiority model“ unterstützt. Der gewählte geographische Beprobungsmaßstab könnte somit einen Einfluss auf die beobachtete Struktur einer Hybridzone haben. Eines der markantesten Muster in der Hybridzone ist das stark kontrastierende cyto-nukleäre Muster. Der seit ca. 3000 Jahren fortschreitende Klimawandel in Südmadagaskar und die damit verbundene Expansion des Verbreitungsgebietes der Art Microcebus griseorufus nach Osten, das in dieser Arbeit festgestellte „male-biased dispersal“ bei M. griseorufus und der Einfluss exogener Selektion sprechen stark für eine massive asymmetrische nukleäre Genintrogression von M. griseorufus-Allelen in M. murinus-Populationen, verbunden mit einer potentiellen Verdrängung der Art M. murinus aus der Übergangswaldzone. In den jeweiligen Kerngebieten Dornbusch und Küstenwald bleibt jedoch die Diskretheit beider Arten gewahrt.

Techniques for Lagrangian modelling of dispersion in geophysical flows

Basic concepts and definitions relative to Lagrangian Particle Dispersion Models (LPDMs)for the description of turbulent dispersion are introduced. The study focusses on LPDMs that use as input, for the large scale motion, fields produced by Eulerian models, with the small scale motions described by Lagrangian Stochastic Models (LSMs). The data of two different dynamical model have been used: a Large Eddy Simulation (LES) and a General Circulation Model (GCM). After reviewing the small scale closure adopted by the Eulerian model, the development and implementation of appropriate LSMs is outlined. The basic requirement of every LPDM used in this work is its fullfillment of the Well Mixed Condition (WMC). For the dispersion description in the GCM domain, a stochastic model of Markov order 0, consistent with the eddy-viscosity closure of the dynamical model, is implemented. A LSM of Markov order 1, more suitable for shorter timescales, has been implemented for the description of the unresolved motion of the LES fields. Different assumptions on the small scale correlation time are made. Tests of the LSM on GCM fields suggest that the use of an interpolation algorithm able to maintain an analytical consistency between the diffusion coefficient and its derivative is mandatory if the model has to satisfy the WMC. Also a dynamical time step selection scheme based on the diffusion coefficient shape is introduced, and the criteria for the integration step selection are discussed. Absolute and relative dispersion experiments are made with various unresolved motion settings for the LSM on LES data, and the results are compared with laboratory data. The study shows that the unresolved turbulence parameterization has a negligible influence on the absolute dispersion, while it affects the contribution of the relative dispersion and meandering to absolute dispersion, as well as the Lagrangian correlation.