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.

Global Depth Perception from Familiar Scene Structure

In the absence of cues for absolute depth measurements as binocular disparity, motion, or defocus, the absolute distance between the observer and a scene cannot be measured. The interpretation of shading, edges and junctions may provide a 3D model of the scene but it will not inform about the actual "size" of the space. One possible source of information for absolute depth estimation is the image size of known objects. However, this is computationally complex due to the difficulty of the object recognition process. Here we propose a source of information for absolute depth estimation that does not rely on specific objects: we introduce a procedure for absolute depth estimation based on the recognition of the whole scene. The shape of the space of the scene and the structures present in the scene are strongly related to the scale of observation. We demonstrate that, by recognizing the properties of the structures present in the image, we can infer the scale of the scene, and therefore its absolute mean depth. We illustrate the interest in computing the mean depth of the scene with application to scene recognition and object detection.

A simple relationship between volcanic sulfate aerosol optical depth and surface temperature change simulated in an atmosphere-ocean general circulation model.

In this study we quantify the relationship between the aerosol optical depth increase from a volcanic eruption and the severity of the subsequent surface temperature decrease. This investigation is made by simulating 10 different sizes of eruption in a global circulation model (GCM) by changing stratospheric sulfate aerosol optical depth at each time step. The sizes of the simulated eruptions range from Pinatubo‐sized up to the magnitude of supervolcanic eruptions around 100 times the size of Pinatubo. From these simulations we find that there is a smooth monotonic relationship between the global mean maximum aerosol optical depth anomaly and the global mean temperature anomaly and we derive a simple mathematical expression which fits this relationship well. We also construct similar relationships between global mean aerosol optical depth and the temperature anomaly at every individual model grid box to produce global maps of best‐fit coefficients and fit residuals. These maps are used with caution to find the eruption size at which a local temperature anomaly is clearly distinct from the local natural variability and to approximate the temperature anomalies which the model may simulate following a Tambora‐sized eruption. To our knowledge, this is the first study which quantifies the relationship between aerosol optical depth and resulting temperature anomalies in a simple way, using the wealth of data that is available from GCM simulations.

Quantifying the response of the ORAC aerosol optical depth retrieval for MSG SEVIRI to aerosol model assumptions

We test the response of the Oxford-RAL Aerosol and Cloud (ORAC) retrieval algorithm for MSG SEVIRI to changes in the aerosol properties used in the dust aerosol model, using data from the Dust Outflow and Deposition to the Ocean (DODO) flight campaign in August 2006. We find that using the observed DODO free tropospheric aerosol size distribution and refractive index increases simulated top of the atmosphere radiance at 0.55 µm assuming a fixed erosol optical depth of 0.5 by 10–15 %, reaching a maximum difference at low solar zenith angles. We test the sensitivity of the retrieval to the vertical distribution f the aerosol and find that this is unimportant in determining simulated radiance at 0.55 µm. We also test the ability of the ORAC retrieval when used to produce the GlobAerosol dataset to correctly identify continental aerosol outflow from the African continent and we find that it poorly constrains aerosol speciation. We develop spatially and temporally resolved prior distributions of aerosols to inform the retrieval which incorporates five aerosol models: desert dust, maritime, biomass burning, urban and continental. We use a Saharan Dust Index and the GEOS-Chem chemistry transport model to describe dust and biomass burning aerosol outflow, and compare AOD using our speciation against the GlobAerosol retrieval during January and July 2006. We find AOD discrepancies of 0.2–1 over regions of intense biomass burning outflow, where AOD from our aerosol speciation and GlobAerosol speciation can differ by as much as 50 - 70 %.

Cloud droplet size and liquid water path retrievals from zenith radiance measurements: examples from the Atmospheric Radiation Measurement Program and the Aerosol Robotic Network

