ALBERT

Description: Mit dem Journal „System Erde“ berichtet das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ über die unterschiedlichen Facetten seiner Forschungsarbeiten. Die Reihe richtet sich vor allem an Entscheiderinnen und Entscheider in Wissenschaft, Gesellschaft und Politik, an interessierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie an die fachinteressierte Öffentlichkeit.

Description: Transfer-Erfolgsindikatoren 42 Fokus Ausgründungen 44 Transfer-Steckbriefe 46

Description: Wie wirkt sich Wiederaufforstung auf den Wasserkreislauf aus? 52 Menschen beeinflussen Wachstum von Blaualgen 53 Deutscher Umweltsatellit EnMAP geht in den Regelbetrieb 54 Deutschland: Mehr Wärme im Untergrund als bisher angenommen 55 Kick-off der GeoEnergie Allianz Berlin-Brandenburg GEB² 55 Methan aus Sibirien im Sommer 56 Neues aus der Klimageschichte des Toten Meeres 56 Wie tief schläft der Eifel-Vulkanismus? 57 Schwankungen des Meeresspiegels können Erdbeben auslösen 58 Wasser sickert tiefer in die Erde als erwartet 58 Neue Erkenntnisse zu frühen Ozeanen 58 Überreste einer ausgestorbenen Welt von Lebewesen entdeckt 59 Abholzung der Tropenwälder 60 Europas Sommerdürren in Baumringen 60 Immer weniger Sterne am Nachthimmel 60 Neue Erkenntnisse zum Ringstrom 61 GFZ erfolgreich bei europäischer Forschungsförderung 62 GFZ Friends – Förderverein des GFZ 62 Ausgezeichnet 63 Bücher 67

Description: The International Celestial Reference System (ICRS) is the reference system used for astrometry and geodesy in space. Its realizations are the International Celestial Reference Frames (ICRFs). The latest realizations are ICRF3 S/X, ICRF3 K, and ICRF3 X/Ka at radio frequencies observed by geodetic very long bThe International Celestial Reference System (ICRS) is the reference system used for astrometry and geodesy in space. Its realizations are the International Celestial Reference Frames (ICRFs). The latest realizations are ICRF3 S/X, ICRF3 K, and ICRF3 X/Ka at radio frequencies observed by geodetic very long baseline interferometry (VLBI), and Gaia-CRF3 from observations by the Gaia spacecraft at optical frequencies. The ICRFs are independently derived catalogs of mean positions (and proper motions as well as parallaxes in case of Gaia) of distant compact extragalactic sources with approximately comparable precision. Within the error bounds, the different observation setups should ideally produce identical source positions. However, previous research discovered variances related to the variable nature of the sources as a function of frequency and time. A deeper understanding of the individual source position differences as well as the alignment of the ICRFs in terms of global systematic source position differences benefits the large ICRF and Gaia user community, such as geodetic VLBI for connecting VLBI products across frequencies. This work adds several case studies to the existing research on the comparison and the alignment of the ICRFs. At optical frequencies, the set of ICRF3 counterparts in the Gaia spacecraft’s Early Data Release 3 (Gaia EDR3, including Gaia-CRF3) and in Gaia DR2, the predecessor of Gaia EDR3, are investigated. The position differences of the individual counterparts at the various frequencies are re-evaluated, focusing on the correlation of the normalized distances, offset directions, and global systematic differences with the number of VLBI observations or the extent of radio source structure. The individual VLBI and Gaia position offsets tend to be in the same direction, especially in case of significant offsets. It is shown that large normalized position offsets are related to sources with large radio structure. The global systematic differences, which are an order of magnitude smaller than the individual differences, can be accurately determined, especially if the set of counterparts has been defined. A Celestial Reference Frame (CRF) determined from S/X observations from the same time interval as Gaia DR2 does not indicate any improvements in the alignment of Gaia DR2 compared to ICRF3 S/X. Since the alignment of Gaia DR2 and Gaia EDR3 depends on the visual magnitude G and the radio sources in ICRF3 are optically faint, the alignment of the bright fraction (G ≤ 13 mag) of the Gaia data releases to ICRF3 requires additional verification. The approach and data of Lindegren (2020a) are adopted, who used optically bright radio stars to test the alignment. Since the resolution of VLBI and Gaia is small enough to detect their proper motions, they must be included in the alignment test and a time variability of the alignment (spin) must also be estimated. However, these results are not yet accurate enough compared to the expected uncertainties of the individual sources astrometry in the final Gaia data release for this G magnitude range. In this work, these VLBI data of radio stars are homogenized, and a more realistic error budget for the VLBI positions is established. New, dedicated VLBI observations of bright radio stars were carried out to obtain more urgently needed VLBI positions for the determination of the alignment. The positions are included in two ways: once as absolute one-epoch positions and once as relative positions in order to derive new precise models of stellar motion whenever possible. A significant spin around the Y axis was determined for both Gaia DR2 and Gaia EDR3, albeit the rotations in this direction are still the least well determined. Among other aspects, the accuracy of the results, the effect of nonlinear proper motion, and a G magnitude dependence within the bright fraction are investigated. The effect of possible future VLBI observations of radio stars on the alignment is tested. In summary, this work evaluates the accuracy of the alignment of the current ICRFs. It furthermore highlights the need to accurately assess VLBI observations of radio stars in the context of the alignment of the Gaia bright frame with ICRF3 and demonstrates how this can be accomplished.

Description: Das International Celestial Reference System (ICRS) ist das Himmelsreferenzsystem, das in der Astrometrie und Geodäsie verwendet wird. Seine Realisierungen sind die International Celestial Reference Frames (ICRFs). Die jüngsten Realisierungen sind im Radiofrequenzbereich der ICRF3 S/X, der ICRF3 K und der ICRF3 X/Ka, welche mit Hilfe von geodätischer very long baseline interferometry (VLBI) beobachtet werden. Außerdem ist es im optischen Frequenzbereich der Gaia-CRF3, welcher aus Beobachtungen des Gaia Weltraumteleskops stammt. DDas International Celestial Reference System (ICRS) ist das Himmelsreferenzsystem, das in der Astrometrie und Geodäsie verwendet wird. Seine Realisierungen sind die International Celestial Reference Frames (ICRFs). Die jüngsten Realisierungen sind im Radiofrequenzbereich der ICRF3 S/X, der ICRF3 K und der ICRF3 X/Ka, welche mit Hilfe von geodätischer very long baseline interferometry (VLBI) beobachtet werden. Außerdem ist es im optischen Frequenzbereich der Gaia-CRF3, welcher aus Beobachtungen des Gaia Weltraumteleskops stammt. Die ICRFs sind unabhängig voneinander abgeleitete Kataloge mittlerer Positionen (und Eigenbewegungen als auch Parallaxen im Falle von Gaia) entfernter kompakter extragalaktischer Quellen mit annähernd vergleichbarer Genauigkeit. Innerhalb der Fehlergrenzen sollten die verschiedenen Beobachtungsmethodiken idealerweise zu identischen Quellenpositionen führen. In früheren Untersuchungen wurden jedoch Abweichungen festgestellt, die mit der frequenz- und zeitvariablen Quellenstruktur zusammenhängen. Ein tieferes Verständnis der individuellen Positionsunterscheide der Quellen als auch der Unterschiede in der Orientierung der ICRFs mittels globaler systematischer Positionsunterschiede der Quellen kommt der großen Nutzergruppe von ICRF und Gaia zugute, wie z. B. der geodätischen VLBI für die Zusammenführung von VLBI-Produkten über Frequenzen hinweg. Diese Arbeit ergänzt die bestehenden Forschungsarbeiten über den Vergleich und die Orientierung der ICRFs um mehrere Fallstudien. Im optischen Frequenzbereich werden die ICRF3-Gegenstücke im Early Data Release 3 (Gaia EDR3, einschließlich Gaia-CRF3) der Gaia Raumsonde und im Gaia DR2, dem Vorgänger von Gaia EDR3, untersucht. Die Positionsunterschiede der einzelnen Gegenstücke für die verschiedenen Frequenzen werden neu bewertet, wobei der Schwerpunkt auf der Korrelation der normalisierten Entfernungen, der Richtungen der Positionsdifferenzen und der globalen systematischen Unterschiede mit der Anzahl der VLBI-Beobachtungen sowie dem Ausmaß der Radioquellenstruktur liegt. Die individuellen VLBI- und Gaia-Positionsunterschiede bevorzugen die selbe Richtung, insbesondere im Falle signifikanter Differenzen. Es wird gezeigt, dass große normalisierte Positionsunterschiede auf Quellen mit großer Radioquellenstruktur zurückzuführen sind. Die globalen systematischen Abweichungen, die um eine Größenordnung geringer sind als die individuellen Differenzen, können genau bestimmt werden. Dies gilt insbesondere wenn die Teilmenge der verwendeten Gegenstücke vorher definiert wurde. Ein Celestial Reference Frame (CRF), der aus S/X-Beobachtungen des selben Zeitintervalls wie Gaia DR2 ermittelt wurde, zeigt keine Verbesserungen in der Ausrichtung von Gaia DR2 im Vergleich zu ICRF3 S/X. Da die Orientierung von Gaia DR2 und Gaia EDR3 von der scheinbaren Helligkeit G ab- hängt und die Radioquellen des ICRF3 eine geringe scheinbare Helligkeit aufweisen, muss die Ausrichtung des hellen Anteils (G ≤ 13 mag) der Gaia-Daten auf den ICRF3 zusätzlich überprüft werden. In dieser Arbeit werden der Ansatz und die Daten von Lindegren (2020a) übernommen, der zur Überprüfung der Orientierung scheinbar helle Radiosterne verwendete. Da die Auflösung von VLBI und Gaia klein genug ist, um Eigenbewegungen von Sternen zu erkennen, müssen diese in den Orientierungstest einbezogen und auch eine zeitliche Variabilität der Orientierung geschätzt werden. Allerdings sind diese Ergebnisse bisher nicht genau genug im Vergleich zu den erwarteten Genauigkeiten der Astrometrie der einzelnen Quellen des hellen Anteils in der endgültigen Gaia-Datenveröffentlichung. In dieser Arbeit werden die vorhandenen VLBI-Daten der Radiosterne homogenisiert und es wird ein realistischeres Fehlerbudget für die VLBI-Positionen aufgestellt. Es wurden neue, gezielte VLBI-Beob-achtungen von hellen Radiosternen durchgeführt, um mehr dringend benötigte VLBI-Positionen für eine bessere Bestimmung der Orientierung zu erhalten. Die Positionen wurden auf zwei verschiedene Arten integriert: einmal als absolute Positionen aus einer Beobachtungsepoche und einmal als relative Positionen, um wann immer möglich neue präzise Modelle der Sternbewegung abzuleiten. Sowohl für Gaia DR2 als auch für Gaia EDR3 wurde eine signifikante zeitabhängige lineare Rotation um die Y -Achse ermittelt, wenngleich die Rotationen in dieser Richtung noch die geringste Genauigkeit aufweisen. Unter anderem werden die Genauigkeit der Ergebnisse, die Auswirkung der nichtlinearen Eigenbewegung und die Abhängigkeit von der scheinbaren Helligkeit innerhalb des hellen Anteils untersucht. Der Einfluss möglicher zukünftiger VLBI-Beobachtungen von Radiosternen auf die Orientierungsbestimmung wird getestet. Zusammenfassend evaluiert diese Arbeit die Genauigkeit der Orientierung der aktuellen ICRFs. Sie unterstreicht darüber hinaus die Notwendigkeit, VLBI-Beobachtungen von Radiosternen im Zusammenhang mit der Orientierung des hellen Gaia-Referenzrahmens zu ICRF3 genau zu prüfen, und zeigt, wie dies erreicht werden kann.ie ICRFs sind unabhängig voneinander abgeleitete Kataloge mittlerer Positionen (und Eigenbewegungen als auch Parallaxen im Falle von Gaia) entfernter kompakter extragalaktischer Quellen mit annähernd vergleichbarer Genauigkeit. Innerhalb der Fehlergrenzen sollten die verschiedenen Beobachtungsmethodiken idealerweise zu identischen Quellenpositionen führen. In früheren Untersuchungen wurden jedoch Abweichungen festgestellt, die mit der frequenz- und zeitvariablen Quellenstruktur zusammenhängen. Ein tieferes Verständnis der individuellen Positionsunterscheide der Quellen als auch der Unterschiede in der Orientierung der ICRFs mittels globaler systematischer Positionsunterschiede der Quellen kommt der großen Nutzergruppe von ICRF und Gaia zugute, wie z. B. der geodätischen VLBI für die Zusammenführung von VLBI-Produkten über Frequenzen hinweg. Diese Arbeit ergänzt die bestehenden Forschungsarbeiten über den Vergleich und die Orientierung der ICRFs um mehrere Fallstudien. Im optischen Frequenzbereich werden die ICRF3-Gegenstücke im Early Data Release 3 (Gaia EDR3, einschließlich Gaia-CRF3) der Gaia Raumsonde und im Gaia DR2, dem Vorgänger von Gaia EDR3, untersucht. Die Positionsunterschiede der einzelnen Gegenstücke für die verschiedenen Frequenzen werden neu bewertet, wobei der Schwerpunkt auf der Korrelation der normalisierten Entfernungen, der Richtungen der Positionsdifferenzen und der globalen systematischen Unterschiede mit der Anzahl der VLBI-Beobachtungen sowie dem Ausmaß der Radioquellenstruktur liegt. Die individuellen VLBI- und Gaia-Positionsunterschiede bevorzugen die selbe Richtung, insbesondere im Falle signifikanter Differenzen. Es wird gezeigt, dass große normalisierte Positionsunterschiede auf Quellen mit großer Radioquellenstruktur zurückzuführen sind. Die globalen systematischen Abweichungen, die um eine Größenordnung geringer sind als die individuellen Differenzen, können genau bestimmt werden. Dies gilt insbesondere wenn die Teilmenge der verwendeten Gegenstücke vorher definiert wurde. Ein Celestial Reference Frame (CRF), der aus S/X-Beobachtungen des selben Zeitintervalls wie Gaia DR2 ermittelt wurde, zeigt keine Verbesserungen in der Ausrichtung von Gaia DR2 im Vergleich zu ICRF3 S/X. Da die Orientierung von Gaia DR2 und Gaia EDR3 von der scheinbaren Helligkeit G ab- hängt und die Radioquellen des ICRF3 eine geringe scheinbare Helligkeit aufweisen, muss die Ausrichtung des hellen Anteils (G ≤ 13 mag) der Gaia-Daten auf den ICRF3 zusätzlich überprüft werden. In dieser Arbeit werden der Ansatz und die Daten von Lindegren (2020a) übernommen, der zur Überprüfung der Orientierung scheinbar helle Radiosterne verwendete. Da die Auflösung von VLBI und Gaia klein genug ist, um Eigenbewegungen von Sternen zu erkennen, müssen diese in den Orientierungstest einbezogen und auch eine zeitliche Variabilität der Orientierung geschätzt werden. Allerdings sind diese Ergebnisse bisher nicht genau genug im Vergleich zu den erwarteten Genauigkeiten der Astrometrie der einzelnen Quellen des hellen Anteils in der endgültigen Gaia-Datenveröffentlichung. In dieser Arbeit werden die vorhandenen VLBI-Daten der Radiosterne homogenisiert und es wird ein realistischeres Fehlerbudget für die VLBI-Positionen aufgestellt. Es wurden neue, gezielte VLBI-Beob-achtungen von hellen Radiosternen durchgeführt, um mehr dringend benötigte VLBI-Positionen für eine bessere Bestimmung der Orientierung zu erhalten. Die Positionen wurden auf zwei verschiedene Arten integriert: einmal als absolute Positionen aus einer Beobachtungsepoche und einmal als relative Positionen, um wann immer möglich neue präzise Modelle der Sternbewegung abzuleiten. Sowohl für Gaia DR2 als auch für Gaia EDR3 wurde eine signifikante zeitabhängige lineare Rotation um die Y -Achse ermittelt, wenngleich die Rotationen in dieser Richtung noch die geringste Genauigkeit aufweisen. Unter anderem werden die Genauigkeit der Ergebnisse, die Auswirkung der nichtlinearen Eigenbewegung und die Abhängigkeit von der scheinbaren Helligkeit innerhalb des hellen Anteils untersucht. Der Einfluss möglicher zukünftiger VLBI-Beobachtungen von Radiosternen auf die Orientierungsbestimmung wird getestet. Zusammenfassend evaluiert diese Arbeit die Genauigkeit der Orientierung der aktuellen ICRFs. Sie unterstreicht darüber hinaus die Notwendigkeit, VLBI-Beobachtungen von Radiosternen im Zusammenhang mit der Orientierung des hellen Gaia-Referenzrahmens zu ICRF3 genau zu prüfen, und zeigt, wie dies erreicht werden kann.

Description: Das Bürgerwissenschaftsprojekt Nachtlichter ist Teil des Nachtlicht-BüHNE Projekts (2019 – 2022), finanziert von der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF). Im Projekt haben wir einen bisher einzigartigen und weiterhin wachsenden Datensatz erstellt. Hierzu entwickelten wir im Rahmen einer fast zweijährigen, transdisziplinären Teamleistung zunächst eine mobile Web Applikation, die Nachtlichter App. Zum Einsatz kam die App vom 31. Aug. bis 14. Nov. 2021. Über zweihundert Mitforschende zählten und dokumentierten fast eine Viertelmillion künstliche Lichtquellen auf öffentlichen Straßen und Plätzen. Nachtlichter-Kampagnen liefen vorwiegend in deutschen Städten. Dieser Projektbericht dokumentiert den bürgerwissenschaftlichen Forschungsprozess basierend auf sozialwissenschaftlichen Datenerhebungsmethoden wie Interviews, teilnehmenden Beobachtungen und einer Nachbefragung der Nachtlichter-Beteiligten, an der 97 Personen freiwillig teilnahmen. Ausgehend von unseren gemeinsamen Erfahrungen, teilen wir mit diesem Bericht unser praktisch erprobtes Verständnis von Bürgerwissenschaft als gemeinsamen Prozess auf Augenhöhe und unsere Begeisterung. Wir schließen mit drei Vorschlägen für nachhaltige partizipative Forschung.