The ground-based Atmospheric Radiation Measurement Program (ARM) and NASA Aerosol Robotic Net- work (AERONET) routinely monitor clouds using zenith ra- diances at visible and near-infrared wavelengths. Using the transmittance calculated from such measurements, we have developed a new retrieval method for cloud effective droplet size and conducted extensive tests for non-precipitating liquid water clouds. The underlying principle is to combine a liquid-water-absorbing wavelength (i.e., 1640 nm) with a non-water-absorbing wavelength for acquiring information on cloud droplet size and optical depth. For simulated stratocumulus clouds with liquid water path less than 300 g m−2 and horizontal resolution of 201 m, the retrieval method underestimates the mean effective radius by 0.8μm, with a root-mean-squared error of 1.7 μm and a relative deviation of 13%. For actual observations with a liquid water path less than 450 g m−2 at the ARM Oklahoma site during 2007– 2008, our 1.5-min-averaged retrievals are generally larger by around 1 μm than those from combined ground-based cloud radar and microwave radiometer at a 5-min temporal resolution. We also compared our retrievals to those from combined shortwave flux and microwave observations for relatively homogeneous clouds, showing that the bias between these two retrieval sets is negligible, but the error of 2.6 μm and the relative deviation of 22 % are larger than those found in our simulation case. Finally, the transmittance-based cloud effective droplet radii agree to better than 11 % with satellite observations and have a negative bias of 1 μm. Overall, the retrieval method provides reasonable cloud effective radius estimates, which can enhance the cloud products of both ARM and AERONET.

Modelling the time-evolution of phytoplankton size spectra from satellite remote sensing

A dynamic size-structured model is developed for phytoplankton and nutrients in the oceanic mixed layer and applied to extract phytoplankton biomass at discrete size fractions from remotely sensed, ocean-colour data. General relationships between cell size and biophysical processes (such as sinking, grazing, and primary production) of phytoplankton were included in the model through a bottom–up approach. Time-dependent, mixed-layer depth was used as a forcing variable, and a sequential data-assimilation scheme was implemented to derive model trajectories. From a given time-series, the method produces estimates of size-structured biomass at every observation, so estimates seasonal succession of individual phytoplankton size, derived here from remote sensing for the first time. From these estimates, normalized phytoplankton biomass size spectra over a period of 9 years were calculated for one location in the North Atlantic. Further analysis demonstrated that strong relationships exist between the seasonal trends of the estimated size spectra and the mixed-layer depth, nutrient biomass, and total chlorophyll. The results contain useful information on the time-dependent biomass flux in the pelagic ecosystem.

Quantifying particle size and turbulent scale dependence of dust uplift in the Sahara using aircraft measurements

The first size-resolved airborne measurements of dust fluxes and the first dust flux measurements from the central Sahara are presented and compared with a parameterization by Kok (2011a). High-frequency measurements of dust size distribution were obtained from 0.16 to 300 µm diameter, and eddy covariance fluxes were derived. This is more than an order of magnitude larger size range than previous flux estimates. Links to surface emission are provided by analysis of particle drift velocities. Number flux is described by a −2 power law between 1 and 144 µm diameter, significantly larger than the 12 µm upper limit suggested by Kok (2011a). For small particles, the deviation from a power law varies with terrain type and the large size cutoff is correlated with atmospheric vertical turbulent kinetic energy, suggesting control by vertical transport rather than emission processes. The measured mass flux mode is in the range 30–100 µm. The turbulent scales important for dust flux are from 0.1 km to 1–10 km. The upper scale increases during the morning as boundary layer depth and eddy size increase. All locations where large dust fluxes were measured had large topographical variations. These features are often linked with highly erodible surface features, such as wadis or dunes. We also hypothesize that upslope flow and flow separation over such features enhance the dust flux by transporting large particles out of the saltation layer. The tendency to locate surface flux measurements in open, flat terrain means these favored dust sources have been neglected in previous studies.

Quantifying minimum monolith size and solute dilution from multi-compartment percolation sampler data

Preferential flow affects solute transport in natural soils, leading to high spatiotemporal variation of concentration. A multicompartment solute sampler (MCS), yielding multiple breakthrough curves at a given depth, can monitor tracer movement in a heterogeneous soil. We present a technique to estimate from MCS data whether a soil monolith is sufficiently large to capture preferential flow, which is a necessity for tracer breakthrough curves to be representative. For several soils, we estimate that an MCS should be larger than 0.1 to 0.2 m². We also expand dilution theory to analyze the concentration variations of a tracer passing the control plane monitored by the MCS, in addition to the conventional plume spreading analysis. We characterize the set of locally observed breakthrough curves by the entropy-based dilution index. For given first and second-central moment, the spatially uniform log-normal breakthrough curve maximizes the dilution index. The ratio between observed and maximum dilution index is denoted reactor ratio. For a 300-compartment solute sampler, covering an area of 0.75 m², we compute a reactor ratio of 0.665, compared with 0.04 for stochastic-convective and 1 for convective-dispersive transport. With a single, large collector the reactor ratio would be 0.958, severely underestimating concentration variations. Large collector areas are clearly inadequate to estimate dilution. Values of the dilution index and the reactor ratio for individual sampling compartments indicate efficient longitudinal mixing in most but not all cases, and considerable spatial variation of the leaching process.

Individual variability in Diel Vertical migration of a marine copepod : why some individuals remain at depth when others migrate

The diel vertical migration (DVM) of the copepod Metridia pacifica was examined in Dabob Bay (47°45.05′N, 122°49.71′W), a fjord in Washington state. Although the population showed deep daytime residence (75-175 m), a proportion of the population was found in the surface waters at night. For individuals that migrated to the surface, the mean size of the oil sac was much smaller than those that remained at depth (mean lengths of oil sac 0.25 mm for individuals collected between 0 and 25 m at night, compared with 0.43 mm for individuals from between 125 and 175 m). Similarly, the C : N ratio was lower for animals collected from near the surface, indicative of their lower lipid reserves. These results suggest that individual variability in DVM was influenced by body condition, with those animals with larger lipid stores not needing to risk coming to the surface to feed at night.

Nearshore-offshore-basin species diversity and body size variation patterns in Late Permian (Changhsingian) brachiopods

 B.V. Body size is a fundamental and defining character of an organism, and its variation in space and time is generally considered to be a function of its biology and interactions with its living environment. A great deal of body size related ecological and evolutionary research has been undertaken, mostly in relation to extant animals. Among the many body size-related hypotheses proposed and tested, the size-bathymetry relationship is probably the least studied. In this study, we compiled a global body size dataset of Changhsingian (Late Permian, ca. 254. Ma-252. Ma) brachiopod species from low-latitude areas (30°S-30°N) and analyzed their species diversity and body size distribution patterns in relation to the nearshore-offshore-basin bathymetric gradient. The dataset contained 1768 brachiopod specimens in 435 species referred to 159 genera and 9 orders, from 135 occurrences (localities) of 18 different palaeogeographic regions. Treating the whole of the Changhsingian Stage as a single time slice, we divided the nearshore-offshore-basin bathymetric gradient into three broad depth-related environments: nearshore, offshore and basinal environments, and compared how the species diversity and body size varied along this large-scale bathymetric gradient.Here, we report an array of complex patterns. First, we found a clear overall inverse correlation between species diversity and water depth along the nearshore-offshore-basin gradient, with most species concentrating in the nearshore environment. Second, when the median sizes of all low-latitude brachiopod species from the three environments were compared, we found that there was no significant size difference between the nearshore and offshore environments, suggesting that neither the wave base nor the hydrostatic pressure exerts a critical influence on the body size of brachiopods. On the other hand, the median sizes of brachiopods from the nearshore environment and, to a lesser extent, the offshore environment were found to be significantly larger than that of basinal brachiopods. This trend of significant size reduction in basinal brachiopods mirrors the relative low species diversity in the basinal environment, and neither can be easily explained by the tendency of decreasing food availability towards deeper sea environments. Rather, both trends are consistent with the hypothesis of an expanding Oxygen Minimum Zone (OMZ) in the bathyal (slope to deepsea) environments, where hypoxic to anoxic conditions are considered to have severely restricted the diversification of benthos and favored the relative proliferation of small-sized brachiopods. Finally, a significant difference was also found between eurybathic and stenobathic species in their body size response to the nearshore-offshore-basin gradient, in that eurybathic species (species found in all three environments) did not tend to change their body size significantly according to depth, whereas stenobathic forms (species restricted to a single environment) exhibit a decline in body size towards the basinal environment. This pattern is interpreted to suggest that bathymetrically more tolerant species are less sensitive to depth control with respect to their body size change dynamics, in contrast to stenobathic species which tend to grow larger in shallower water depths.