Description: With the ongoing deployment of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) ground stations and the modernization of satellite signal systems, the utilization of various augmentation technologies enables the realization of Precise Point Positioning (PPP) in real-time. Augmentation technology, which introduces precise atmospheric and signal-related delays, has become an essential component of high-precision real-time services and is attracting growing interest in scientific research, disaster monitoring, autopilot, etc. Previous studies have dedicated significant efforts to enhance the generation and dissemination of augmentation information on the service side and improve real-time positioning algorithms on the user side. The real-time atmosphere augmentation information with sufficient accuracy and proper constraint, and reliable Ambiguity Resolution (AR) for this purpose is the main focus of current GNSS research. However, these efforts have primarily been concentrated on small or medium-sized regions with the capability for transmitting massive data volumes. Alternatively, they have focused on larger areas, but with slow convergence due to the imprecise nature of atmosphere information. To address the challenge posed by the trade-offs among service area size, correction volume, and the precision of represented correction, a new augmentation strategy is proposed. This approach integrates the advantages of atmospheric delay fitting models, unmodeled residuals, and uncertainty information to achieve rapid and high-precision positioning, all while reducing data transmission volume for larger areas. It also allows users to implement different positioning modes depending on their communication capacity. Additionally, all deviations among different types of receivers and satellite signals are calibrated in this study for reliable AR can be achieved on all reference stations. The main contribution of this thesis is summarized as follows. With the real-time precise orbit, clock, and Uncalibrated Phase Delay (UPD) products, precise atmospheric delay corrections relying on reliable AR can be derived for large-areas augmentation services. To address the challenge of achieving reliable AR across different receiver types and various satellite signals, this thesis proposes a comprehensive method for calibrating receiver-type-related satellite-specific deviations and analyzes the impact of satellite signal bias corrections in data processing. The primary objective is to enhance the reliability of AR, enabling the utilization of all available signals and receiver types in large-area services. Subsequently, new tropospheric and ionospheric delay fitting models applied for large-area are carried out according to the properties of their propagation paths. In addition, the corresponding atmospheric delay uncertainty for large areas is introduced based on the fitting residuals. Finally, a hierarchical mode is developed for augmentation services, leveraging the advantages of the fitting model and uncertainty grid to reduce data volume and incorporating regional fitting residuals using the interpolation model and ionospheric delay error function, depending on the network capability. Based on hierarchical augmentation, positioning in large areas can not only achieve rapid/instantaneous high-precision convergence but also overcome the conflict among correction volume, represented precision, and coverage size. In order to derive precise atmospheric delay and accelerate positioning, implementing reliable and robust AR across all types of receivers and satellite signals is essential. It also demonstrates and discusses the advantages of calibrating satellite-signal and receiver-type-related satellite-specific deviations in AR solutions. The deviations related to receivers in terms of UPD products are assessed and calibrated, confirming that a 0.03 cycle consistency in wide lane UPD can be achieved. The effectiveness of the proposed approach is demonstrated using GPS satellite signals, which can improve the AR rate by at least 10% and produce more reliable results. In addition, the impact of different signal settings and corrections on orbit, clock, and UPD generation, as well as positioning and pseudo-range signal systematic and stochastic residuals, is analyzed. These processing strategies provide flexible observation selections, allowing the utilization of all available satellite signals and receiver types, thereby enabling reliable AR and a higher fixing rate. As a result, an AR fixing rate exceeding 95% is achievable across all stations in large-area services. For precise atmospheric delay modeling over large areas, new models are proposed, including a tropospheric Zenith Wet Delay (ZWD) model and a satellite-wise ionospheric slant delay fitting model. The tropospheric delay model takes the exponential function of water vapor vertical changes into consideration, addressing model anomalies in areas with large altitude differences. The new ionospheric delay fitting model introduces the trigonometric functions to describe differences in slant path delays between the optimal reference propagation path and others, achieving superior modeling performance in large areas. The precision of the fitting model, utilizing a 200 km station-spacing network, demonstrates tropospheric ZWD and ionospheric slant delays of 1.3 cm and 8.9 cm, respectively, with smaller standard deviations. These new fitting models overcome the challenge of handling massive information for providing station-wise corrections and avoid an increase in the number of coefficients. In addition to the function model, the stochastic model, i.e., uncertainty information, is essential for describing the quality of corrections. The atmospheric delay uncertainty for the large-area fitting model is generated based on the fitting residuals and represented in forms of grid-point. Additionally, regional ionosphere unmodeled residual uncertainty is represented by the form of liner function, which is established by the relationship between distance and interpolation precision through inter-satellite cross-verification among all reference stations. The differences between uncertainty value and real delays are 2.5 cm and 0.5 cm for grid and function forms, respectively. For real-time applications in large areas, the fitting model and grid-based atmosphere uncertainty serve as the essential information, satisfying the requirement of rapid positioning. By further incorporating unmodeled residuals and ionosphere error function, a hierarchical augmentation model is provided. Based on the fitting model established for large areas, unmodeled residuals are further introduced as optional compensation for specific areas, depending on the magnitude of fitting residuals. This approach results in a 97% reduction in tropospheric delay and a 65% reduction in ionospheric delay transmission volume. Furthermore, leveraging the regional high capability of communication, 85.3% of all solutions can achieve instantaneous convergence at the first epoch with the aid of corresponding regional compensation. This thesis proposes a large areas augmentation service to overcome the conflict among correction data volume, represented precision, and coverage size. It demonstrates the benefits of an augmentation mode that integrates regional information into large-area services. Under these conditions, a more reliable and rapid AR solution can be easily achieved based on precise atmospheric delay correction and uncertainty in large areas with fewer data volume requirements. This is beneficial for actual real-time services and applications.

Description: Mit der laufenden Bereitstellung von Bodenstationen für globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) und der Modernisierung von Satellitensignal-Systemen ermöglicht die Nutzung verschiedener Augmentationstechnologien die Realisierung der Präzisen Punkt-Positionierung (PPP) in Echtzeit. Augmentationstechnologie, die präzise atmosphärische und signalbezogene Verzögerungen einführt, ist zu einem wesentlichen Bestandteil hochpräziser Echtzeitdienste geworden und findet wachsendes Interesse in wissenschaftlicher Forschung, Katastrophenüberwachung, Autopiloten usw. Frühere Studien haben erhebliche Anstrengungen darauf verwendet, die Erzeugung und Verbreitung von Augmentationsinformationen auf der Dienstseite zu verbessern und Echtzeit-Positionierungsalgorithmen auf der Benutzerseite zu optimieren. Die Echtzeit-Atmosphärenaugmentationsinformationen mit ausreichender Genauigkeit und angemessener Einschränkung sowie zuverlässige Ambiguitätsauflösung (AR) für diesen Zweck stehen im Mittelpunkt der aktuellen GNSS-Forschung. Diese Bemühungen konzentrierten sich jedoch hauptsächlich auf kleine oder mittelgroße Regionen mit der Fähigkeit zur Übertragung großer Datenmengen. Alternativ richteten sie sich auf größere Gebiete, jedoch mit langsamer Konvergenz aufgrund der ungenauen Natur der Atmosphäreninformation. Um der Herausforderung durch die Abwägung zwischen Größe des Dienstleistungsgebiets, Korrekturvolumen und Präzision der dargestellten Korrektur zu begegnen, wird eine neue Augmentationsstrategie vorgeschlagen. Dieser Ansatz integriert die Vorteile atmosphärischer Verzögerungsanpassungsmodelle, nicht modellierter Reste und Unsicherheitsinformationen, um eine schnelle und hochpräzise Positionierung zu erreichen, und das bei gleichzeitiger Reduzierung der Datenübertragungsvolumina für größere Gebiete. Es ermöglicht den Benutzern auch, verschiedene Positionierungsmodi je nach ihrer Kommunikationskapazität zu implementieren. Zusätzlich werden in dieser Studie alle Abweichungen zwischen verschiedenen Typen von Empfängern und Satellitensignalen kalibriert, um eine zuverlässige AR an allen Referenzstationen zu erreichen. Die Hauptbeiträge dieser Arbeit werden wie folgt zusammengefasst. Mit den Echtzeit-Präzbitbahnen, Uhren und Uncalibrated Phase Delay (UPD)-Produkten können präzise atmosphärische Verzögerungskorrekturen für großflächige Augmentationsdienste abgeleitet werden, die auf zuverlässiger AR basieren. Um die Herausforderung zu bewältigen, eine zuverlässige AR über verschiedene Empfängertypen und verschiedene Satellitensignale hinweg zu erreichen, schlägt diese Arbeit eine umfassende Methode zur Kalibrierung von empfängertypbezogenen satellspezifischen Abweichungen vor und analysiert die Auswirkungen von Korrekturen für Satellitensignalverzerrungen in der Datenverarbeitung. Das Hauptziel besteht darin, die Zuverlässigkeit der AR zu verbessern und die Nutzung aller verfügbaren Signale und Empfängertypen in großflächigen Diensten zu ermöglichen. Anschließend werden neue troposphärische und ionosphärische Verzögerungsanpassungsmodelle für großflächige Anwendungen gemäß den Eigenschaften ihrer Ausbreitungspfade durchgeführt. Darüber hinaus wird die entsprechende atmosphärische Verzögerungsunsicherheit für große Gebiete auf der Grundlage der Anpassungsreste eingeführt. Schließlich wird ein hierarchischer Modus für Augmentationsdienste entwickelt, der die Vorteile des Anpassungsmodells und des Unsicherheitsgitters nutzt, um das Datenvolumen zu reduzieren und regionale Anpassungsreste unter Verwendung des Interpolationsmodells und der ionosphärischen Verzögerungsfehlerfunktion, abhängig von der Netzwerkfähigkeit, zu integrieren. Basierend auf der hierarchischen Augmentation kann die Positionierung in großen Gebieten nicht nur eine schnelle/instantane hochpräzise Konvergenz erreichen, sondern auch den Konflikt zwischen Korrekturvolumen, dargestellter Präzision und Abdeckungsgröße überwinden. Um präzise atmosphärische Verzögerungen abzuleiten und die Positionierung zu beschleunigen, ist es entscheidend, eine zuverlässige und robuste AR über alle Arten von Empfängern und Satellitensignalen zu implementieren. Es zeigt auch die Vorteile der Kalibrierung von satellitensignal- und empfängertypbezogenen satellspezifischen Abweichungen in AR-Lösungen auf. Die Abweichungen im Zusammenhang mit Empfängern in Bezug auf UPD-Produkte werden bewertet und kalibriert, wobei bestätigt wird, dass eine Konsistenz von 0,03 Zyklen bei Wide-Lane-UPD erreicht werden kann. Die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Ansatzes wird unter Verwendung von GPS-Satellitensignalen demonstriert, die die AR-Rate um mindestens 10% verbessern und zu zuverlässigeren Ergebnissen führen können. Darüber hinaus wird der Einfluss unterschiedlicher Signalparameter und Korrekturen auf die Erzeugung von Orbit, Uhr und UPD sowie auf die Positionierung und systematische und stochastische Reste der Pseudo-Range-Signale analysiert. Diese Verarbeitungsstrategien bieten flexible Auswahlmöglichkeiten bei der Beobachtung und ermöglichen die Nutzung aller verfügbaren Satellitensignale und Empfängertypen, wodurch eine zuverlässige AR und eine höhere Fixierungsrate ermöglicht wird. Als Ergebnis ist eine AR-Fixierungsrate von über 95% bei allen Stationen in großflächigen Diensten erreichbar. Für eine präzise Modellierung atmosphärischer Verzögerungen über großen Gebieten werden neue Modelle vorgeschlagen, darunter ein troposphärisches Zenith Wet Delay (ZWD)-Modell und ein satellitenweises ionosphärisches Schrägverzögerungsanpassungsmodell. Das troposphärische Verzögerungsmodell berücksichtigt die exponentielle Funktion der vertikalen Änderungen des Wasserdampfs und behebt Modellanomalien in Gebieten mit großen Höhendifferenzen. Das neue ionosphärische Verzögerungsanpassungsmodell verwendet trigonometrische Funktionen, um Unterschiede in den Schrägpfadverzögerungen zwischen dem optimalen Referenzausbreitungspfad und anderen zu beschreiben und erreicht so eine überlegene Modellierungsleistung in großen Gebieten. Die Präzision des Anpassungsmodells, unter Verwendung eines 200 km-Stationen-Netzwerks, zeigt troposphärische ZWD- und ionosphärische Schrägverzögerungen von jeweils 1,3 cm und 8,9 cm mit kleineren Standardabweichungen. Diese neuen Anpassungsmodelle überwinden die Herausforderung, massive Informationen für die Bereitstellung stationsspezifischer Korrekturen zu verarbeiten, und vermeiden eine Zunahme der Anzahl der Koeffizienten. Neben dem Funktionsmodell ist das stochastische Modell, d. h. Unsicherheitsinformationen, entscheidend für die Beschreibung der Qualität der Korrekturen. Die Unsicherheit der atmosphärischen Verzögerung für das großflächige Anpassungsmodell wird auf der Grundlage der Anpassungsreste generiert und in Form von Gitterpunkten dargestellt. Zusätzlich wird die regionale ionosphärische nicht modellierte Restunsicherheit durch die Form einer linearen Funktion repräsentiert, die durch die Beziehung zwischen Entfernung und Interpolationsgenauigkeit durch inter-satellitenkreuz-Verifikation zwischen allen Referenzstationen etabliert wird. Die Unterschiede zwischen Unsicherheitswert und realen Verzögerungen betragen 2,5 cm bzw. 0,5 cm für Gitter- und Funktionsformen. Für Echtzeitanwendungen in großen Gebieten dienen das Anpassungsmodell und die gitterbasierte Atmosphärenunsicherheit als wesentliche Informationen, die die Anforderungen an schnelle Positionierung erfüllen. Durch die weitere Integration von nicht modellierten Resten und Ionosphärenfehlerfunktion wird ein hierarchisches Augmentationsmodell bereitgestellt. Basierend auf dem für große Gebiete etablierten Anpassungsmodell werden nicht modellierte Reste zusätzlich als optionale Kompensation für spezifische Bereiche eingeführt, abhängig von der Größenordnung der Anpassungsreste. Dieser Ansatz führt zu einer Reduktion von 97% der troposphärischen Verzögerung und einer Reduktion von 65% des ionosphärischen Verzögerungsvolumens. Darüber hinaus können unter Nutzung der regionalen hohen Kommunikationsfähigkeit 85,3% aller Lösungen mit Hilfe entsprechender regionaler Kompensation eine sofortige Konvergenz beim ersten Epochenzeitpunkt erreichen. Diese Dissertation schlägt einen großflächigen Augmentationsdienst vor, um den Konflikt zwischen Korrekturvolumen, dargestellter Präzision und Abdeckungsgröße zu überwinden. Sie zeigt die Vorteile eines Augmentationsmodus, der regionale Informationen in großflächige Dienste integriert. Unter diesen Bedingungen kann eine zuverlässigere und schnellere AR-Lösung basierend auf präziser atmosphärischer Verzögerungskorrektur und Unsicherheit in großen Gebieten mit geringeren Anforderungen an das Datenvolumen leicht erreicht werden. Dies ist vorteilhaft für tatsächliche Echtzeitdienste und Anwendungen.

Description: The organic matter in sedimentary rocks that is soluble in common organic solvents comprises a complex mixture of hydrocarbons and NSO compounds (nitrogen, sulfur and oxygen bearing). The N, S, O atoms can be derived from both biogenic sources and abiogenic processes, thus organic NSO compounds are intrinsically well suited to record precursor biotic and palaeoenvironmental signatures. In addition, their physical properties are such that they possess the capacity to interact specifically with minerals of distinct surface chemistry, so they can provide precise indications for elucidating lithofacies-influenced fractionation during petroleum expulsion and migration. Until relatively recently, their molecular-level characterization was limited to the low-molecular-weight fraction, but now this range has been extended, thanks to ultra-high resolution mass spectrometry. This thesis utilises that technique to provide information on biomass input, depositional conditions and lithofacies-influenced fractionation using heavy NSO compounds, thus complementing and supplementing information contained in lower molecular weight biomarkers. The impact of biological sources (marine algae, terrestrial plants and lacustrine Botryococcus braunii) on organooxygen and organonitrogen compounds was revealed through the investigations on the solvent extracts of immature–early mature rock samples from the marine Dynow, Schöneck, Posidonia formations, the lacustrine Wealden Formation, and the terrestrial Waikato and Brunner coal measures. Coals, being the in-situ deposits of terrestrial plant remains, primarily consist of aromatic polyoxygenated Ox and N1Ox compounds, representing degradation products of lignin and tannin such as phenolic ketones and phenolic carboxylic acids as well as their condensation products with the proteinaceous degradation intermediates. Aliphatic Ox moieties derived from the plant protective substances (mainly waxes and cutan) show a pronounced even or odd carbon number predominance among the C23–C33 range with C26, 28, 30 or C27, 29, 31 as the major homologs. In contrast, marine and lake microbial communities contribute abundant middle-chain C22, C24 or C23, C25 Ox compounds. The marine rock extracts are furthermore characterized by abundant organonitrogen compounds, especially the N2 and N2Ox classes, interpreted as signatures of protein-rich marine algae. The highly aliphatic algaenan of Botryococcus braunii sterically protects its oxygen-bearing groups leading to a great abundance of Ox compounds, furthermore, it characterizes the Botryococcus braunii source by substantial heteroatomic compounds containing more than 40 carbon atoms. Organosulfur compounds, as inorganic-organic incorporation products during early diagenesis, were characterized in extracts of the aforementioned lacustrine and marine samples to obtain both palaeoecological and palaeoenvironmental information. The iron-deficient sulfidic depositional settings of the Posidonia and Schöneck formations are reflected by abundant organosulfur compounds bearing up to three sulfur atoms. The high ratios of reduced relative to oxidized forms (Sz versus SzOx) further illustrate the restricted presence of oxidants at the oxic-anoxic interfaces. The observed prominent enrichment of organosulfur compounds containing 40, 35, 30, 25 carbon atoms are associated with the selective preservation of polyfunctionalized biomolecules via sulfurization, such as C40 carotenoids, C35 bacteriohopanepolyols, C30 unsaturated tetracyclic polyprenoid alcohols, C30 or C25 highly branched isoprenoid (HBI) polyenes. The strong enrichment of sulfurized C35 bacteriohopanepolyols can be developed as an indicator of the low levels of oxygen exposure prior to sulfurization, which occur only in the Dynow and Schöneck formations. The prominent enrichment of sulfurized carotenoids is typically associated with high primary productivity. While the strongly enriched sulfurized HBI polyenes are indicative for diatom blooms, the precursors of C30 pentacyclic polyprenoid organosulfur compounds are more abundant in fresh/brackish water algae. For petroleum systems having undergone expulsion and migration, the composition of NSO compounds retained in rocks is determined not only by their origin but also by their interactions with different mineral surfaces. The controls of lithofacies on NSO inventories were investigated using examples of unconventional systems with the three globally most significant lithofacies, namely the biogenic carbonate-rich Niobrara Shale, the biogenic quartz-rich Barnett Shale and the detrital clay-rich Posidonia Shale. Extracts of the siliciclastic Barnett and Posidonia samples reveal high fractions of NSO compounds confirming their generally higher retention capacities for the polar compounds. While biogenic quartz preferentially preserves and retains organonitrogen compounds, the more polar acidic organooxygen compounds are preferably retained by clay minerals. Within the Niobrara and the Barnett systems, lithofacies variations respectively in carbonate and biogenic quartz content lead to intra-formation migration. The low-polarity organonitrogen compounds are preferentially retained in both Niobrara (to a less extent) and Barnett source rock units. While the highly alkylated small acidic NSO molecules preferably migrate out of the Niobrara carbonate source rock units, acidic NSO compounds irrespective of molecule size and alkylation degree are all strongly retained in the biogenic quartz-rich Barnett source showing no fractionation.