Sexual size dimorphism and body condition in the Australasian Gannet

Sexual size dimorphism is widespread throughout seabird taxa and several drivers leading to its evolution have been hypothesised. While the Australasian Gannet (Morus serrator) has previously been considered nominally monomorphic, recent studies have documented sexual segregation in diet and foraging areas, traits often associated with size dimorphism. The present study investigated the sex differences in body mass and structural size of this species at two colonies (Pope's Eye, PE; Point Danger, PD) in northern Bass Strait, south-eastern Australia. Females were found to be 3.1% and 7.3% heavier (2.74 ± 0.03, n = 92; 2.67 ± 0.03 kg, n = 43) than males (2.66 ± 0.03, n = 92; 2.48 ± 0.03 kg, n = 43) at PE and PD, respectively. Females were also larger in wing ulna length (0.8% both colonies) but smaller in bill depth (PE: 2.2%; PD: 1.7%) than males. Despite this dimorphism, a discriminant function provided only mild accuracy in determining sex. A similar degree of dimorphism was also found within breeding pairs, however assortative mating was not apparent at either colony (R2 < 0.04). Using hydrogen isotope dilution, a body condition index was developed from morphometrics to estimate total body fat (TBF) stores, where TBF(%) = 24.43+1.94*(body mass/wing ulna length) - 0.58*tarsus length (r2 = 0.84, n = 15). This index was used to estimate body composition in all sampled individuals. There was no significant difference in TBF(%) between the sexes for any stage of breeding or in any year of the study at either colony suggesting that, despite a greater body mass, females were not in a better condition than males. While the driving mechanism for sexual dimorphism in this species is currently unknown, studies of other Sulids indicate segregation in foraging behaviour, habitat and diet may be a contributing factor.

Effects of corn particle size and physical form of the diet on the gastrointestinal structures of broiler chickens

The objective of this experiment was to investigate the effects of different particle sizes, expressed as Geometric Mean Diameter (GMD) of corn (0.336mm, 0.585mm, 0.856mm and 1.12mm) of mash and pelleted broiler chicken diets on the weight of the gizzard, duodenum and jejunum+ileum; on the pH of the gizzard and small intestine and on the characteristics of the duodenal mucous layer (number and height of villi and crypt depth) in 42-day-old broilers. The physical form and the particle size of the diet had no significant effect on gizzard and intestine pH (p > 0.05). A greater gizzard weight was seen in the birds receiving pelleted diet and particle size of 0.336mm (p < 0.008). However, for the particle sizes of 0.856 and 1.12 mm, a greater weight was found in birds that received mash diet (p < 0.039 and p < 0.006, respectively). Also, gizzard weight was greater with increasing corn GMD independent of the physical form of the diet. In the mash diet, the increase in particle size promoted a quadratic response in the weight of duodenum and jejunum + ileum. The pelleted diet promoted a greater number of villi per transverse duodenum cut (p < 0.007) and greater crypt depth (p < 0.05). As the particle size increased, there was a linear increase of villus height and crypt depth in the duodenum, irrespective of the physical form of the diet.

Internal Architecture and Population Size of Acromyrmex subterraneus molestans (Hymenoptera, Formicidae) Nests: Comparison Between a Rural and an Urban Area

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Minimum size for the occurrence of vortex matter in a square mesoscopic superconductor

The study of superconducting samples in mesoscopic scale presented a remarkable improvement during the last years. Certainly, such interest is based on the fact that when the size of the samples is close to the order of the temperature dependent coherence length xi(T), and/or the size of the penetration depth lambda(T), there are some significant modifications on the physical properties of the superconducting state. This contribution tests the square cross-section size limit for the occurrence (or not) of vortices in mesoscopic samples of area L-2, where L varies discretely from 1 xi(0) to 8 xi(0).The time dependent Ginzburg-Landau (TDGL) equations approach is used upon taking the order parameter and the local magnetic field invariant along the z-direction. The vortex configurations at the equilibrium can be obtained from the TDGL equations for superconductivity as the system relaxes to the stationary state.The obtained results show that the limit of vortex penetration is for the square sample of size 3 xi(0) x 3 xi(0) in which only a single vortex are allowed into the sample. For smaller specimens, no vortex can be formed and the field entrance into the sample is continuous and the total flux penetration occurs at higher values of H/H-c2(0), where H-c2(T) is the upper critical field. Otherwise, for larger samples different vortices patterns can be observed depending on the sample size. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Extended depth from focus reconstruction using NIH ImageJ plugins: Quality and resolution of elevation maps

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)