Description: Organisches Material in Sedimentgestein, das in organischen Lösungsmitteln löslich ist, ist ein komplexes Gemisch, das eine Vielzahl organischer Stickstoff-, Schwefel- und Sauerstoffhaltiger (NSO) Verbindungen enthält. Stickstoff-, Schwefel- und Sauerstoffatome können sowohl aus biogenen als auch aus abiogenen Quellen stammen, so dass organische Stickstoff-, Schwefel- und Sauerstoffhaltige Verbindungen exzellent dafür geeignet sind, paläoökologische und Signaturen sowie die Art des abgelagerten organischen Materials zu erfassen. Darüber hinaus führen ihre physikalischen Eigenschaften zu einer erhöhten Fähigkeit, mit Mineralen unterschiedlicher Oberflächenchemie in Wechselwirkung zu treten, so dass sie spezifische Hinweise zur Aufklärung der lithofazies-beeinflussten Fraktionierung während der Erdölexpulsion und -migration liefern können. Ihre Charakterisierung auf molekularer Ebene war jedoch lange analytisch auf die niedermolekulare Fraktion beschränkt, bevor sie hier mit Hilfe der ultrahochauflösenden Massenspektrometrie ein Quantensprung erzielt wurde. Diese Arbeit untersucht mittels hochauflösender Massenspektrometrie den Biomasseeintrag, die Ablagerungsbedingungen und die lithofaziesbeeinflusste Fraktionierung, die durch die höhermolekularen Stickstoff-, Schwefel- und Sauerstoffhaltigen Verbindungen dokumentiert wurden, anhand von ausgewählten repräsentativen Erdölsystemen. Der Einfluss biologischer Quellen (Meeresalgen, Landpflanzen und lakustrische Algen wie Botryococcus braunii) auf sdie Zusammensetzung auerstoff- und stickstofforganischer Verbindungen wurde anhand von Lösungsmittelextrakten aus unreifen bis früh reifen Gesteinsproben aus den marinen Dynow-, Schöneck- und Posidonia-Formationen, der lakustrischen Wealden-Formation und den terrestrischen Waikato- und Brunner-Kohleflözen untersucht. Kohlen als In-situ-Ablagerungen von Landpflanzen bestehen in erster Linie aus aromatischen polyoxygenierten Ox- und N1Ox-Verbindungen, die Abbauprodukte von Lignin und Tannin wie phenolische Ketone und phenolische Carbonsäuren sowie deren Kondensationsprodukte mit den proteinhaltigen Abbauprodukten sind. Aliphatische Ox Anteile aus Pflanzenmembranen und –strukturstoffen (hauptsächlich Wachse und Cutan) weisen eine ausgeprägte Dominanz gerader oder ungerader Kohlenstoffzahlen im Bereich C23–C33 auf, wobei C26, 28, 30 oder C27, 29, 31 die wichtigsten Homologe sind. Im Gegensatz dazu tragen die mikrobiellen Gemeinschaften aus Meer und Seen reichlich mittelkettige C22, C24 oder C23, C25 Ox-Verbindungen bei. Die marinen Gesteinsextrakte zeichnen sich darüber hinaus durch einen höheren Anteil an organischen Stickstoffverbindungen aus, insbesondere die N2- und N2Ox-Klassen, die als Signaturen proteinreicher mariner Algen interpretiert werden. Das hochaliphatische Algaenan von Botryococcus braunii schützt sterisch seine sauerstoffhaltigen Funktionsgruppen, was zu einer großen Fülle von Ox-Verbindungen führt. Darüber hinaus zeichnet sich organisches Material von Botryococcus braunii durch umfangreiche heteroatomare Verbindungen mit mehr als 40 Kohlenstoffatomen aus. Schwefelorganische Verbindungen als anorganische-organische Inkorporationsprodukte während der frühen Diagenese wurden in Extrakten der oben genannten marinen und lakustrischen Proben charakterisiert, um Hinweise auf sowohl Ablagerungsbedingungen als auch das organische Ursprungsmaterial zu erhalten. Die eisenarmen sulfidischen Ablagerungsbedingungen der Posidonia- und Schöneck-Formationen führen zu reichlich vorhandenen schwefelorganischen Verbindungen mit bis zu drei Schwefelatomen. Das hohe Verhältnis von reduzierten zu oxidierten Formen (Sz versus SzOx) verdeutlicht die begrenzte Präsenz von Oxidationsmitteln an den oxisch-anoxischen Grenzflächen. Die beobachtete starke Anreicherung von schwefelorganischen Verbindungen mit 40, 35, 30 und 25 Kohlenstoffatomen steht im Zusammenhang mit der selektiven Erhaltung polyfunktionalisierter Biomoleküle durch Sulfurisierung, wie z. B. C40-Carotinoide, C35-Bakteriohopanepolyole, C30-ungesättigte tetrazyklische polyprenoide Alkohole oder C30- oder C25-stark verzweigte Isoprenoide Alkene. Die starke Anreicherung von geschwefelten C35-Bakteriohopanepolyolen kann als Indikator für die geringe Sauerstoffbelastung vor der Schwefelung angesehen werden, die nur in den Dynow- und Schöneck-Formationen auftritt. Die starke Anreicherung von geschwefelten Carotinoiden ist typischerweise mit einer hohen Primärproduktivität verbunden. Während die starke Anreicherung von sulfurisierten stark verzweigten isoprenoiden Alkenen auf Kieselalgenblüten hinweisen, stammen die Vorläufer der C30-pentacyclischen polyprenoiden schwefelorganischen Verbindungen aus Süß- und Brackwasseralgen. Bei Erdölsystemen, in denen das Erdöl bereits aus dem Muttergestein gewandert ist, wird die Zusammensetzung der in den Gesteinen zurückgehaltenen NSO Verbindungen nicht nur durch ihren Ursprung, sondern auch durch ihre Wechselwirkungen mit den verschiedenen Mineraloberflächen bestimmt. Die Auswirkungen der Lithofazies auf das Inventar an NSO Verbindungen wurden anhand von drei Beispielen unkonventioneller Erdölsysteme mit den weltweit bedeutendsten Lithofazies, nämlich dem biogenen karbonatreichen Niobrara-Schiefer, dem biogenen quarzreichen Barnett-Schiefer und dem detritischen tonreichen Posidonia-Schiefer. Die Extrakte der siliklastischen Barnett- und Posidonia-Proben weisen hohe Anteile an NSO Verbindungen auf, was ihr generell höheres Adsorbtionsvermögen für die polaren Verbindungen bestätigt. Während biogener Quarz bevorzugt organische Stickstoffverbindungen zurückhält, werden die polareren sauren organischen Sauerstoffverbindungen vorzugsweise von Tonmineralen zurückgehalten. Innerhalb des Niobrara- und des Barnett-Systems führen lithofaziale Unterschiede im Karbonat- bzw. biogenen Quarzgehalt zu einer Migration innerhalb der Formation. Die niederpolaren organischen Stickstoffverbindungen werden vorzugsweise sowohl in den Niobrara- als auch in den Barnett-Quellgesteinseinheiten zurückgehalten. Während die stark alkylierten kleinen sauren NSO Moleküle vorzugsweise aus den Niobrara-Quellgesteinseinheiten abwandern, werden saure NSO Verbindungen unabhängig von der Molekülgröße und dem Alkylierungsgrad alle stark in der Barnett-Quelle zurückgehalten und zeigen keine Fraktionierung.

Description: Wie können Satellitendaten, genauer gesagt Sentinel Daten des europäischen Erdbeobachtungprogramms Copernicus, im Bereich Umweltmonitoring unterstützend angewandt werden? Und wie können Umweltbehörden diese Erkenntnisse nutzen? Neben diesen beiden Fragen stehen sowohl die Anwendung unterschiedlicher Bandkombinationen und Indizes, als auch unzählige Beispiele aus der Praxis im Mittelpunkt der Schulungsreihe "Framework Partnership Agreement on Copernicus User Uptake - Copernicus für Umweltbehörden". Das erste Dokument dieser Reihe bietet eine Schritt für Schritt Anleitung zur Analyse der Pflanzenvitalität in Naturschutzgebieten. Mithilfe von Sentinel-2 Daten und dem Normalised Difference Vegetation Index (NDVI) analysieren wir die (vitalitäts-bezogenen) Auswirkungen eines Dürreereignisses auf unterschiedliche terrestrische Naturschutzgebiete.

Description: Wie können Satellitendaten, genauer gesagt Sentinel Daten des europäischen Erdbeobachtungprogramms Copernicus, im Bereich Umweltmonitoring unterstützend angewandt werden? Und wie können Umweltbehörden diese Erkenntnisse nutzen? Neben diesen beiden Fragen stehen sowohl die Anwendung unterschiedlicher Bandkombinationen und Indizes, als auch unzählige Beispiele aus der Praxis im Mittelpunkt der Schulungsreihe "Framework Partnership Agreement on Copernicus User Uptake - Copernicus für Umweltbehörden". Das zweite Dokument dieser Reihe bietet eine Schritt für Schritt Anleitung für die Analyse eines 5-jährlichen Hochwasserereignisses am Rhein. Mithilfe von Sentinel-2 Daten, dem Normalised Difference Water Index (NDWI) und Landnutzungsinformationen ermitteln wir Überschwemmungsflächen und identifizieren die betroffenen Landnutzungsarten.

Description: Satellitendaten in einem GIS zu bearbeiten, ist gar nicht so kompliziert. Das zweite Dokument aus der Reihe SAPIENS: Satellitendaten für Planung, Industrie, Energiewirtschaft und Naturschutz ermöglicht den Einstieg in das kostenlose Geoinformationssystem QGIS und beschreibt grundlegende Arbeitsschritte bei der Verarbeitung optischer Satellitendaten. Schritt für Schritt erklären wir, wie man die Daten mit QGIS in verschiedenen Bandkombinationen darstellen und Indizes berechnen kann und wie man sie symbolisieren, zuschneiden und exportieren kann, mit vielen zusätzlichen Tipps, weiterführenden Weblinks und einem Exkurs zu Vektor- und Offenen Geodaten.

Description: Sollen Satellitendaten bearbeitet werden, ist die von der ESA bereitgestellte kostenlose Software SNAP sehr gut geeignet, besonders für Sentineldaten. Aber wie funktioniert das englischsprachige Programm? Das Extra-Handbuch aus der Reihe SAPIENS: Satellitendaten für Planung, Industrie, Energiewirtschaft und Naturschutz erklärt anschaulich die wichtigsten Schritte und Funktionen. Wir zeigen, wie man Satellitenszenen einladen, visualisieren, atmoshärisch korrigieren, mit verschiedensten Werkzeugen bearbeiten und dabei häufige Arbeitsschritte automatisieren kann. Ein ganzes Kapitel ist außerdem der Vielzahl von Indizes gewidmet, die in SNAP zur Verfügung stehen.

Description: This study presents an enhancement to the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) by integrating low Earth orbiters (LEOs) to a joint precise orbit determination (POD) processing. The Global Position System (GPS) operated by the United States is studied as a representative of all GNSS. The LEOs equipped with GNSS receivers supplement the receivers of the ground stations, especially for regions with a limited number of employed stations, which can be caused by various reasons. Due to the altitude and high velocity of LEOs, they not only contribute with additional observations, but also with a rapidly-changing observation geometry. Moreover, space-based observations have additional advantages over ground-based observations, e.g., signals are received without the impact of the troposphere. LEOs not only act as kinematic stations for GNSS satellites, but also bring additional orbit dynamics to the integrated system. The constraints caused by these orbit dynamics have an important impact on the determination of the orbits of the GNSS satellites and other parameters beyond that. In this thesis, the following topics are presented: 1) Background information and the basic principles related to the POD of GNSS satellites and LEOs, 2) the separated POD of GNSS satellites and LEOs, 3) the integrated POD, 4) the determination of the antenna phase center offsets (PCOs) of the GPS satellites and other geodetic parameters in the integrated POD. The orbit modeling and processing configuration used in this study for GNSS satellites and LEOs are verified to be compatible with state-of-the-art studies by the separated POD. The orbits of the GNSS satellites and LEOs reach an accuracy of a few centimeters and are comparable with the state-of-art studies. A more efficient outlier detection method has been developed to improve the position determined by using pseudo-range observations. In the study about the enhancement of the GPS orbits by integrating LEOs, a 26-station ground network in a global and sparse distribution is supplemented by different subsets of seven LEOs including GRACE-A/B, OSTM/Jason-2, Jason-3 and, Swarm-A/B/C. A 34% improvement of the GPS orbit in 1D-mean RMS (from 37.5 mm to 23.9 mm) is achieved by including the seven LEOs. Both the number of space-based observations and the LEOs' orbital geometry affect the GPS orbits where the orbital geometry is shown to be more important. The estimated GPS PCOs are also improved by including LEOs. For the x- and y-components of the GPS PCOs, the formal error is reduced significantly due to the additional observations and expanded nadir angle coverage brought by the LEOs during the periods of large solar-elevation angle. The z-component of the GPS PCOs (z-PCO) are strongly correlated with the scale of the terrestrial reference frame. By introducing the orbit dynamics of the seven LEOs to the processing without applying a no-net-scale constraint, the correlation coefficients between the GPS z-PCOs and the scale are reduced from 0.85 to 0.30. Consequently, the GPS z-PCOs can be estimated independently from the a-priori scale and a purely GNSS-based scale can be determined as well. A system-specific -25.5 cm offset of the GPS z-PCOs relative to the values offered by the International GNSS Service (IGS) is computed based on the seven-LEO-integrated solution. Another approach based on Galileo also solves this problem. The GPS satellites, multi-GNSS stations, and Galileo satellites with ground calibrated PCOs are processed jointly to calibrate the GPS z-PCOs and simultaneously determine a Galileo-based scale simultaneously. Based on the comparison and cross-check, a good agreement is shown between the LEO-based and Galileo-based methods. There is a slight improvement in the geocenter when including three Swarm satellites to the processing with about 80 ground stations over a half year. Based on the analysis in theory and the results derived from real data, an obvious enhancement to various aspects of GNSS by the integrated processing with LEOs is shown. More LEOs equipped with GNSS receivers and carefully calibrated PCOs are expected for further missions or even the next generation of GNSS.

Description: In dieser Arbeit wird eine Verbesserung der globalen Satellitennavigationssysteme (GNSS) durch die Einbindung von Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen (LEOs) in eine gemeinsame präzise Bahnbestimmung (POD) vorgestellt. Das von den Vereinigten Staaten betriebene Global Positioning System (GPS) wird stellvertretend für alle GNSS untersucht. Die mit GNSS-Empfängern ausgestatteten LEOs ergänzen die Empfänger der Bodenstationen, vor allem in Regionen, in denen aus verschiedenen Gründen nur wenige Stationen verfügbar sind. Aufgrund der Orbithöhe und schnellen Bewegung der LEOs tragen diese nicht nur mit zusätzlichen Beobachtungen bei, sondern auch mit einer sich schnell verändernden Beobachtungsgeometrie. Darüber hinaus haben weltraumgestützte Beobachtungen zusätzliche Vorteile gegenüber bodengestützten Beobachtungen, z. B. werden Signale ohne den Einfluss der Troposphäre empfangen. LEOs stellen nicht nur kinematische Stationen für die GNSS-Satelliten dar, sondern bringen auch eine zusätzliche Bahndynamik in das integrierte System ein. Die durch diese Bahndynamik gegebenen Beschränkungen sind sowohl für die Bahnbestimmung der GNSS Satelliten als auch für weitere Parameter äußerst relevant. In dieser Arbeit werden die folgenden Themen behandelt: 1) Hintergrundinformationen und Grundprinzipien der POD von GNSS-Satelliten und LEOs, 2) eine separate POD von GNSS-Satelliten und LEOs, 3) eine integrierte POD, 4) die Schätzung der Antennen-Phasenzentrumsversätze (PCOs) der GPS-Satelliten und anderer geodätischer Parameter in der integrierten POD. Die separaten PODs bestätigen, dass die in dieser Studie verwendete Bahnmodellierungs- und Prozessierungskonfiguration der GNSS-Satelliten und LEOs mit dem aktuellen Stand der Forschung kompatibel ist. Die Bahnen der GNSS-Satelliten und LEOs erreichen eine Genauigkeit von wenigen Zentimetern. Es wurde eine effizientere Methode zur Erkennung von Ausreißern entwickelt, um die mit Hilfe von Pseudo-Range-Beobachtungen ermittelte Position zu verbessern. Ein Bodennetz mit 26 global dünn verteilten Stationen wird verwendet, um die Verbesserung der GPS-Bahnen durch die Integration von verschiedenen Teilgruppen der sieben LEOs GRACE-A/B, OSTM/Jason-2, Jason-3 und Swarm-A/B/C zu untersuchen. Bei der Einbeziehung aller sieben LEOs ergibt sich eine Verbesserung des 1D RMS Mittelwertes der GPS-Orbits von 34 % (von 37,5 mm auf 23,9 mm). Sowohl die Anzahl der weltraumgestützten Beobachtungen als auch die Geometrie der Bahnen der LEOs beeinflussen die GPS-Bahnen, wobei die Orbitgeometrie sich als der wichtigere Faktor erweist. Die geschätzten GPS PCOs werden durch die Einbeziehung von LEOs ebenfalls verbessert. Der formale Fehler der x- und y-Komponenten der GPS PCOs wird durch die zusätzlichen Beobachtungen und die größere Abdeckung des Nadirwinkels, den die LEOs während Perioden eines großen Sonnenstandswinkels mit sich bringen, erheblich reduziert. Die z-Komponente der GPS PCOs (z-PCO) ist mit dem Maßstabsfaktor des terrestrischen Referenzrahmens stark korreliert. Durch die Berücksichtigung der Bahndynamik der sieben LEOs in der Prozessierung werden ohne Fixierung des Maßstabes (d.h. ohne eine No-Net-Scale Bedingung) die Korrelationskoeffizienten zwischen den GPS z-PCOs und dem Maßstabsfaktor von 0,85 auf 0,30 reduziert. Folglich können zum einen die GPS z-PCOs unabhängig von einem externen Maßstab geschätzt werden und zum anderen kann ein rein GNSS-basierter Maßstabsfaktor bestimmt werden. Mit der integrierten Lösung mit sieben LEOs ergibt sich ein systemspezifischer Versatz der GPS z-PCOs von -25,5 cm relativ zu den vom International GNSS Service (IGS) veröffentlichten Werten. Ein anderer Ansatz basierend auf Galileo löst dieses Problem ebenfalls. Die GPS Satelliten, Multi-GNSS Bodenstationen und Galileo Satelliten mit bodenkalibrierten PCOs werden gemeinsam prozessiert, um die GPS z-PCOs zu kalibrieren und gleichzeitig einen Galileo-basierten Maßstabsfaktor zu bestimmen. Ein Vergleich zur Überprüfung zeigt eine hohe Übereinstimmung der LEO- und Galileo-basierten Methoden. Die Einbeziehung von drei Swarm Satelliten in eine Prozessierung mit etwa 80 Bodenstationen über ein halbes Jahr hinweg zeigt eine leichte Verbesserung des Geozentrums. Auf der Grundlage der theoretischen Analyse und der aus realen Daten abgeleiteten Ergebnisse zeigt sich eine deutliche Verbesserung verschiedener Aspekte der GNSS durch die Integration von LEOs. Es ist zu erwarten, dass mehr LEOs, ausgestattet mit GNSS-Empfängern und sorgfältig kalibrierten PCOs, für künftige Missionen oder sogar die nächste GNSS Generation eingesetzt werden.

Description: The current PhD thesis focuses on phengite and majorite as hosts for nitrogen in the deep Earth. NH4-phengite end member was synthesized in piston-cylinder experiments at 700 °C and 4.0 GPa, and characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray powder diffraction (XRPD) with Rietveld refinement, and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. Its devolatilization behavior (loss of OH and NH4+) was studied by means of in situ micro-FTIR spectroscopy under low and high temperatures (T) using a Linkam cooling-heating stage, and under high pressure (P) conditions in diamond anvil cell (DAC) experiments. To define the extent of NH4+ substitution for K+ in phengite at the same P-T conditions, NH4+/K+ exchange coefficients between aqueous fluids and phengite were experimentally determined in piston-cylinder experiments using the "synthesis exchange technique". Results show that at these P-T conditions, NH4+ partitions equally between phengite and coexisting fluid. Majorite was synthesized in multi-anvil experiments at P-T conditions of mantle transition zone and uppermost part of the lower mantle (18-23 GPa & 1450-1500 °C). Majorite as well as other run products were characterized by electron probe microanalysis (EPMA), XRPD with Rietveld refinement, vibrational spectroscopy (FTIR and Raman spectroscopy) and transmission electron microscopy (TEM). The effect of oxygen fugacity on controlling nitrogen speciation in the host mineral is elaborated here. It is shown that majoritic garnet can host N in different forms (N3- and NH4+) under different redox conditions by different mechanisms. The current PhD thesis therefore supports the argumentation that nitrogen can be introduced to the mantle through subduction, or in other words, that nitrogen in the mantle can be of recycled origin.

Description: A detailed understanding of the geological structural elements is vital for geothermal reservoir exploration. Among existing geophysical methods, seismic methods are most commonly used for subsurface imaging due to the relatively high resolution at significant depths. However, seismic campaigns are rather expensive. The high upfront investment cost represent a substantial barrier for heat/electricity production from geothermal resources. Thus, developing new techniques is vital for further reduction in exploration and drilling costs, which is necessary for geothermal project advancements. Within the framework of the joint research project RissDom-A, the subsurface exploration of the Groß Schönebeck in-situ geothermal laboratory, situated 40 km north of Berlin, a seismic survey was carried out using 3D surface seismic and 3D vertical seismic profiling methods. VSP was acquired with wireline distributed acoustic sensing (DAS), which allows converting a freely suspended fibre optic cable inside a borehole into a dense array of seismic sensors to record strain or strain rate. In this thesis, the applicability of this method is evaluated for seismic imaging of an enhanced geothermal reservoir. The survey design consisted of 61 vibrator source positions organised in a spiral pattern around the boreholes E GrSk 3/90 and Gt GrSk 4/05 in such a way to optimise the illumination of the reservoir. The DAS recordings have an excellent signal-to-noise ratio (40-50 dB around 1000 m, 4-10 dB at around 4200 m). This data quality was reached with 16 vertical stacking rates on average. In addition, a comparison with a conventional accelerometer measurement showed excellent waveforms agreement. The acquisition campaign was conducted within four days, illustrating that wireline DAS is very attractive both from a data quality point of view and economically. A 3D VSP processing workflow was adapted to the Groß Schönebeck specifics and applied to the data. Particular depth ranges of the recorded data are subjected to strong coherent noise, which has a distinct pattern both in the time and the frequency domain. This type of noise is related to the poor coupling conditions of the cable in the borehole. For signal-to-noise ratio improvement, several existing denoising methods have been analysed. After coupling noise filter function assessment, a new noise elimination method was proposed based on the matching pursuit decomposition technique with Gabor atoms. The developed processing routine was uniformly applied to the whole dataset, which significantly improved the data quality, and as a result, migration images created using the Kirchhoff depth migration algorithm with restricted aperture. After data processing, a detailed subsurface analysis in the vicinity of the boreholes at the Groß Schönebeck was carried out using the 3D DAS VSP image. The resulting borehole cube data resolve new features that could not be imaged with the 3D surface seismic cube due to the lower resolution of the 3D surface seismic cube, with respect to the 3D VSP cube. Complex thin interlaying of the Upper Rotliegend horizons has been revealed in the geothermal reservoir section, allowing for the first time to access and characterise so-called “phantom horizons” which are typical for the Brandenburg area, Germany. Furthermore, the borehole cube provided new insights on two main targets for future exploration. The 3D DAS VSP cube revealed an intra-reservoir structure inside the Elbe reservoir sandstone layer, which could represent porous parts of a stacked fluvial sandstone body. The estimated thickness of this structure varies between 25 to 40 m, which is thinner than previous estimations. Additionally, a lower Rotliegend unconformity (at around 4.2 km depth) was mapped in the study area. This allowed to estimate the possible thickness of the vulcanite sections below this boundary. VSP data thus helped to reduce the uncertainty and exploration risks by providing valuable information for the geological characterisation of the Groß Schönebeck site. With this successful case study I demonstrated that fibre optic data could significantly contribute to the characterisation of deep geothermal reservoirs. Consequently, presented results contribute to the wireline distributed acoustic sensing method promotion to develop modern, reliable and economically affordable exploration methods for geothermal energy assessments.

Description: Ein detailliertes Verständnis der geologischen Strukturelemente ist für die Erkundung geothermischer Reservoire unerlässlich. Unter den bekannten geophysikalischen Methoden werden vor allem seismische Untersuchungen zur Abbildung des Untergrunds aufgrund der vergleichsweise hohen Auflösung bis in große Tiefen genutzt. Seismikkampagnen sind jedoch verhältnismäßig teuer. Die hohen Anfangsinvestitionskosten bilden eine erhebliche Hürde für die Wärme- und Stromproduktion aus geothermischen Ressourcen. Daher ist die Entwicklung neuer Techniken zur Reduktion von Exploarations- und Bohrkosten für die notwendige Förderung geothermischer Projekte essenziell. Im Rahmen des Verbundforschungsprojekts RissDom-A, der Untergrunderkundung des 40 km nördlich von Berlin gelegenen Groß Schönebeck in-situ Geothermielabors, wurden seismische Messungen durchgeführt, bestehend aus einer 3D-Oberflächen- und einer 3D-Bohrlochseismik. Die VSP-Daten (Vertical Seismic Profiling) wurden mittels kabelgebundenem DAS (Wireline Distributed Acoustic Sensing) aufgezeichnet, was die Umwandlung eines frei im Bohrloch hängenden faseroptischen Kabels in ein dichtes Array seismischer Sensoren zur Registrierung von Strain oder Strain-Rate erlaubt. In dieser Doktorarbeit wird die Anwendbarkeit dieser Methodik für die seismische Abbildung von EGS-Reservoiren (Enhanced Geothermal System) eingehend ausgewertet. Die Messkonfiguration bestand aus 61 Vibrator-Quellpositionen, die in einem spiralförmigen Pattern um die beiden Bohrlöcher E GrSk 3/90 und Gt GrSk 4/05 derart verteilt wurden, dass eine optimale Durchschallung des Reservoirs gegeben war. Die DAS-Aufzeichnungen zeigen ein exzellentes Signal/Rausch-Verhältnis (40-50 dB bei ca. 1000 m, 4-10 dB bei ca. 4200 m). Diese Datenqualität konnte aufgrund der durchschnittlich 16-fachen vertikalen Stapelrate erzielt werden. Zu Vergleichswecken zusätzlich vorgenommene konventionelle BeschleunigungsaufnehmerMessungen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung der Wellenformen. Die Messkampagne umfasste vier Tage, was die Attraktivität von Wireline-DAS unter sowohl qualitativen als auch ökonomischen Aspekten überzeugend demonstriert. Eine 3D-VSP Bearbeitungssequenz wurde an die Besonderheiten der Groß Schönebeck Messungen angepasst und auf die Daten angewendet. Einzelne Tiefenbereiche der Aufzeichnungen enthalten starke kohärente Störsignale, die ein ausgeprägtes Muster sowohl im Zeitals auch im Frequenzbereich aufweisen. Diese Art Noise ist auf eine ungenügende Ankopplung des Kabels im Bohrloch zurückzuführen. Zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses wurden verschiedene gebräuchliche Unterdrückungsmethoden untersucht. Nach Analyse der Kopplungsnoise-Filterfunktion konnte eine neuartige Methode zur Rauschunterdrückung etabliert werden, welche auf einer Matching-Pursuit Dekompositionstechnik mit Gabor-Atomen basiert. Der auf diese Weise entwickelte Prozessierungsansatz wurde gleichmäßig auf den gesamten Datensatz angewendet, was die Datenqualität signifikant erhöhte, so dass in der Folge Migrationsabbilder unter Verwendung eines Kirchhoff-Tiefenmigrationsverfahrens mit beschränkter Apertur erzeugt werden konnten. Nach erfolgter Datenbearbeitung wurde anhand der DAS/VSP 3D-Daten eine detaillierte Untergrundanalyse im Bereich der Groß Schönebeck Bohrlöcher durchgeführt. Das resultierende Bohrlochaten-Volumen löst viele neue Details auf, die mit dem 3D-Volumen der Oberflächenseismik aufgrund des vergleichsweise geringeren Auflösungsvermögens nicht abgebildet wurden. So konnten in der geothermischen Reservoirsektion komplexe dünnschichtige Einlagerungen im Oberen Rotliegend nachgewiesen werden, die erstmalig die Ansprache und Charakterisierung sogenannter „Phantom-Horizonte“ ermöglichen, wie sie typisch für das Gebiet Brandenburg, Deutschland sind. Weiterhin liefert der Bohrlochdaten-Kubus neue Einblicke auf zwei Hauptziele zukünftiger Explorationen. Das DAS/VSP 3D-Datenvolumen zeigt eine Intra-Reservoir Strukur innerhalb der Elbe-Sandstein Schicht, die poröse Anteile eines gestapelten fluvialen Sandsteinkörpers repräsentieren könnte. Die geschätzte Mächtigkeit dieser Struktur variiert zwischen 25 und 40 m, was dünner ist, als zuvor angenommen. Des weiteren konnte im Untersuchungsgebiet eine Diskordanz im Unteren Rotliegend (in einer Tiefe von ca 4.2 km) kartiert werden. Dies erlaubt es, die mögliche Mächtigkeit der Vulkanite darunter abzuschätzen. Somit helfen die VSP-Daten dabei, die Unklarheiten und das Explorationsrisiko zu reduzieren, indem sie wertvolle Informationen zur geologischen Charakterisierung des Groß Schönebeck Standorts liefern. Mit dieser Fallstudie konnte ich erfolgreich demonstrieren, dass mithilfe faseroptischen Kabels gewonnene Messdaten zur Charakterisierung geothermischer Reservoire maßgeblich beitragen können. In der Konsequenz fördern die präsentierten Ergebnisse die Bedeutung von Wireline Distributed Acoustic Sensing im Hinblick auf eine moderne, verlässliche und ökonomische Explorationsmethode für geothermische Energiekonzepte.

Description: Important aspects of geothermal exploration and exploitation are the assessment and mitigation of natural and/or induced seismicity, the imaging and resource assessment of a geothermal reservoir and the monitoring of the effects of the exploitation activities. With this thesis the analysis and application of various seismological tools for the planning, exploration, and monitoring of geothermal fields are given. The methods explored and further developed include survey design for microseismic network construction and assessment, local earthquake tomography, ambient noise tomography, and coda wave interferometry. These techniques were applied to study Los Humeros (Mexico), Theistareykir (Iceland) and Reykjanes (Iceland) geothermal fields. The geometry of seismological arrays is essential for high quality seismic event retrieval and minimal location errors. A sequential survey design algorithm that uses a quality measure based on the D-criterion was applied to extend the seismic network at Theistareykir and to qualify the geometry of the Reykjanes network. Assuming mean picking errors of tp =0.2 s and ts = 0.4 s, the extended Theistareykir network presented an improvement of ∼0.2 km for the computed hypocentral components of seismic events located within the new network. Conversely, we estimated that the Reykjanes network could spare up to 18 of its station locations and obtain comparable location errors nonetheless. This study showed thei mportance of prior survey design experiments to optimize the expenses for a geothermal project (required number of sensors) while obtaining good location estimates of expected seismic events (benefit/cost relations). To characterize the seismic structures at Los Humeros and Theistareykir geothermal fields, a local earthquake tomography and an ambient noise tomography were computed at both locations, respectively. A local earthquake tomography is feasible in areas with high seismicity and good ray coverage (earthquake/station geometries). On the other hand, an ambient noise tomography depends on a good and sufficiently dense station distribution. With the results of these studies, the seismic structures and the dynamics of these two producing fields were obtained for the first time. The seismicity distribution at Los Humeros was used to characterize structures and potential permeability enhancements in some of the existing faults. The retrieved Vp model was combined with available well log data and ultrasonic pulse measurements of collected rock samples to estimate the boundaries of different geologic units. The Vp/Vs model was then used in combination with resistivity data and surface CO2 measurements to deduce the geometry of the conductive clay cap (Vp/Vs ≤ 1.65 and resistivities ≤ 10 Ωm), to identify fluid (Vp reduction, Vp/Vs ≥ 1.71, and resistivities between ∼ 10-60 Ωm), and to locate gas bearing regions (Vp/Vs ≤ 1.55 and high surface CO2 concentrations). A similar study was carried out at Theistareykir, where the Vs model was combined with resistivity data to identify magmatic and/or hydrothermal bodies (Vs ≤ -7 %, resistivities ≤ 30 Ωm). An important conclusion from these studies is that the combination of seismic properties with additional geological and/or geophysical data avoids ambiguities and provides robust interpretations of the dynamics and structure of a geothermal reservoir. Finally, a coda wave interferometry technique (stretching method) was applied to two years of ambient noise records at the Theistareykir geothermal field with the aim to monitor possible velocity changes due to the exploitation activities. Here, the effects of the injection and production changes were very small on the computed Δv/v ratio and only a small long-term velocity reduction (possibly due to production) was detected (-0.05 %/year at the producing field compared to a regional -0.04 %/year). Such observations are also very relevant for the safe long-term continuation of exploitation activities. Although not yet a standard practice, the computation of these changes is very useful to control aseismic processes prior to potentially triggered/induced large seismic events and is complementary to microseismic monitoring. With these results, this thesis contributes to the efforts of the International Energy Agency to develop and increase the use of geothermal energy.

Description: Wichtige Aspekte der geothermischen Exploration und Nutzung sind die Bewertung und Reduzierung der natürlichen und/oder induzierten Seismizität, die Abbildung und Ressourcenbewertung eines geothermischen Reservoirs, sowie die Überwachung der Auswirkungen der Explorationsaktivitäten. In dieser Arbeit werden die Analysen und Anwendungen verschiedener seismologischer Methoden zur Planung, Erkundung und Überwachung geothermischer Felder vorgestellt. Die untersuchten und hier weiterentwickelten Methoden umfassen das Design für den Aufbau und die Bewertung mikroseismischer Netzwerke, die lokale Erdbebentomographie, die Ambient-Noise-Tomographie und die Coda-Wellen-Interferometrie. Diese Techniken werden angewendet, um die geothermischen Felder Los Humeros (Mexiko), Theistareykir (Island) und Reykjanes (Island) zu untersuchen. Die Geometrie seismologischer Arrays ist essentiell für eine gute Bestimmung seismischer Ereignisse mit kleinen Lokationsungenauigkeiten. Ein sequenzieller Algorithmus zum Design des Arrays, der eine Qualitätskennzahl auf der Grundlage des D-Kriteriums verwendet, wurde benutzt, um das seismische Netzwerk in Theistareykir zu erweitern und die Geometrie des Reykjanes-Netzwerks zu testen. Unter der Annahme von mittleren Ablesefehlern von tp = 0.2 s und ts = 0.4 s für P- und S- Wellen verbessert das erweiterte Theistareykir-Netzwerk die berechneten Hypo-Zentren um 0.2 km innerhalb des neuen Netzes. Das Reykjanes-Netz könnte andererseits um bis zu 18 Stationsstandorte reduziert werden und dennoch vergleichbare Lokationsgenauigkeiten erzielen. Diese Studie zeigte die Wichtigkeit vor den eigentlichen Feld-Experimenten Tests möglicher Array-Designs durchzuführen um die Kosten für ein geothermisches Projekt (erforderliche Anzahl von Sensoren) zu optimieren und gleichzeitig gute Lokationen für erwartete seismische Ereignisse zu erhalten (Nutzen/Kostenverhältniss). Um die seismischen Strukturen der geothermischen Felder Los Humeros und Theistareykir zu charakterisieren, wurden an beiden Standorten eine lokale Erdbebentomographie und eine Ambient-Noise-Tomographie berechnet. Eine lokale Erdbebentomographie ist in Gebieten mit hoher Seismizität und guter Strahlenabdeckung (Erdbeben/Stationsgeometrie) möglich. Eine Ambient-Noise-Tomographie hängt nur von einer guten und ausreichend dichten Stationsverteilung ab. Mit den Ergebnissen dieser Studien wurden dann erstmals die seismischen Strukturen und die Dynamik dieser beiden produzierenden Felder ermittelt. Die Seismizitätsverteilung in Los Humeros wurde verwendet, um Strukturen und potenzielle Verbesserungen in der Durchlässigkeit einiger Störungszonen zu charakterisieren. Das abgeleitete Vp-Modell wurde mit Bohrloch-Daten und Ultraschall-Messungen an Gesteinsproben kombiniert, um die Grenzen verschiedener geologischer Einheiten abzuschätzen. Das Vp/Vs-Modell wurde dann in Kombination mit Widerstandsdaten und Oberflächen-CO2-Messungen verwendet, um die Geometrie der leitfähigen Tonkappe abzuleiten (Vp/Vs ≤ 1.65 und Widerstand ≤ 10 Ωm), um Fluide zu identifizieren (reduzierte Vp Werte, Vp/Vs ≥ 1.71 und Widerstände zwischen 10-60 Ωm) und um gasführende Bereiche zu lokalisieren (Vp/Vs ≤ 1.55 und hohe CO2-Konzentrationen). Eine ähnliche Studie wurde in Theistareykir durchgeführt, wo das Vs-Modell mit Widerstandsdaten kombiniert wurde, um magmatische und/oder hydrothermale Körper zu identifizieren (Vs ≤ -7 %, Widerstände ≤ 30 Ωm). Eine wichtige Schlussfolgerung aus diesen Studien ist, dass die Kombination von seismischen Eigenschaften mit zusätzlichen geologischen und/oder geophysikalischen Daten Mehrdeutigkeiten vermeidet und robuste Interpretationen der Dynamik und Struktur eines geothermischen Reservoirs liefert. Weiterhin wurde eine Coda-Wellen-Interferometrie-Technik (Dehnungsmethode) auf zwei Jahre Ambient-Noise-Daten im Geothermiefeld Theistareykir angewendet, um mögliche Geschwindigkeitsänderungen aufgrund der Nutzung des Feldes zu überwachen. Hier waren die Auswirkungen der Injektions- und Produktionsveränderungen auf das Δv/v-Verhältnis sehr gering und nur eine kleine, möglicherweise produktionsbedingte, langfristige Geschwindigkeitsreduktion wurde festgestellt (-0.05 %/Jahr innerhalb des Produktionsbereichs im Vergleich zum regionalen Wert von -0.04 %/Jahr). Solche Beobachtungen sind für die sichere langfristige Ausbeutung von geothermischen Feldern von großer Bedeutung. Obwohl es noch keine Standardpraxis ist, ist die Berechnung dieser Änderungen weiterhin sehr nützlich, um aseismische Prozesse vor potenziell ausgelösten/induzierten großen seismischen Ereignissen zu steuern, sie ergänzen weiterhin die mikroseismische Überwachung. Mit diesen Ergebnissen trägt die vorgelegte Arbeit zu den Bemühungen der Internationalen Energieagentur bei, die Nutzung von Geothermie zu entwickeln und zu erhöhen.

Description: Mit dem Journal „System Erde“ berichtet das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ über die unterschiedlichen Facetten seiner Forschungsarbeiten. Die Reihe richtet sich vor allem an Entscheidungsträger in Wissenschaft, Gesellschaft und Politik, an interessierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie an die fachinteressierte Öffentlichkeit.

Description: Netzwerk Worauf die Wissenschaft nach der Hochwasserkatastrophe 2021 Antworten finden muss 51 Wie wird eine Flut zur Katastrophe? 52 Neue Web-Plattform zur Planung der Hochwasservorsorge in Städten 52 Genauere Abschätzung erwartbarer Hochwasserschäden 53 Die seismische Chronik einer Sturzflut 54 GFZ-Taskforce am Vulkanausbruch auf La Palma 55 Wann Erdbeben Vulkanausbrüche auslösen 56 Langsame und reguläre Erdbeben wechselwirken in der Nähe von Istanbul 57 Flussläufe als Kohlenstoffsenken 58 Der Puls des Toten Meeres 58 Quecksilber wird unter grönländischem Eisschild freigesetzt 59 Regenfälle verändern arktischen Kohlenstoffkreislauf 59 Superionisches Eis: Neues zu Magnetfeldern von Uranus und Neptun 60 Wie Wasser auf Eisplaneten den felsigen Untergrund auslaugt 60 Können Astronauten unbeschadet zum Mars fliegen? 60 Chancen und Grenzen von Künstlicher Intelligenz in der Klimamodellierung 61 Mehr Rechenpower für das GFZ 62 Laborneubau GeoBioLab 62 Neue digitale Weiterbildungsformate in der Satelliten-Fernerkundung 63 BMBF prämiert das GFZ als Vorreiter in der internationalen Wissenschaftsdiplomatie 64 GFZ Friends – Förderverein des GFZ 64 Ausgezeichnet 65

Description: Mit dem Journal „System Erde“ berichtet das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ über die unterschiedlichen Facetten seiner Forschungsarbeiten. Die Reihe richtet sich vor allem an Entscheidungsträger in Wissenschaft, Gesellschaft und Politik, an interessierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie an die fachinteressierte Öffentlichkeit.

Description: Was wissen wir über Vulkane im Meer und an Land? Wie kann man sich vor ihnen schützen? Verändern sie das Klima? In unserem großen Themenspezial gehen wir diesen spannenden Forschungsfragen nach.

Description: Was ist Fernerkundung? Was sehen Satelliten? Und wie können optische Satellitendaten genutzt werden? Diese Fragen und mehr beantwortet das erste Dokument aus der Reihe SAPIENS: Satellitendaten für Planung, Industrie, Energiewirtschaft und Naturschutz. Wir geben eine kurze Einführung in die Fernerkundung mit vielen weiterführenden Weblinks und Anwendungsbeispielen.

Description: Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R) is a novel remote sensing technique that exploits the GNSS signals after being reflected off the Earth's surface. Monitoring of ocean wind is one of the applications and the main objective of recently launched satellite missions. This thesis aims at the development and characterization of these geophysical data products. Using the UK TechDemoSat-1 (TDS-1) measurements, a GNSS-R wind speed dataset is developed. The resulting data are evaluated in comparison to those obtained from the Advanced Scatterometer (ASCAT). Wind field estimates of European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF) reanalysis-Interim (ERA-Interim) and in situ observations from the Tropical Atmosphere Ocean (TAO) buoy array in the Pacific are taken as reference. The evaluation using ECMWF winds results in a root-mean-squared error (RMSE) and bias of 2.77 and -0.33 m/s, being comparable to those derived from ASCAT estimates, as large as 2.31 and 0.25 m/s, respectively. The derived winds show a higher level of robustness against rain with an RMSE and bias of 2.94 and -0.21 m/s over oceans under precipitations, in comparison to those obtained from ASCAT measurements, which are 3.16 and 1.03 m/s, respectively. Nonetheless, the BRCS reduces to lower values during rain events at low wind speeds. The signal attenuation by rain is investigated simulating GNSS-R delay-Doppler maps at different rain rates and reflection geometries. It is shown that the resulting bias is smaller than approximately 0.35 m/s (1%) at a wind speed of 30 m/s and an incidence angle of 30 degrees. At the same wind speed and incidence angle, the examination reports that a continuous rain at every cell of the signal propagation path, at rates of 10, 15 and 20 mm/h, could lead to overestimation of wind speed not larger than 0.65 m/s (2%), 1.00 m/s (3%), and 1.3 m/s (4%), respectively. It is concluded that rain attenuation is ignorable within the current GNSS-R applications. Despite a commonly made conclusion that the scatterometric GNSS‐R measurements are not sensitive to the small-scale waves generated by raindrops, this study presents the first evidence that the BRCS is reduced due to rain splash at weak winds, lower than approximately 6 m/s. The decrease in the BRCS derived from TDS-1 measurements is as large as approximately 0.7 dB at the wind speed of 3 m/s due to precipitation at smaller rates than 2 mm/hr. The simulations based on the recently proposed model approves that the rainsplash decreases the BRCS value at low wind speeds. The observed signature could potentially enable the GNSS‐R technique to detect precipitation over oceans after the further characterization studies recommended in this thesis. A model based on the feedforward neural networks is determined to invert the measurements to wind speed. The model results in a significant general improvement of 20% in the RMSE in comparison to the retrieval algorithm deployed initially. The advantages, leading to the achieved improvement, are discussed including the ability to model the effect of the different levels of the Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) of GPS satellites. The derived Mean Absolute Error (MAE) of the satellite with Space Vehicle Number (SVN) of 34 is decreased by 32%. Finally, using CYclone GNSS (CYGNSS) measurements, the first satellite constellation fully dedicated to GNSS-R since December 2016, a signature of ocean mesoscale eddies is demonstrated. The Normalized BRCS (NBRCS) behaves conditionally with distinguishable fluctuations, either over the eddy center or in the edges. Statistical analyses are carried out which report that 28.6% of the CYGNSS measurement tracks show a correlation coefficient of 0.7 or more with the two observed patterns over the eddies. Using ancillary data, a strong inverse correlation of NBRCS with sensible heat flux and surface stress in specific conditions is demonstrated.

Description: Global Navigation Satellite System -Reflektometrie (GNSS-R) ist eine innovative Fernerkundungsmethode, welche GNSS-Signale nutzt, die von der Erdoberfläche reflektiert werden. Die Überwachung von Ozeanwinden auf globaler Skala ist eine Hauptanwendung und Missionsziel verschiedener kürzlich gestarteter Satelliten. Diese Doktorarbeit hat die Entwicklung und Charakterisierung von geophysikalischen GNSS-R-Datenprodukten zum Inhalt. Basierend auf TechDemoSat-1 (TDS-1)-Messungen wird ein GNSS-R-Windgeschwindigkeitsdatensatz erstellt. Die Ergebnisse werden mit Daten vom Advanced Scatterometer (ASCAT) verglichen. Zusätzlich werden Windfeldschätzungen von ERA-Interim (ECMWF, European Centre for Medium-Range Weather forecasts Reanalysis-Interim) und In-situ-Beobachtungen des TAO (Tropical Atmosphere Ocean) Bojenfeldes im Pazifik als Referenz herangezogen. Der Vergleich zu ECMWF-Winden ergibt ein RMSE (Root Mean Square Error) und Bias von 2,77 und -0,33 m/s. Diese Werte sind mit denen vergleichbar, die aus ASCAT-Daten abgeleitet wurden (2,31 bzw. 0,25 m/s). Die TDS-1-Winde zeigen ein höheres Maß an Robustheit gegenüber Regen mit einem RMSE und Bias von 2,94 und -0,21 m/s über Ozeanen bei Niederschlägen im Vergleich zu den ASCAT-Messungen mit 3,16 bzw. 1,03 m/s. Dennoch reduziert der BRCS sich bei Niederschlag unter niedrigen Windgeschwindigkeiten. Die Signaldämpfung durch Regen wird untersucht, indem GNSS-R DDM (Delay-Doppler Maps) bei verschiedenen Regenraten und Reflexionsgeometrien simuliert werden. Es wird gezeigt, dass der resultierende Bias bei einer Windgeschwindigkeit von 30 m/s und einem Einfallswinkel von 30 Grad kleiner als 0,35 m/s (1%) ist. Bei gleicher Windgeschwindigkeit und gleichem Einfallswinkel ergab die Untersuchung, dass ein kontinuierlicher Regen in jeder Zelle des Signalausbreitungsweges mit Beträgen von 10, 15 und 20 mm/h zu einer Überschätzung der Windgeschwindigkeit kleiner als 0,65 m/s (2%), 1,00 m/s (3%) bzw. 1,3 m/s (4%) führen kann. Daraus wird geschlussfolgert, dass die Signaldämpfung durch Regen in den aktuellen GNSS-R-Anwendungen vernachlässigt werden kann. Regentropfen auf der Meeresoberfläche verändern jedoch deren Rauigkeit. Im allgemeinen wird angenommen, dass GNSS-R-Messungen unempfindlich gegenüber den von Regentropfen erzeugten kleinen Wellen sind. Die vorliegende Studie liefert jedoch erstmals den Beweis dafür, dass sich der BRCS aufgrund von Regentropfen bei schwachem Wind von weniger als 6 m/s verringert. Die aus TDS-1-Messungen abgeleitete Abnahme des BRCS beträgt bei Niederschlagsraten kleiner 2 mm/h und einer Windgeschwindigkeit von 3 m/s etwa 0,7 dB. Die Simulationen, die auf einem kürzlich entwickelten physikalischen Modell basieren, bestätigen, dass Regentropfen den BRCS bei niedrigen Windgeschwindigkeiten verringern. Diese erstmals beobachtete Signatur könnte dazu führen, dass die GNSS-Reflektometrie nach den in dieser Arbeit empfohlenen weiteren Charakterisierungsstudien zur Messung von Niederschlägen über Ozeanen eingesetzt werden kann. Ein Modell, das auf ANN (Artificial Neural Network) basiert, wird entwickelt, um die GNSS-R-Messungen in Windgeschwindigkeiten umzuwandeln. Das Modell führt zu einer signifikanten Verbesserung des RMSE um 20% im Vergleich zu dem ursprünglich verwendeten Berechnungsschema. Die Vorteile, die zu der erreichten Verbesserung führen, werden diskutiert, einschließlich der Fähigkeit, den Effekt der verschiedenen EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) von GPS-Satelliten zu modellieren. Beispielsweise wird der abgeleitete MAE (Mean Absolute Error) des GPS-Satelliten mit der Space Vehicle Number (SVN) 34 um 32% verringert. Schließlich wird mit GNSS-Messungen von CYGNSS, der ersten GNSS-R-Mehrsatelliten-konstellation, die seit Dezember 2016 im Orbit ist, eine Signatur von mesoskaligen Ozeanwirbeln nachgewiesen. Der normalisierte BRCS verhält sich unterscheidbar unterschiedlich über dem Wirbelzentrum und den Randgebieten. Es werden statistische Analysen durchgeführt, aus denen hervorgeht, dass 28,6% der CYGNSS-Messspuren einen Korrelationskoeffizienten von 0,7 oder mehr mit dem beobachteten Muster über den Wirbeln aufweisen. Anhand von Zusatzdaten wird eine starke inverse Korrelation von normalisierte BRCS mit dem fühlbaren Wärmestrom (surface heat flux) und der Oberflächenspannung unter bestimmten Bedingungen gezeigt.

Description: Die Übersetzung bezieht sich auf den Kernteil der Europäischen Makroseismischen Skala (EMS-98) des englischen Originals (s. externe Referenz). Darin umfasst der Kernteil die Seiten 14-20. Diese Seitennummerierung wird hier beibehalten. Die Europäische Makroseismische Skala (EMS-98) dient der Abschätzung makroseismischer Intensitäten. Die makroseismische Intensität stellt eine Klassifikation der Stärke von Bodenerschütterungen während eines Erdbebens auf der Grundlage der an einem bestimmten Ort beobachteten Auswirkungen dar. Die EMS-98 ist die jüngste allgemein anwendbare Skala. Sie berücksichtigt die unterschiedliche Widerstandsfähigkeit von Gebäuden in Form von sechs Vulnerabilitätsklassen, fünf Schadensklassen sowohl für Mauerwerk als auch für Stahlbetonkonstruktionen und unterscheidet zudem zwischen strukturellen und nicht-strukturellen Schäden. Ein weiteres diagnostisches Element ist die relative Häufigkeit beobachteter Auswirkungen mit quantitativen Definitionen der qualitativen Begriffe "wenige, viele, die meisten". Die EMS-98 ist die einzige Intensitätsskala, die durch umfassende Guidelines und Hintergrundinformationen komplettiert wird. Sie bilden u.a. die Grundlage dafür, dass Anwendungen der EMS-98 dem Gebäudebestand in verschiedensten Teilen der Welt angepasst werden können. Die Europäische Seismologische Kommission hatte 1988 die Entwicklung einer neuen Skala lanciert, die moderne, erdbebengerechte Gebäudetypen und Anforderungen seitens des Bauingenieurwesens berücksichtigen sollte. So wurde zuerst die Testversion EMS-92 und dann die EMS-98 entwickelt. Letztere bildet die Grundlage für Intensitätsabschätzungen in europäischen Ländern. Sie wird zudem in vielen Ländern außerhalb Europas angewandt. Das englische Original der EMS-98 wurde als Vollversion ins Französische, Italienische, Spa-nische und Chinesische übersetzt. Darüber hinaus liegen der Kernteil bzw. die Kurzform in insgesamt 30 Sprachen vor. Diese mehrsprachige Verfügbarkeit ist wichtig, da nicht alle Personen, die als Beobachter und Sensoren in der Makroseismologie fungieren, mit dem Englischen vertraut sind.

Description: The European Macroseismic Scale (EMS-98) is a tool for intensity assignment. The macroseismic intensity represents a classification of the severity of ground-motion shaking during an earthquake on the basis of observed effects at a given place. The EMS-98 is the most recent scale in general use. It fully considers the varying strength of buildings in the form of six vulnerability classes, five damage grades for both masonry and reinforced concrete structures, and differentiates structural and non-structural damage as well. Another diagnostic element concerns the relative frequency of observed effects with quantitative definitions of the qualitative terms “few, many, most.” EMS-98 is the only intensity scale complemented by comprehensive guidelines and background materials. They provide the basis that the EMS-98 can easily be adapted for use to the building stock anywhere in the world. The European Seismological Commission launched the development of a new scale in 1988 which should consider modern earthquake-resistant building types and engineering requirements. So the test version EMS-92 and then EMS-98 were evolved. The latter should be the basis for intensity evaluation in European countries and is also applied in many countries outside Europe. The English original of the EMS-98 was translated as full scale into French, Italian, Spanish and Chinese. Moreover, the core part or the short form is available in a total of altogether 30 languages. Such multilingual availability is important since persons, not always fluent in English, act as observers and sensors in macroseismology.

Description: Cliffs line many erosional coastlines. Localized failures can cause land loss and hazard, and impact ecosystems and sediment routing. Links between cliff erosion and forcing mechanisms are poorly constrained, due to limitations of classic approaches. Combining multi-seasonal seismic and drone surveys, wave, precipitation and groundwater data we study drivers and triggers of seismically detected failures along the chalk cliffs on Germany's largest island, Rügen. The network consists of four (later five) seismic stations along the 8.6 km long chalk cliff coast. Waveforms are available from the Geofon data centre, under network code 4K, and are embargoed until Jan 2021.

Description: The GeoDataNode project, funded by the Federal Ministry for Research and Education (BMBF) conducted a survey of data management practices at GFZ. The aim was to assess the state of current practices and needs, and their alignment to institutional and national guidelines for data management. The target audience included scientific and technical employees at all levels. A response rate of 24% of the target demographic was achieved. The survey revealed a general need for improvement and structuring of research data handling. This includes provision of adequate storage space, back-up schedules, and the familiarization of young researchers with good scientific practice.

Description: The geothermal use of the subsurface leads to temperature changes in the reservoir and the geothermal plant. The temperature affects the hydrogeochemical and the physical conditions as well as the microbial community composition in the reservoir and fluids. Additionally, microbial metabolism and biofilm formation contribute to corrosion, clogging as well as mineral dissolution and precipitation. Thus, microbes play a significant role regarding process disturbances as well as operation failures of geothermal plants and therefore the sustainability and reliability of the geothermal energy use. In the presented thesis, the microbial responses to temperature changes, an enhanced temperature- or operation-dependent substrate and electron acceptor availability have been investigated in a labscale experiment and in two geothermal plants. A substantial impact of geothermal energy storage on the natural microbial community composition became obvious due to a temperature increase and a temperature-related sediment organic matter release from flowed through tertiary lignite sands in the labscale column experiment. However, the function of the microbial community in terms of conversion processes was similar at all temperatures. In the column fluids as well as in the highly saline fluids from the cold side of a geothermal heat store in the North German Basin and the saline fluids of a geothermal plant in the Upper Styrian Basin, sulfate reducing bacteria were most active at temperatures around 45 °C. Besides the temperature, salinity and substrate availability, the availability of electron acceptors was crucial for microbial corrosion and scaling processes. The cold side of the heat store was affected by microbially induced corrosion and scaling due to the activity of sulfate reducers that led to process disturbances. After shutdown phases, strictly aerobic or facultative anaerobic sulfur-oxidizing bacteria became dominant, whose representatives were not abundant during regular operation. Thus, their detection indicated oxygen ingress in the wellbore during plant shut down that enhanced corrosion processes during stagnant conditions. To suppress the increasing activity of sulfate reducing bacteria going along with a corrosive and toxic hydrogen sulfide formation, nitrate was added as an alternative electron acceptor for sulfate to the saline geothermal fluids in a test pipe of the geothermal plant in the Upper Styrian Basin. The nitrate addition was an effective countermeasure for decreasing the hydrogen sulfide concentration, because nitrate-reducing sulfur-oxidizing Thiobacillus thioparus were favored. However, the corrosion rate in the test pipe increased most likely due to the formation of corrosive sulfuric acid or sulfur species like sulfur and thiosulfate.

Description: Eine geothermische Nutzung bewirkt Temperaturänderungen im Untergrund und in der geothermischen Anlage. Die Temperatur beeinflusst sowohl hydrogeochemische und physikalische Parameter als auch die Zusammensetzung der mikrobiellen Biozönose im Reservoir und Fluid. Neben chemischen Prozessen tragen auch mikrobiell katalysierte Stoffumsetzungen und die Biofilmbildung zu Korrosion, Clogging sowie Mineralbildung und -auflösung bei und können zu Prozessstörungen bis hin zu einem kompletten Ausfall der geothermischen Anlage führen. Zur Analyse der Auswirkungen von Temperaturänderungen, Salinität, erhöhter Substrat- und Elektronenakzeptorverfügbarkeit wie sie beispielsweise aufgrund von erhöhter Temperatur und Prozessstörungen auftraten, wurden Experimente im Labormaßstab und zwei großtechnische Anlagen begleitet. In Sedimentsäulen mit Braunkohlensanden, die sowohl bei in-situ Temperatur als auch bei erhöhten Temperaturen mit Acetat-angereichertem Leitungswasser durchströmt wurden zeigten Temperatur und Substratverfügbarkeit einen erheblichen Einfluss auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Biozönose, allerdings war die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft bei allen Temperaturen ähnlich. Sowohl in den gering mineralisierten Fluiden der Säulen als auch in hochsalinen Fluiden von der kalten Seite eines Wärmespeichers im Norddeutschen Becken und in salinen Fluiden einer Geothermieanlage im Steirischen Becken wurde die höchste Aktivität korrosionsursächlicher Sulfat-reduzierender Bakterien bei Temperaturen um 45 °C nachgewiesen. Neben der Temperatur, der Salinität und der Verfügbarkeit von Elektronendonatoren spielte die Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren eine entscheidende Rolle bezüglich mikrobiell induzierter Korrosion und Mineralbildung. Nach der Wiederinbetriebnahme des Wärmespeichers im Norddeutschen Becken wiesen u. a. die erhöhten Abundanzen von Schwefel-oxidierenden Bakterien, die Indikator für einen Sauerstoffzutritt während des Abschaltens der Anlage waren, auf eine verstärkte mikrobiell induzierte Korrosion und Scaling während des Anlagenstillstandes hin. Zur Verminderung der Aktivität von korrosionsursächlichen Sulfatreduzierern wurde in einem Testleitungssystem an der Geothermieanlage im Steirischen Becken Nitrat dosiert. Die dadurch geförderten Nitrat-reduzierenden Schwefel-oxidierenden Bakterien (Thiobacillus thioparus) senkten die Sulfidkonzentrationen im Fluid, erhöhten allerdings gleichzeitig die Korrosionsraten an ausgelagerten metallischen Coupons, da korrosive Schwefelverbindungen wie Schwefelsäure gebildet wurden.

Description: Probabilistic seismic risk assessment involves the appraisal of three components: the seismic hazard due to expected ground motions, the exposure, i.e., assets exposed to the hazard, and their vulnerability with respect to the hazard. Earthquake sequences are a result of a time dependent process, which is complex to consider in a probabilistic framework. It is thus common to reduce sequences to their largest event, the so-called main shock. The occurrence of these main shocks can be modeled assuming a Poisson process with constant average rates. This is convenient from a mathematical point of view, as the connected probability distribution is simple, but of course, a large portion of the seismicity is neglected. As a result of the long inter-event times in such a Poissonian model, it is commonly assumed that potentially damaged buildings are repaired before the next strong event. In reality, the repair of buildings, especially if a large number have been affected, might take several years. As a consequence, buildings are likely to be still damaged when subsequent events occur. For aftershocks, which commonly occur within hours or days after the main event, this is definitely the case. Furthermore, a building’s response is not identical for its intact and damaged states. If these effects are not considered within a seismic risk assessment, then the resulting estimates will most likely fail to predict accurate results. In order to determine if this is the case over urban scales, this thesis sets out to design, develop and test an approach to relax the two assumptions with the aim of developing time- and state-dependent seismic risk models. The accompanying research questions are: 1) if this results in loss estimates that are significantly different from those of a classical model, 2) which components of the model have the strongest influence, and 3) if simplifications can be made to model the complex process. The approach developed here employs a simulation framework that models full seismic sequences using an epidemic type aftershock model, a Markov-chain damage process, state-dependent fragility models, and various probabilistic repair functions. The approach is tested for the city of Nablus in the West Bank, Palestine. For this purpose, a fully probabilistic seismic hazard model is developed for the region. A multi-source imaging analysis is employed to collect exposure data using remote rapid visual screening. For the identified building types, a simplified analysis is performed to obtain state-dependent fragility models, while the many simplifications applied don’t yield reliable absolute losses, they permit the identification of tendencies and answer the formulated research questions. The results show that a time- and state-dependent model yields significantly higher losses than a classical model, reaching a difference of up to 58% in the examples presented in this work. It is shown that considering the problem only partially is not sufficient. While including fore- and aftershocks, but no time-delayed repair and state-dependency, yields a potentially strong overestimate of losses at low exceedance probabilities, disregarding the state-dependency underestimates the losses over the whole range of probabilities. Furthermore, considering time- and state-dependency in Poissonian models does not influence the losses significantly, at least for the demonstrated case of Nablus. It can be concluded that despite the greater efforts required to develop time- and state-dependent models over urban scales, the effects are strong enough to justify the development cost if accurate risk models are intended. However, for observation periods of a single year, it was found that a constant daily repair probability may be sufficient to approximate more complex time-variant repair models. Many additional questions have emerged from the findings of this thesis. These concern the issue of more detailed analyses using more sophisticated components, mainly for the hazard and fragility models. In addition, the framework developed within this thesis can form the basis for a multitude of new research directions in the field of cascading effects. These may include the consideration of multiple hazards, dynamically evolving exposure models, and interactions between them.

Description: Eine probabilistische Erdbebenrisikoanalyse beinhaltet die Bewertung dreier Komponenten: der aus Bodenbewegungen resultierenden seismischen Gefährdung, dem Exposure, sprich Werte, die der Gefährdung ausgesetzt sind und der Vulnerabilität dieser im Hinblick auf die Gefährdung. Erdbeben ereignen sich als Folgen und sind das Ergebnis eines zeitabhängigen Prozesses, dessen wahrscheinlichkeitstheoretische Berücksichtigung kompliziert ist. Deshalb ist es üblich die Erdbebensequenz auf deren größtes Erdbeben, sogenannte Hauptbeben zu reduzieren. Das Auftreten dieser Hauptbeben kann als Realisierungen eines Poissonprozesses mit konstanten Raten simuliert werden. Dies ist aus mathematischer Sicht günstig, da die damit verknüpfte Wahrscheinlichkeitsverteilung einfach zu handhaben ist, allerdings wird durch die Reduktion ein großer Teil der Seismizität vernachlässigt. Da die Zeit zwischen zwei dieser Hauptbeben eines solchen Poissonmodelles verhältnismäßig lang ist, wird für gewöhnlich angenommen, dass die möglicherweise in einem Beben beschädigten Gebäude bis zum nächsten Beben wieder repariert sind. In Wirklichkeit kann die Reparatur von Gebäuden unter Umständen mehrere Jahre dauern, insbesondere wenn eine große Anzahl beschädigt wurde. Daraus folgt, dass im Falle weiterer Beben einige Gebäude wahrscheinlich noch beschädigt sind. Für Nachbeben, die auch innerhalb von Stunden oder Tagen nach dem Beben auftreten können, ist dies mit hoher Wahrscheinlichkeit der Fall. Des Weiteren ist die Antwort eines Gebäudes auf eine Bodenbewegung im beschädigten Zustand nicht identisch zu der eines intakten Gebäudes. Falls diese Effekte im Rahmen einer Erdbebenrisikoanalyse nicht berücksichtigt werden, ist es möglich, dass die resultierenden Abschätzungen daran scheitern akkurate Vorhersagen treffen zu wollen. Um herauszufinden ob dies über urbane Skalen der Fall ist, wird im Rahmen dieser Arbeit ein Ansatz entwickelt, implementiert und getestet, der beide klassischen Annahmen in Frage stellt, und hin zur Entwicklung von zeit- und zustandsabhängigen Erdbebenrisikomodellen führt. Die damit einhergehenden wissenschaftlichen Fragestellungen sind: 1) ob solch ein Modell Verlustabschätzungen zur Folge hat, die signifikant verschieden von denen eines Modells unter klassischen Annahmen ist, 2) welche Komponenten des Modells den stärksten Einfluss darauf haben und 3) ob zu einem gewissen Grad Vereinfachungen für das komplexe Modell möglich sind. Der hier entwickelte Ansatz baut auf eine Simulationsumgebung die vollständige Erdbebensequenzen mit Hilfe eines epidemischen Nachbebenmodelles simuliert, einen Markov-Ketten Schadensprozess nutzt und zustandsabhängige Fragilitätsmodelle sowie verschiedene Wahrscheinlichkeitsfunktionen für die Reparatur berücksichtigt. Der Ansatz wird anhand der Stadt Nablus im Westjordanland (Palästina) getestet. Zu diesem Zweck wird ein vollständig probabilistisches Erdbebengefährdungsmodell entwickelt. Zudem wird eine Satellitenbild- und Mobile-Mapping gestützte Bildanalyse multipler Quellen durchgeführt, um mit Hilfe von rascher visueller Gebäudefernerkundung Exposureinformationen zu Gebäuden zu sammeln. Für die so bestimmten Gebäudetypen wird eine einfach gehaltene Analyse durchgeführt, um zustandsabhängige Fragilitätsmodelle zu erhalten. Obwohl die zahlreichen Vereinfachungen dabei keine verlässlichen Modelle liefern, erlauben diese es Trends zu identifizieren, um die genannten wissenschaftlichen Fragestellungen zu beantworten. Die Ergebnisse zeigen, dass ein zeit- und zustandsabhängiges Modell signifikant höhere Verlustabschätzungen als ein klassischer Ansatz liefert, der Unterschied erreicht dabei bis zu 58% in den in dieser Arbeit präsentierten Beispielen. Des Weiteren kann gezeigt werden, dass eine nur teilweise Berücksichtigung der Problematik nicht ausreicht. Während ein Ansatz, der nur Vor- und Nachbeben, aber keine zeitverzögerte Reparatur berücksichtigt, Verluste am unteren Ende der Wahrscheinlichkeiten möglicherweise stark überschätzt, führt eine Vernachlässigung der Zustandsabhängigkeit der Gebäudefragilität dazu, dass die Verluste für alle Wahrscheinlichkeiten unterschätzt werden. Außerdem konnte festgestellt werden, dass die Berücksichtigung von zeit- und zustandsabhängigen Komponenten in Poissonmodellen, zumindest für den Fall von Nablus, die Verlusteinschätzungen nicht signifikant beeinflusst. Es lässt sich schlussfolgern, dass trotz des größeren Aufwandes, der nötig ist um zeit- und zustandsabhängige Modelle über urbane Skalen zu entwickeln, die beobachteten Effekte stark genug sind, um die Entwicklungskosten zu rechtfertigen, wenn akkurate Risikoeinschätzungen gewünscht sind. Für kurze Beobachtungszeiträume von einem Jahr konnte jedoch gezeigt werden, dass eine tägliche konstante Reparaturwahrscheinlichkeit möglicherweise ausreichend ist, die komplexeren zeitvariablen Reparaturmodelle anzunähern. Die Arbeit hat eine große Zahl neuer Fragen aufgeworfen. Diese betreffen etwa die Bestätigung und feinere Ausarbeitung der Trends durch detailliertere Analysen zu den einzelnen Komponenten, das heißt es können anspruchsvollere Modelle entwickel werden, vor allem für die Erdbebengefährdung und die Gebäudefragilität. Des Weiteren kann die für die Simulationen entworfene Programmrahmenstruktur als Ausgangsbasis für eine Vielzahl an neuen Forschungsarbeiten im Bereich kaskadierender Ereignisse genutzt werden. Diese können etwa die Berücksichtigung verschiedener paralleler Gefährdungen, sich dynamisch entwickelnde Expositionsmodelle und Interaktionen zwischen diesen mit einschließen.

Description: Mit dem Journal „System Erde“ berichtet das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ über die unterschiedlichen Facetten seiner Forschungsarbeiten. Die Reihe richtet sich vor allem an Entscheidungsträger in Wissenschaft, Gesellschaft und Politik, an interessierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie an die fachinteressierte Öffentlichkeit.

Description: This document is intended to provide basic guidance to researchers who work with digital data as well as all stakeholders with an interest in this issue and also provides advice on sources of further information. It was prepared by the Research Data Working Group in the Priority Initiative “Digital Information” of the Alliance of German Science Organisations.

Description: Water-rock interactions are sorption-, dissolution-, precipitation-, and redox reactions at the interface between rock matrix and water. In aquifer thermal energy storage (ATES) systems, certain water-rock interactions can have undesired consequences, such as clogging of aquifer pores or contaminant release, and are therefore geochemical risks. Their prediction and prevention requires site-specific knowledge about water-rock interactions at specific operational conditions. This study investigates the reactivity of two pyrite-bearing siliciclastic rocks from the Hettangian and Lower Sinemurian stages of the Lower Jurassic. They are associated with the heat storage aquifer of the ATES system at the German parliament buildings in the city of Berlin, which is located in the south-eastern part of the Northeast German Basin. The study presents a workflow to (a) describe mineralogy and sorption reactions at the rock surface, (b) quantify the maximum of potentially critical (mineral-forming/contaminant) elements that can be released from the rocks, (c) determine their phase association and release mechanisms, and (d) identify the most important control parameters and process interactions during heat storage. The bulk mineralogy was identified by X-ray diffraction, X-ray fluorescence and scanning electron microscopy. Potentially critical mobile elements and easily soluble crystalline and amorphous solid phases, such as hydroxides and sulfides, were quantified with a specifically developed sequential extraction. This method allows the partition of mobile elements by association with specific rock fractions with the help of appropriate solvents. These fractions are (1) exchangeable (2) associated with acid-soluble phases (carbonates), (3) associated with reducible phases (oxides/hydroxides), and (4) associated with oxidizable phases (organic matter/sulfides). Heat storage, defined by temperatures of up to 90 °C and potential intrusion of oxygen into the aquifer, was investigated by steady-state leaching experiments with simplified synthetic groundwater (0.42 M NaCl solution) by varying the control parameters temperature (25, 50, 70, 90 °C), solute oxygen (oxic/anoxic) and leaching time (1, 2, 4, 7 days). The influence of different control parameters and process interactions was analyzed by numerical simulations and statistics, using experimental data for parameterization and validation. The following results and implications for ATES operation in the originally oxygen-depleted aquifer were found for the potentially critical (contaminant/mineral-forming) mobile elements Al, As, Ba, Ca, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, and Si: The total leachable quantity of each element, i.e. the leached sum over all sequential extraction steps, is very small in the aquifer sandstone (〈0.1 mg/g), and significantly higher in the siltstone of the topset aquitard (up to ca. 4 mg/g for Ca). The iron system is the main risk factor. At oxic conditions, pyrite (FeS2) dissolves. If no suitable buffers are present, the solution is acidified, which facilitates the mobilization of several other elements. At anoxic conditions, the dissolution of iron hydroxides is the process mainly controlling element mobilization. Ferric iron re-precipitates readily, and is the main mineral-forming species in the investigated system. Calcium is predominantly adsorbed, and can be mobilized by pH reduction. In case the solute concentration decreases due to mineral precipitation, Ca can be desorbed quickly to regain thermodynamic equilibrium between rock matrix and groundwater. Small amounts of aluminum and silicon can be released rapidly from amorphous (hydr)oxides, which were their main source during leaching experiments of up to seven days. Kinetically slow dissolution of crystalline silicates prevails during longer leaching periods. Arsenic is nearly immobile in the aquifer sandstone. During the experiments, it was released only in the reduction step of the sequential extraction (ca. 0.02 µg/g), and represents no critical risk. Barium, copper, nickel, and lead have no single phase association. They are probably mainly present as solid solutions or co-precipitates, and their mobility seems to be primarily controlled by iron phase dissolution/precipitation. Copper was also found in elementary form. For the investigated heat storage at the German parliament buildings, these findings indicate no critical risk factors, which could lead to groundwater contamination or porosity reduction in dimensions that would prohibit ATES operation. However, constant nitrogen pressurization of the system is imperative to prevent oxygen intrusion, which could eventually lead to pyrite dissolution, groundwater acidification once its buffering capacity is exceeded, and critical element mobilization.

Description: TITEL WURDE BEREITS FÜR 2017 GEZÄHLT

Description: Das Jahr 2017 war auf dem Potsdamer Telegrafenberg, der langjährigen Heimat von Friedrich Robert Helmert, geprägt durch mehrere Jubiläen: der 125ste Jahrestag der Eröffnung der neuen Forschungsräumlichkeiten des Geodätischen Instituts wurde am 06. April 2017 unter Beteiligung von zahlreichen Gästen mit einem bunten Festprogramm gefeiert. Am darauf folgenden Tag haben mehrere Vortragende in einem gut besuchten Kolloquium an das 100ste Todesjahr von F.R. Helmert erinnert. Dies wurde ergänzt durch zahlreiche Vortragsveranstaltung und weitere Kolloquien zu Helmert, die im Jahr 2017 an mehreren Orten in Deutschland durchgeführt wurden, wie z.B. in Aachen, Dortmund und - an seinem exakten Todestag, dem 15. Juni – in Potsdam. Die faszinierende Ausstellung „Fokus Erde“ hat im Frühjahr 2017 im Haus der Brandenburgisch- Preußischen Geschichte in Potsdam die Entwicklung der Geodäsie als Wissenschaft in den letzten beiden Jahrhunderten mit beeindruckenden Exponaten einer breiten Öffentlichkeit präsentiert. Es war zu sehen, dass die Geschichte der Geodäsie – national wie auch international – im ausgehenden 19. Jahrhundert wesentlich vom Potsdamer Telegrafenberg aus geprägt wurde und es muss nicht erstaunen, dass in der Ausstellung die Leistungen von Helmert, sowohl als Wissenschaftler, Hochschullehrer, geodätischer Beobachter wie auch als Organisator wissenschaftlicher Projekte eine besondere Rolle spielten. Bei den Feiern zum 25-jährigen Bestehen des Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches Geoforschungszentrum (GFZ), die ebenfalls im Jahr 2017 stattfanden, wurde immer auf die großartigen wissenschaftlichen Leistungen des langjährigen Institutsdirektors Helmert hingewiesen, die eine unverzichtbare Grundlage der heutigen Arbeiten am GFZ bedeuten und in deren Tradition sich das GFZ auch heute noch sieht. Der vorliegende Band soll insofern die unterschiedlichen Bereiche des Lebens und Wirkens von F.R. Helmert, die zum Teil im Jubiläumsjahr 2017 an verschiedenen Stellen zu Tage befördert wurden, zusammenführen und, ergänzt um weitere neu recherchierte Aspekte, den Bogen bis in die heutige Zeit der Satellitengeodäsie und des Einsatzes von Hochleistungsrechnern für geodätische Aufgaben spannen. Ohne die grundlegenden Arbeiten von Helmert wäre diese Entwicklung nicht möglich gewesen. In diesem Sinne nehmen wir seinen Geburtstag am 31. Juli 1843 zugleich zum Anlass, sein wissenschaftliches Wirken zu seinem 175. Ehrentag mit diesem Buch zu würdigen. Allen Beteiligten an den genannten Veranstaltungen wie auch den Autoren des vorliegenden Bandes sei hiermit ausdrücklich gedankt. Den Beiträgen vorangestellt ist eine Bildauswahl mit Portrait- und Gruppenaufnahmen, die Helmert zu verschiedenen Zeiten und in unterschiedlichen Positionen seines wissenschaftlichen Wirkens präsentieren.

Description: Mit dem Journal "System Erde" berichtet das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ über die unterschiedlichen Facetten seiner Forschungsarbeiten. Die Reihe richtet sich vor allem an Entscheidungsträger in Wissenschaft, Gesellschaft und Politik, an interessierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie an die fachinteressierte Öffentlichkeit.

Description: Diese Handreichung soll als Einstieg für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die mit digitalen Daten arbeiten, sowie für alle an dieser Thematik Interessierten dienen und bietet darüber hinaus Hinweise zu weiterführender Information. Sie wurde von der Arbeitsgruppe „Forschungsdaten“ der Schwerpunktinitiative „Digitale Information“ der Allianz der deutschen Wissenschaftsorganisationen1 verfasst.

Description: Nahezu alle metallischen Rohstoffe, die die Menschheit gegenwärtig benötigt, werden an Land gewonnen. Mit jedem Anstieg der Rohstoffpreise und der zunehmenden Nachfrage einer wachsenden Weltbevölkerung nach neuen Technologien, könnte es attraktiver werden, auch im Meer nach metallischen Rohstoffen zu suchen. Und der Bedarf für den Ausbau der E-Mobilität, die Energiewende und für die zunehmende Digitalisierung aller Lebensbereiche erhöht sich weiter. Die Europäische Union sieht mittlerweile die Versorgung mit 27 strategisch wichtigen Rohstoffen (2017) kritisch. Hierunter fallen beispielsweise Antimon, Germanium oder Kobalt. Die Folgen einer Rohstoffknappheit würden die deutsche Industrie besonders treffen, denn sie ist bei metallischen Rohstoffen nahezu komplett importabhängig. Stellen die Ozeane vor diesem Hintergrund eine attraktive Alternative für die Rohstoffbeschaffung dar? Dieser Frage wollen wir in unserem neuen ESKP-Themenspezial nachgehen. Die Erkundungen nach metallischen Rohstoffen in der Tiefsee sind voll im Gange: im Indischen Ozean, im Pazifik, auf alten Seerücken oder den Flanken submariner Vulkane. Insbesondere Kupfer, Kobalt und Nickel kommen in der Tiefsee in Mengen vor, die mit denen an Land vergleichbar sind. Der Run auf die Erkundungslizenzen hat bereits begonnen und die Unterwasserwelt wird nach und nach aufgeteilt, um den Tiefseebergbau voranzutreiben. So haben sich die Anträge bei der Internationalen Meeresbodenbehörde in den letzten fünf Jahren verdreifacht. Doch ist aus Umweltgesichtspunkten der Abbau metallischer Rohstoffe im Meer überhaupt vertretbar? Welche Auswirkungen auf die marinen Ökosysteme hätten riesige Trübungswolken am Meeresgrund? Wie ausgereift sind die Technologien für den Meeresbodenbergbau? Wie könnte ein zuverlässiges Umweltmonitoring in der Tiefsee aussehen? Wäre es besser nach Einsparmöglichkeiten an Land zu suchen und Alternativen zu erforschen? Viele durchaus strittige Fragen, die wir aus Sicht der Forschung beleuchten wollen.

Description: A new calibration facility was developed, tested, and installed at the premises of the Geomagnetic observatory in Niemegk to test induction coil magnetometers (search coils) in the frequency range 100Hz to 1 MHz. The new calibration facility is based on a Braunbeck coil, which extends existing installations based on a three-dimensional Helmholtz coil and a cylindrical coil which cover only the frequency range from a few mHz to 100 kHz. The new calibration coil is primarily needed to test magnetic field sensors used by the Geophysical Instrument Pool Potsdam for the so-called Radio Magnetotelluric (RMT) method. The RMT method uses electromagnetic fields transmitted by radio stations to infer the electrical conductivity distribution of the shallow subsurface (~1 m to 50 m). We present theoretical calculations to determine the parameters of the new calibration coil, which could be confirmed with measurements using an OMICRON BODE 100 spectrum analyser. The new coil system was also tested by calibrating two existing magnetic field sensors (METRONIX) MFS07 and SHFT-02e) with known response functions. We infer an overall accuracy of the new system of 〈0.05nT in amplitude and 〈0.5° in phase for frequencies 〈700kHz and ≤0.05nT and ≤3° degrees for frequencies 〉 700kHz. We also developed, tested and calibrated a new magnetic field sensor, using a set of three orthogonal toroidal coils (based on the antenna AN 200). The initial results look promising. The overall noise figures surpass those of the Metronix SHFT-02e sensor. The amplitude characteristic is slightly non-linear though, varying between 5 and 75 mV/nT over the frequency range 10 kHz to 1 MHz.

Description: Given the current shale oil boom in U.S., the primary objective of this dissertation is to clarify the factors controlling retention and migration of oil in selected shale ”plays”. With reference to three TypeII marine shales namely the Barnett, Posidonia and Niobrara Shales, a suite of 694 samples ranging in age from Mississippian to Campanian, varying in maturity from immature to overmature, and belonging to siliceous, argillaceous and calcareous lithofacies were comprehensive investigated. Beginning with the study of oil retention, a more realistic assessment of total retained oil was achieved by applying the comparatively pyrolysis: Total oil = S1whole rock + S2whole rock - S2extracted rock. Notably, as excellent correlations always exist between the calculated total oil with the S1 values of unextracted rocks at given levels of maturity, the S1 was used in the ensuing discussions as a proxy to reflect total oil concentration. Oil retained in shales is either in a sorbed state largely on kerogens or in a free form in pores and fractures. In organic-rich shales, the retention of oil is defined mainly by organic matter properties, i.e. organic richness, kerogen type and thermal maturity. The sorption behavior of kerogen is believed analogous to that of organic polymers, which are capable of absorbing significant quantities of oils by swelling. Following this hypothesis: 1). The richer in organic matter a rock is, the more is the oil that is retained. 2). Labile kerogens, rather than inert carbon, constitute the active swelling components. 3). For TypeII marine source rocks, S1/TOC first increases and subsequently decreases once the maximum retention capacity (90 mg HC/g TOC) is exceeded at Tmax about 445 °C, which is equivalent to ~ 0.85% Ro. But interestingly, the shale layers enriched in free oil or bitumen are not necessarily associated with the layers richest in organic matter, and instead with juxtaposed porous biogenic matrices. In the siliceous interval of the Barnett Shale oils are thus stored in the axial chamber of sponge spicules. In the Posidonia Shale, bitumen was observed in pores of associated coccolith microfossils. In the chalky reservoirs of the Niobrara Formation it is carbonate richness that primarily controls the amount of retained oil (S1). Oils are mainly stored in pores associated with the skeletal remains of coccolith and foraminifera. These porous fossiliferous layers in shale may constitute sweet spots (reservoirs) due to their enhanced hydrocarbon potential and mobility. In contrast to clastic reservoirs, the oil-in-place of shale reservoirs may be either indigenously generated or migrated from juxtaposed organic-rich layers. According to the studies of the Barnett, Posidonia and Niobrara Shales, the presence of an “oil crossover” and diminished Tmax are likely to be characteristic of those fossiliferous shale reservoirs. To settle this issue in the Barnett Shale of the Mesquite#1 well, a mass-balance model was used to compute the hydrocarbons generated. By comparing the amount with that retained, it is clear that more hydrocarbons (C13+n-alkanes, such as the n-C17) are in-place than could have been generated. Therefore, additional hydrocarbons must have migrated and accumulated in the siliceous interval, i.e. reservoirs. In the Mesquite#1 well, the Barnett Shale was shown to possess a rather homogeneous kerogen facies, depositional environment and maturity signature, whereas the composition of bitumens varied throughout the shale sequence. The short distance migration of petroleum into the siliceous reservoir interval appears to fractionate the generated oil into a higher quality oil by preferential retention in the order polar compounds 〉aromatic 〉saturated hydrocarbons within the underlying organic matter- and clay-rich source rock intervals. Besides that, a preferential expulsion of smaller molecular components over larger ones, i.e. molecular fractionation, has been illustrated. Phase separation is a possible scenario leading to molecular fractionation. As phase separation selectively “transfers” lighter hydrocarbons into the vapor phase, the oil retained in migration pathways or reservoirs is otherwise enriched in retrograde fluids with n-alkanes skewed towards long chain alkanes. Regularities in source facies and maturity were confirmed with biomarkers, which are not fractionated during the primary migration of petroleum within the Barnett Shale of Mesquite#1 well. For given components, if migrational fractionations had occurred, they might have been overprinted by in situ reactions as well. Organic pore development is believed to be largely due to the thermal cracking of kerogen and/or bitumen, though some primary organic pores have been observed within immature organic matter as well. Oil retention and organic porosity evolution are strongly related to changes in kerogen density brought about by swelling and shrinkage as a function of thermal maturation. For TypeII marine shales, the secondary organic pores are formed consequently after the maximum kerogen swelling ability is exceeded at Tmax around 445 °C (~0.85% Ro). Shrinkage of kerogen itself leads to the formation of secondary organic pores, and thence associated porosity increase in the gas-mature Posidonia Shale. Given the remarkable heterogeneity in the shale fabric, the newly formed organic pores may be closed after or synchronously by compaction.

Description: In Anbetracht des gegenwärtigen Schieferöl-Booms in den USA hat diese Dissertation das primäre Ziel die Faktoren zu erläutern, die die Retention und Migration von Öl in ausgewählten Schieferlagerstätten bestimmen. Unter Bezugnahme dreier mariner Typ II Schiefergesteine – dem Barnett Shale, dem Posidonien Shale und dem Niobrara-Shale – wurden 694 Proben umfangreich untersucht. Das Alter der Proben reicht vom Karbon bis in die Kreide, sie variieren hinsichtlich ihrer Reife von unreif bis zu überreif und sind den silikatischen, tonhaltigen und kalkhaltigen Gesteinen zuzuordnen. Bezüglich der Ölretention wurde eine realistischere Einschätzung des Gesamtöls mittels komparativer Pyrolyse erreicht: Gesamtöl = S1whole rock + S2whole rock - S2extracted rock. Da generell exzellente Korrelationen bestehen zwischen der kalkulierten Gesamtölmenge und den S1-Werten unextrahierter Gesteine bei gegebener Reife, wurde der S1-Wert in der folgenden Diskussion als stellvertretend für die Gesamtölkonzentration gewertet. In Schiefergestein eingebettetes Öl liegt entweder in einem überwiegend auf Kerogenen sorbierten Zustand oder aber in freier Form in Poren und Frakturen vor. In Schiefergesteinen, die reich an organischem Material sind, wird die Ölretention im Wesentlichen durch die Eigenschaften des organischen Materials bestimmt, insbesondere durch die Menge an organischem Material, den Kerogentyp sowie die thermische Reife. Es wird vermutet, dass Kerogene dasselbe Sorptionsverhalten aufweisen wie organische Polymere, welche dazu in der Lage sind, durch Schwellung erhebliche Mengen an Öl zu absorbieren. Dieser Hypothese folgend, lassen sich folgende Sätze postulieren: 1). Je reicher ein Gestein an organischem Material ist, umso mehr Öl wird absorbiert. 2). Labile Kerogene, und nicht inerter Kohlenstoff, stellen die aktiven schwellenden Komponenten dar. 3). Für marine Typ II Muttergesteine steigt das S1/TOC-Verhältnis zunächst an und sinkt anschießend sobald die maximale Retentionskapazität (90 mg HC/g TOC) bei Tmax ca. 445 °C überschritten wird, was einer Reife von ~ 0.85% Ro entspricht. Interessanterweise sind die mit freiem Öl oder Bitumen angereicherten Schieferschichten nicht zwingend mit jenen Schichten assoziiert, die am reichsten an organischem Material sind, sondern mit den angrenzenden porösen biogenen Matrizes. Im kieselreichen Intervall des Barnett Shales werden Öle demnach in axialen Schwammnadelkammern gespeichert. Im Posidonia Shale wurde Bitumen in den Poren assoziierter Micrococcolithfossilien beobachtet. In den kreidezeitlichen Reservoiren der Niobrara Formation wird die Menge des residualen Erdöls (S1) primär durch die Menge an Karbonat bestimmt. Öle werden vornehmlich in Poren gelagert, die mit den Skelettresten von Coccolithophoriden und Foraminiferen assoziiert sind. Die porösen, Fossilien enthaltenden Schichten könnten aufgrund ihres erhöhten Kohlenwasserstoff-Potentials und erhöhter Kohlenwasserstoff-Mobilität „sweet spots“ (Reservoire) darstellen. Im Gegensatz zu klastischen Reservoirs kann das „Oil in Place“ in Schiefer-Reservoiren entweder indigen entstanden, oder aber aus angrenzenden, an organischem Material reichen Schichten eingewandert sein. Nach den Studien zu den Barnett, Posidonia und Niobrara Shales ist das Vorkommen von “Oil Crossover” und vermindertem Tmax wahrscheinlich charakteristisch für die fossilhaltigen Schiefergesteins-Reservoire. Um diese Frage zu klären, wurde für die Mesquite#1 Bohrung (Barnett Shale) ein Massenbilanzmodell angewandt, um damit die erzeugten Kohlenwasserstoffe zu berechnen. Der Vergleich dieses Ergebnisses mit dem „oil in place“ verdeutlicht, dass die Menge der vorliegenden Kohlenwasserstoffe (C13+ n-Alkane, wie z. B. das n-C17) jene Menge übersteigt, die indigen hätte generiert werden können. Folglich müssen zusätzliche Kohlenwasserstoffe per Migration eingewandert sein und sich im kieselreichen Intervall angesammelt haben (Reservoir). In der Mesquite#1 Bohrung waren die Kerogen-Fazies, das Ablagerungsmilieu und die Reifesignatur des Barnett-Shale recht homogen, während die Bitumenzusammensetzung im Verlauf der Schiefersequenz variierte. Es scheint, dass die Petroleummigration über kurze Distanzen in das kieselreiche Intervall stattgefunden hat, und dass das residuelle Öl in der Reihenfolge polare Verbindungen 〉aromatische 〉gesättigte Kohlenwasserstoffe fraktioniert worden ist. Ferner wurde beobachtet, dass bevorzugt kleinere statt große molekulare Komponenten ausgeschlossen werden. Diese molekulare Fraktionierung könnte eine Folge von Phasenseparationen sein. Da im Rahmen der Phasenseparation leichtere Kohlenwasserstoffe selektiv in die Gasphase “transferiert” werden, ist das in den Migrationsbahnen und Reservoiren zurückbehaltene Öl an langkettigen Alkanen angereichert. Die Gleichmäßigkeit der Muttergesteinsfazies und -reife wurden mittels Biomarker bestätigt, welche im Rahmen der primären Migration des Petroleums im Barnett-Shale der Mesquite#1 Bohrung nicht fraktioniert werden. Die Entwicklung von Poren in organischen Partikeln wird vorwiegend durch die thermische Spaltung von Kerogen und/oder Bitumen verursacht, obgleich manche Poren auch in unreifen organischen Partikeln beobachtet wurden. Die Retention von Erdöl und die Entwicklung von Poren in organischen Partikeln sind stark mit Veränderungen in der Kerogendichte assoziiert, die durch thermische Reifungsprozesse in der Form von Schwellung und Schrumpfung verursacht werden. Bei marinen Typ II Schiefergesteinen entstehen die sekundären Poren nach Überschreiten der maximalen Schwellkapazität der Kerogene bei Tmax ca. 445 °C (~0,85% Ro). Kerogenschrumpfung führt zur Entstehung sekundärer Poren in den organischen Partikeln und somit zu einer Erhöhung der Porigkeit in den überreifen Posidonia Shales. Da die Gesteinsmatrix heterogen ist, können manche der neu formierten organischen Poren durch Kompaktion wieder geschlossen werden.

Description: Mit dem Journal „System Erde“ berichtet das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ über die unterschiedlichen Facetten seiner Forschungsarbeiten. Die Reihe richtet sich vor allem an Entscheidungsträger in Wissenschaft, Gesellschaft und Politik, an interessierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie an die fachinteressierte Öffentlichkeit.

Description: Mit dem Journal „System Erde“ berichtet das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ über die unterschiedlichen Facetten seiner Forschungsarbeiten. Die Reihe richtet sich vor allem an Entscheidungsträger in Wissenschaft, Gesellschaft und Politik, an interessierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie an die fachinteressierte Öffentlichkeit.

Description: Länge: 15 Min.

Description: Energiewende ist Daseinsvorsorge. Eine erfolgreiche Energiewende benötigt eine Wärmewende! Innovationen, Demonstration und gesellschaftliche Akzeptanz spielen dabei eine Schlüsselrolle. Das „Zwanzig20- Forum Wärmewende“ entwickelt Strategien für den zukünftigen Einsatz von innovativen Technologien zur Realisierung der Wärmewende. Wir sind davon überzeugt, dass eine effiziente Wärmeversorgung urbaner Räume aus heimischen, regenerativen Energiequellen nicht nur möglich, sondern auch umsetzbar ist. Die Wärmewende kan gelingen, wenn die Energieeffizienz und der Anteil erneuerbarer Wärme gesteigert werden und der Sektor Strom geschickt in die Wärmeerzeugng eingebunden wird. Effizienzmaßnahmen haben Vorrang, stoßen aber an Grenzen. Erneuerbare Energien besitzen im Wärmesektor ein hohes Entwicklungspotential. Es gibt kein Patentrezept, die Wärmewende muss technologieoffen gestaltet werden. Im Transformationsprozess spielen Akzeptanz, Demografie und strukturierte Stadtentwicklung eine Schlüsselrolle. Deshalb sind die technologischen Lösungsansätze in eine holistische Sichtweise zu integrieren. Für eine Wärmewende sollten Lösungen ab der Dimension „Quartier“ vorrangig umgesetzt werden. Städte sind stark verdichtete Lebensräume des Menschen. Wärme-, Kälte- und Gasnetze bringen erneuerbare Energien in diese Lebensräume. Daher werden diese Netze in Städten erhalten und ausgebaut. In Großstädten gibt es auch künftig einen substanziellen Bedarf für eine zentrale Fernwärmeversorgung. Hierfür ist zukünftig die Nutzung von Erdwärme unverzichtbar. Die Netze sind die Energieversorgungsinfrastrukturen, die eine Integration der Innovationen von morgen ermöglichen, also von Lösungen, die wir heute noch nicht kennen. Bei vielen technologischen Prozessen fällt Abwärme an, die ungenutzt an die Umwelt abgegeben wird. Die Stadt der Zukunft heizt und kühlt mit dieser Abwärme. Dafür sind Speicher notwendig, auch saisonale Großspeicher. Demonstration ist wichtig für den Erfolg der Wärmewende. Demonstration adressiert die vorhandenen Zielkonflikte, hilft den Veränderungsprozess lösungsorientiert zu gestalten und fördert die Akzeptanz. Benötigt werden mehr Demonstrationsprojekte. Ausgehend von technologischen Lösungen bauen sichtbare und erfolgreiche Demonstrationsprojekte Vorbehalte und Unsicherheiten ab und schaffen Blaupausen für erfolgreiches Handeln und Wirtschaften. Dabei vernetzten sie an einem konkreten Standort die relevanten Akteure und verhelfen Innovationen zum Markteinstieg. Der Entwicklung von regenerativen Demonstrationsvorhaben stehen deutliche Hemmnisse gegenüber, daher ist sie für alle Beteiligten zeit- und ressourcenintensiv. Eine regenerative Wärmeversorgung erfordert zusätzliche Investitionen und muss sich als neuer Teilnehmer in einem etablierten und gedeckten Wärmemarkt behaupten. Kostendruck und Konkurrenzstellung liefern dabei wenig Anreize für Versorger und Verbraucher, regenerative Technologien zu implementieren. Die Anwendung innovativer Technologien stellt vielfach die etablierten Rollen zwischen Erzeuger und Verbraucher sowie dem Produkt der Wertschöpfung in Frage. Neue Geschäftsmodelle haben es schwer sich durchzusetzen, da die etablierten Modelle gut funktionieren. Demonstrationsvorhaben müssen daher durch staatliche Förderprogramme stimuliert werden. Integrierte Verbundprojekte zwischen der Wärmewirtschaft und öffentlichen Forschungsinstitutionen liefern gute Voraussetzungen für eine Förderfähigkeit.

Description: The 2016 LoNNe (Loss of the Night Network) intercomparison campaign is the fourth of four campaigns planned during EU COST Action ES1204. The first campaign took place in 2013 in Lastovo, Croatia, the second in Madrid, Spain (Bará et al 2015), the third in Torniella and Florence, Italy (Kyba et al 2015a). The 2016 campaign took place at the Parc Astronòmic Montsec (PAM). The campaign was supported by the European Collective Awareness Platform for Social and Sustainable Innovation (CAPPSI) STARS4ALL, in which the activity is planned to become a continuous light pollution initiative (LPI). The financing of this campaign, which is listed as a milestone in the MoU of the COST Action ES1204, was unexpectedly waived by the EU-COST Office due to administrative complications and re-organization of the grant-periods. The campaign continued the strategy of taking measurements at multiple sites, this year with a main fixed site and then excursions to other sites. The goals of the campaigns included: ● Understanding the difference between extinction measurements made by DSLR photometry and classical astronomical (telescope) photometry, and also understanding the relation between extinction and sky brightness at these two sites. ● Examining the difference in radiance measured with the mosaic technique of the US National Parks Service camera compared to all-sky fisheye imagery ● Examining the relationships between all-sky and zenith radiance reported by different instruments ● Quantifying the sky brightness at the sites, including full zenith spectral radiance at selected locations ● Measuring the systematic uncertainty on handheld SQM observations due to unit-to-unit differences This report provides a brief synopsis of the campaign and its preliminary outcomes. Section 2 describes the measurement locations, the detailed activities of the participants, the instruments used, and the environmental conditions. Section 3 describes a meeting with local authorities that took place during the campaign. Section 4 provides some preliminary results, outlines the ongoing analyses, and presents research questions for the next campaign to address. Section 5 provides recommendations for future intercomparison campaigns. The Municipality of Balaguer coordinated with us regarding the time that architectural lamps were turned off, and the village of Àger allowed us to turn all street lighting off at a time of our choice.

Description: Der Film dokumentiert den Kurs für Grundschulkinder „Geochemische Schatzsuche“. Ziel des Kurses ist es, Grundschulkinder für Naturwissenschaften zu begeistern. Länge: 6:37 min

Description: Der Report des Helmholtz Open Science Workshops „Zugang zu und Nachnutzung von wissenschaftlicher Software“ #hgfos16 behandelt die Themen Standards und Qualitätssicherung; Reproduzierbarkeit; Lizenzierung und weitere rechtliche Aspekte; Zitation und Anerkennung; Sichtbarkeit und Modularität; Geschäftsmodelle; Personal, Ausbildung, Karrierewege. Diese Themen sind eng miteinander verzahnt. Für jeden Themenbereich werden jeweils die Relevanz, Fragestellungen, Herausforderungen, mögliche Lösungsansätze und Handlungsempfehlungen betrachtet.

Description: Sandstones are important reservoir rocks for a variety of fluids. Their properties, such as porosity and permeability, which are crucial factors for petroleum production, primarily depend on depositional environments. Additionally, subsequent geochemical alterations by depth-related reactions (“classic diagenesis”), organic-inorganic interactions, and mixing of basin fluids can also significantly alter reservoir properties via mineral dissolution and (re-)precipitation. However, the impact of organic-inorganic interactions on mineral alteration is still poorly understood and the controlling factors for meteoric water intrusions are unknown. It is the aim of this dissertation to investigate the diagenesis of sandstones in order to figure out how organic-inorganic interactions affected mineral assemblages depending on oil degradation of different intensity, on mineralogical composition and on pore water composition. Furthermore, the controlling factors for meteoric waters intruding into deep marine turbidites and their consequence on organic-inorganic interactions were studied. To achieve these objectives, more than one hundred core samples were taken from four oil fields (Siri field, Magnus field, Frigg field and Grane field) in the North Sea. These samples vary in lithology (glauconite sandstone, arkose sandstone, and subarkose sandstone), and cover an age range of Jurassic, Palaeocene and Eocene, and a depth interval from shallow (1,734-1,798 m) to deep (3,200-3,240 m). An interdisciplinary approach including imaging techniques (thin section, SEM, TEM), inorganic geochemical techniques (XRD and XRF) and organic geochemical methodologies (GC-FID, GC-MS, FT-ICR-MS) was used for analyzing the inorganic and organic constituents of the samples, and their genetic relationships. In the glauconite-bearing Heimdal sandstone reservoir of the Siri field (2,096-2,137 m depth), authigenic berthierine is one of the most significant diagenetic phases. Berthierine mainly appears as pore-lining or pore-filling crystals, and is most abundant at the oil-water contact (OWC) where glauconite is relatively depleted and where extracted bitumens show the highest extent of biodegradation. Berthierine commonly occurs in semi-dissolved glauconite and its formation postdates oil filling. Based on these two observations, it can be inferred that the formation of berthierine was result of glauconite dissolution, and that this process was probably driven by organic-inorganic interactions due to oil degradation at the OWC. Due to these interconnected processes, other diagenetic alterations, such as feldspar dissolution and quartz overgrowth, also take place in the Heimdal glauconite-bearing sandstone. In the Magnus field, the Jurassic Magnus sandstone is the main reservoir which is at present deeply buried at depths of ca. 3,200-3,240 m. The Magnus sandstone is an arkose sandstone with a high feldspar content. This sandstone reservoir has experienced various intensive post-depositional alterations, including quartz overgrowth, formation of ankerite, siderite, albite, and kaolinite, as well as K-feldspar dissolution. Petrographic and geochemical analyses indicate that part of albite was formed within the reservoir at temperatures of around 80-100°C after oil emplacement. Three potential mechanisms for albite formation were proposed and tested by hydrogeochemical modelling approaches. The results indicate that (1) dissolution of unstable minerals (such as kaolinite and chalcedony) coupled to reduction of ferric iron minerals, but also (2) dissolution of non-end member feldspar coupled to illite formation can account for albite formation. The Eocene Frigg sandstones of the Frigg field and the Palaeocene Heimdal sandstones of the Grane field are both sub-arkose sandstones and are buried at 2,045-2,075 m and 1,734-1,798 m, respectively. However, the Eocene Frigg sandstones display intensive feldspar dissolution and kaolinite formation, and stronger oil degradation compared to the Palaeocene Heimdal sandstones of the Grane field. Most likely, meteoric water intrusion into the Frigg sandstones due to its adjacency of the East Shetland Platform could have led to both alterations. Furthermore, organic-inorganic interactions triggered by oil degradation could also be a reason for feldspar dissolution and kaolinite formation accompanied by siderite formation. Sandstein ist ein wichtigstes Reservoirgestein für Fluide. Seine Eigenschaften, wie zum Beispiel Porosität und Permeabilität, die entscheidend für die Erdöl- und Erdgasproduktion sind, hängen stark vom Ablagerungsmilieu ab. Zusätzlich können nachfolgende geochemische Prozesse wie z.B. tiefenabhängige Reaktionen (“Klassische Diagenese”), organisch-anorganische Wechselwirkungen, und Vermischungen von unterschiedlichen Beckenfluiden die Reservoir-Eigenschaften durch Lösung und Ausfällung von Mineralen erheblich verändern. Trotzdem ist der Einfluss organisch-anorganischer Wechselwirkungen auf Mineralveränderungen immer noch wenig erforscht und die kontrollierenden Faktoren von Intrusionen meteorischen Wassers weitestgehend unbekannt. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung der Sandsteindiagenese in Bezug auf den Einfluss organisch-anorganischer Wechselwirkungen auf Mineralvergesellschaftungen und deren Abhängigkeit von der Intensität des Erdölabbaus, der primären mineralogischen Zusammensetzung, und von der Porenwasser-Zusammensetzung. Weiterhin wurden die Einflussfaktoren von Intrusionen meteorischen Wassers in tiefmarine Turbidite und deren Folgen auf organisch-anorganischen Wechselwirkungen untersucht. Hierzu wurden mehr als 100 Kernproben aus vier Ölfeldern in der Nordsee genommen (Siri Feld, Magnus Feld, Frigg Feld und Grane Feld). Diese Proben variieren im Hinblick auf Lithologie (glaukonitscher Sandstein, Arkose-Sandstein, subarkosischer Sandstein), Alter (von Jura, Paläozän, bis Eozän), und Tiefe, wo sie sich von flachen (1,734-1,798 m) bis zu tiefen (3,200-3,240 m) Bereichen erstrecken. Um organische und anorganische Bestandteile der Proben und deren genetische Zusammenhänge zu analysieren, wurde ein interdisziplinärer Ansatz mit bildgegebenden Verfahren (Dünnschliff, SEM, TEM), anorganisch-geochemischen (XRD und XRF), und organisch-geochemischen Methoden (GC-FID, GC-MS, FT-ICR-MS) angewendet. Im Glaukonit-haltigen Heimdal-Sandstein des Siri-Reservoirs (2,096-2,137 m) ist authigener Berthierin eine der bedeutendsten diagenetischen Mineralphasen. Berthierin kommt hauptsächlich als Porensaum oder Porenfüllung vor und tritt zumeist am Öl-Wasser-Kontakt (OWC) auf. Hier ist Glaukonit relativ verarmt und extrahierte Bitumina zeigen das höchste Biodegradationsstadium. Berthierin tritt normalerweise in angelöstem Glaukonit auf und seine Bildung eröffnet die Möglichkeit, die Füllungsgeschichte des Reservoirs zu datieren. Aus beiden Beobachtungen lässt sich schließen, dass der Übergang von Glaukonit zu Berthierin durch organisch-inorganische Wechselwirkungen verursacht wird und im Umkehrschluss durch die Öldegradation am OWC angetrieben wird. Aufgrund dieser miteinander verbundenen Prozesse finden zudem andere diagenetische Prozesse in den Glaukonit-haltigen Heimdal-Sandsteinen statt, zum Beispiel Auflösung von Feldspäten und Quarz-Überwachsung. Jurassische Magnus Sandsteine sind das Hauptreservoir im Magnus-Feld und bis in 3,200-3,240 m Tiefe versenkt. Diese bestehen aus Arkosesandsteinen mit hohem Feldspat-Anteil. Das Reservoir hat verschiedene, intensive Prozesse nach der Ablagerung erlebt, wie Quarz-Überwachsung, Neubildung von Ankerit, Siderit, Albit, sowie Auflösung vom Kalifeldspat. Petrographische und geochemische Untersuchungen weisen darauf hin, dass ein Teil des Albits bei Temperaturen von ca. 80-100°C im Reservoir gebildet wurde, nachdem das Öl eingedrungen ist. Drei mögliche Mechanismen für die Albit-Bildung wurden mit Hilfe von hydrogeochemischen Modellierungen überprüft. Die modellierten Ergebnisse deuten darauf hin, dass (1) die Auflösung von instabilen Mineralen (wie Kaolinit und Chalzedonit) mit der Reduktion Eisen(III)-haltiger Minerale verbunden sind, und (2) dass die Neubildung vom Albit auch durch Auflösung von Feldspatmischkristallen und gleichzeitiger Illit-Bildung verantwortlich sein kann. Die eozänen Sandsteine des Frigg Feldes und die paläozänen Sandsteine des Grane Felds sind beide Subarkosesandsteine und treten in Tiefen von jeweils 2,045-2,075 m und 1,734-1,798 m auf. Jedoch zeigen die Frigg Sandsteine eine intensivere Feldspatauflösung, eine stärkere Kaolinitbildung, sowie eine stärkere Erdöldegradation im Vergleich zu den paläozänen Heimdal-Sandsteinen des Grane Feldes. Es wird vermutet, dass die Intrusion meteorischen Wassers in die Frigg-Sandsteine aufgrund seiner Nähe zur East Shetland Plattform stattfand, und dies zu beiden genannten Alterationsprozessen geführt hat. Weiterhin könnten die vom Ölabbau ausgelösten organisch-anorganischen Interaktionen eine Ursache für Feldspatauflösungen und Bildung von Kaolinit sowie Siderit sein. Schlüsselwörter: Organisch-anorganische Wechselwirkung, Sandstein, Glaukonit, Berthierin, Albit, meteorische Wässer, FT-ICR-MS, Nordsee.

Description: Tourmaline is the most abundant borosilicate in the Earth’s crust and the ratio of its two B isotopes (¹¹B/¹⁰B) helps to unravel the source and evolution of fluids during metamorphic, magmatic and hydrothermal processes. For example, tourmaline is a common accessory mineral in the metasedimentary Pfitsch Formation located in the Pfitscher Joch area in the western TauernWindow (Alps). Here, tourmaline crystals show successively decreasing B isotope ratios from their cores to their rims. In combination with whole rock B isotope data and a Rayleigh fractionation model it is shown that the B-isotope signatures in tourmaline are most easily explained by the internal redistribution of B from a B-rich precursor mineral (e.g. mica) to the tourmaline. The reliable interpretation of B isotope patterns in natural tourmaline requires knowledge about the B isotope fractionation between tourmaline and fluid (∆¹¹Btur-fluid). Up to date, experimental studies only considered tourmaline with B in trigonal coordination ([3]B), but many natural tourmalines incorporate excess B at the tetrahedrally coordinated T site ([4]B). In this study, ∆¹¹Btur-fluid values are determined as a function of [4]B-content in tourmaline based on tourmaline syntheses experiments at high pressures of 4.0 GPa and temperatures of 700°C using a piston-cylinder apparatus. Olenitic tourmaline rich in [4]B [∼ 2.5 atoms per formula unit (pfu)] has been synthesized in the system SiO₂-Al₂O₃-B₂O₃-NaCl-H₂O. Applying time dependent experiments it is shown that these form via a non-classical crystallization pathway involving jeremejevite as a precursor phase. Rossmanitic tourmaline with lower amounts of [4]B (∼ 0.6 pfu) has been synthesized in the system Li₂O-SiO₂-Al₂O₃-B₂O₃-H₂O. The mechanism for the incorporation of B at the T site follows TSi-1 VO-1 TB1 V(OH)1 as the main and X -1 TSi-1 XNa1 TB1 as a minor exchange vector. Raman spectroscopy has been successfully applied for the chemical characterization of synthetic tourmaline, including the quantification of [4]B concentrations and the first-time detection of Li at the X site. To derive ∆¹¹Btur-fluid as a function of [4]B, B isotope ratios of the synthetic olenitic tourmaline have been determined by spatially resolved secondary ion mass spectroscopy (SIMS), whereas the B isotope ratios of coexisting fluids have been measured via multi-collector plasma source mass spectroscopy. Most accurate SIMS data were obtained using a natural olenite from the Koralpe as a novel reference material, pointing towards the need of matrix matched reference material for SIMS B-isotope analysis of tourmaline. The results showthat if 10 mol% of the total B occur in tetrahedral coordination, the ∆¹¹Btur-fluid is shifted by 0.8 ± 0.5% at 700°C towards more negative values. This corresponds to an intracrystalline fractionation of 8 ± 5% , whereby ¹⁰B preferentially occupies the tetrahedral T site relative to the trigonal B site. Possibly, the effect of tetrahedral boron in tourmaline on the B-isotope fractionation is even greater at lower temperatures.

Description: NASA’s Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) mission carries a suite of seven instruments with the Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA) being one of them. Due to a hardware extension the instrument is capable of detecting regular altimetry measurements from the lunar surface and laser pulses from Earth-based ground stations concurrently at a precision of 15 cm. Utilizing the ground-based ranges for orbit determination is a promising technique due to its precision, the simplicity of the hardware extension and the multiple uses of laser altimeters for future missions. Compared to classical two-way systems, one-way tracking is subject to issues that affect the processing and the application of the data. The fire and the receive times are recorded separately because the respective systems are separate. Furthermore the ranges are a function of state and time which have to be estimated simultaneously from the one-way observable. This requires the simultaneous estimation of the LRO state vector as well as the behavior of its clock and all involved ground station clocks. Within this cumulative thesis the application of one-way laser ranging measurements for LRO’s orbit determination is investigated while analyzing the issues in particular. The method that was developed for the pairing of the fire and the receive times utilizes time conversion from the spacecraft clock kernel and position information from the nominal LRO trajectory. The fire and the receive times were thereby corrected for the influence of atmospheric, instrument specific and relativistic effects. From the processing of observation data covering the whole experimental timeframe of 5 years, statistical values for the experiment and the ground station performance were derived. This data is extremely valuable for mission analysis and simulation. Furthermore the LRO clock was characterized whereby the average value over all mission phases was estimated to 6.9x10-8 for the rate, to 1.6x10-12 /day for the aging and to 2.3x10-14 /day2 for the change of aging. Onboard times were referenced to ground times at an accuracy of 166 ns over two and 256 ns over all mission phases via ground to space time transfer. Moreover ground station clock differences were characterized with different methods from common-view ground to ground time transfer. From such simultaneous passes relative offsets ranging from 33 to 560 ns and relative rates ranging from 2x10-13 to 6x10-12 were estimated between different ground station clocks. LRO orbit arcs were successfully estimated with inversion software based on batch linear least squares. The simultaneous estimation of LRO’s state vector as well as of the correlated LRO and ground station clock parameters required a priori initial and covariance values. These constraints were taken from the nominal LRO trajectory and the characterization of the LRO and the ground station clocks. Within the orbit determination with one-way data only, longer arcs (e.g. 7 and more days) are preferable over shorter arcs since fewer correlated parameters have to be estimated. The estimated 2 and 7 day long arcs had differences of ≈25 m to the nominal LRO trajectory. This is comparable to results from the literature, which had differences of 5–30 m to the nominal trajectory from orbit determination with one-way laser ranging data only. With increasing LRO state arc length (e.g. from 2 to 7 days) the accuracy of the estimated trajectories and the post-fit measurement residuals are decreasing due to neglected or simplified effects in the dynamical modeling. Likewise the accuracy of the estimated clock parameters and the post-fit measurement residuals are decreasing with increasing LRO and ground station clock arc length. The polynomial fits only had limited capability to approximate random LRO clock errors and errors due to incomplete corrections of the fire and the receive times within the clock modeling. Furthermore gaps longer than 12 hours in the observation data coverage significantly decreased the accuracy of the trajectories, the clock parameters and the post-fit measurement residuals. From the results it was found that the LRO state and the LRO and ground station clock arc lengths can be adjusted so that the maximum arc length and the accumulation of errors are optimized. Thereby the different arc lengths for the state, the LRO and the ground station clocks do not need to be identical. While utilizing such optimized state and clock arc lengths as well as enhanced dynamical modeling and corrections, further improvement of the LRO positioning derived from orbit determination with one-way laser ranging data should be possible. Then the laser ranging data could provide valuable input within the joint orbit determination of LRO from radio, laser and altimetry data.

Description: Die NASA Raumsonde Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) verfügt über sechs Bordinstrumente, von denen eines das Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA) ist. Durch eine technische Erweiterung ist das Instrument fähig, die regulären Altimetriemessungen zur Mondoberfläche und gleichzeitig Laserpulse von erdbasierten Bodenstationen mit einer Präzision von 15 cm zu detektieren. Die Bestimmung der Umlaufbahn von LRO mit Hilfe der bodenbasierten Laserentfernungsmessungen ist hinsichtlich der Präzision, der Einfachheit der technischen Realisierung und der Mehrfachnutzung von Laser Altimetern innerhalb zukünftiger Missionen von Interesse. Da es sich bei den Laserentfernungsmessungen um eine Einweg-Verbindung handelt, weist die Verarbeitung und die Anwendung der Daten im Vergleich zu klassischen Zweiwege-Verbindungen Besonderheiten auf. Die Abschuss und Empfangszeiten werden separat aufgezeichnet, da die jeweiligen Systeme voneinander getrennt sind. Des Weiteren sind die Einweg-Entfernungsmessungen abhängig von Ort und Zeit welche in der Umlaufbahnbestimmung gleichzeitig aus nur einer Beobachtung bestimmt werden müssen. Das erfordert die gleichzeitige Bestimmung des LRO Ortsvektors und dem Verhalten seiner Uhr sowie aller involvierten Bodenstationsuhren. Diese kumulative Dissertation beschreibt die Anwendung der Einweg-Laserentfernungsmessungen für die Umlaufbahnbestimmung von LRO wobei speziell auf die Besonderheiten eingegangen wird. Die zunächst entwickelte Zuordnungsmethode der Schuss- und Empfangszeiten nutzt Zeitkonvertierungs- und Positionsinformation aus der nominellen LRO Trajektorie. Die Abschuss- und Empfangszeiten wurden dabei für atmosphärische, instrumentenspezifische sowie relativistische Einflüsse korrigiert. Aus der Prozessierung von Beobachtungsdaten über den gesamten Experimentzeitraum von 5 Jahren wurden statistische Mittelwerte für die Experiment- und Bodenstationsperformance abgeleitet. Diese Daten sind äußerst wertvoll für Missionsanalysen und simulationen. Des Weiteren wurde die LRO Uhr charakterisiert wobei ein mittlerer Wert von 6.9x10-8 für ihre Rate, 1.6x10-12 /Tag für ihre Alterung und 2.3x10-14 /Tag2 für die Änderung der Alterung über alle Missionsphasen bestimmt wurde. Mittels ground to space time transfer wurden Bord- zu Bodenzeiten mit einer Genauigkeit von 166 ns über zwei und von 256 ns über alle Missionphasen referenziert. Außerdem wurden mittels Ground to Ground Common-View Time Transfer die Unterschiede zwischen den Bodenstationsuhren mit verschiedenen Methoden charakterisiert. Aus simultanen Pässen wurden relative Offsets von 33 bis 560 ns sowie relative Raten von 2x10-13 bis 6x10-12 zwischen den Bodenstationsuhren bestimmt. Mit einer auf einem Batch Linear Least Squares Verfahren basierenden Inversionssoftware wurden erfolgreich Bahnbögen für LRO bestimmt. Die Bestimmung des Ortsvektors von LRO und der zum Teil stark korrelierten LRO- und Bodenstationsuhrenparameter war nur unter Verwendung von a priori Start- und Kovarianzwerten möglich. Diese Werte wurden aus der nominellen LRO Trajektorie und der Charakterisierung der LRO Uhr und der Bodenstationsuhrendifferenzen bezogen. Prinzipiell sind bei der Umlaufbahnbestimmung nur mit Einweg-Daten längere Bahnbögen (zum Beispiel 7 und mehr Tage) kürzeren Bögen vorzuziehen, da weniger korrelierte Parameter gleichzeitig bestimmt werden müssen. Die bestimmten LRO Bahnbögen mit Längen von 2 und 7 Tagen hatten Unterschiede von ungefähr ≈25 m zur nominellen LRO Trajektorie. Das ist vergleichbar mit Ergebnissen aus der Literatur, die Abweichungen von 5–30 m zur nominellen Trajektorie bei der Umlaufbahnbestimmung nur mit Einweg-Laserdaten aufwiesen. Mit zunehmender LRO-Bahnbogenlänge (z.B. von 2 zu 7 Tagen) verschlechterte sich die Genauigkeit der bestimmten Trajektorien und der Messwertresiduen durch vernachlässigte oder vereinfachte Effekte in der dynamischen Modellierung. Ebenso werden die bestimmten Uhrenparameter und die Messwertresiduen mit zunehmender LRO- und Bodenstationsuhrenbogenlänge ungenauer. Die verwendeten Polynome können zufällige LRO-Uhrenfehler und Fehler aufgrund von vernachlässigten oder vereinfachten Korrekturen der Abschuss- und Empfangszeiten bei der Uhrenmodellierung nur begrenzt abbilden. Weiterhin haben Beobachtungsdatenlücken größer als 12 h die Genauigkeit der bestimmten Trajektorien, Uhrenparameter und Messwertresiduen signifikant verringert. Aus den Ergebnissen hat sich gezeigt, dass die LRO-Bahn- und Uhrenbogenlängen für LRO und die Bodenstationsuhren so eingestellt werden können, dass die maximale Länge und die Akkumulation von Fehlern optimiert ist. Die verschiedenen Bogenlängen für die Bahnbögen sowie die LRO und die Bodenstationsuhren müssen dabei nicht identisch sein. Unter Verwendung von solchen optimalen Bahn- und Uhrenbogenlängen sowie einer verbesserten dynamischen Modellierung und verbesserter Korrekturen sollte eine weitere Verbesserung der Positionierung von LRO aus der Umlaufbahnbestimmung nur mit Einweg-Daten möglich sein. Dann könnten die Laser Entfernungsmessungen einen wertvollen Beitrag in der gemeinsamen Umlaufbahnbestimmung von LRO aus Radio, Laser und Altimetriedaten leisten.

Description: Die vorliegende Ausgabe des GFZ-Journals „System Erde“ soll einen Einblick in die am GFZ betriebene Forschung zur Seismologie geben.

Description: The International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) performed a dual-phase scientific drilling project to investigate mountain-building processes called Collisional Orogeny in the Scandinavian Caledonides (COSC). The borehole COSC-1 was drilled through the Lower Seve Nappe, as the first of two 2.5 km deep drill holes close to Åre, central Sweden. The recovered rocks comprise a 1650 m thick suite of high grade gneisses and amphibolites with clear Seve Nappe affinities, while the lower 850 m comprise rather homogenous mylonitic gneisses with interfingered K-rich phyllonite bands of cm to several m size and some intercalated amphibolites. The different lithologies all crosscut the core in a subhorizontal direction with foliation of gneisses and phyllonites in the same direction. Albite and garnet porphyroblasts with pressure shadows show syn-deformational growth and the same sub-horizontal alignment. The focus of this thesis is to detect chemical and mineralogical differences in mylonitic and host rocks and to relate these differences to either metasomatism and deformation or inherited source rock variance. Another goal of this work is to compare chemical core scanning instruments. For this purpose two different μ-Energy-Dispersive X-Ray Fluorescence (μ-EDXRF), Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) and hyperspectral imaging techniques served to measure seven samples from the lower 850 m of the COSC-1 core. The measurements reveal sharp borders between different rock types without indication of metasomatic changes, pointing to a heterogeneous protolith such as greywacke. Element and mineral maps show strong pervasive ductile deformation with mylonite recrystallization. The comparison of the scanning devices shows that the μ-EDXRF scanner with 50 μm resolution can be used perfectly for microstructural investigations and heavy element analysis. The XRF core scanner from AVAATECH is very useful and sufficiently precise for element profiles of line scans. The LIBS scanner is great to create distribution maps of elements from H to U with a resolution of 200 μm. The hyperspectral cameras are extremely fast in acquiring spectral mineral maps and structural information. However, several rock forming minerals in gneisses can currently not be identified and a calibration for metamorphic rocks is still needed.

Description: Bevölkerungswachstum und Klimawandel haben tiefgreifende Veränderungen im Mekong Delta verursacht. Eine dieser Veränderungen betrifft das zunehmende Auftreten extremer Hochwasserereignisse. Um das Leben der Menschen in den Küstenbereichen des Deltas während solcher Ereignisse zu schützen, ist es von großer Bedeutung, die Wasserstandhöhe in diesen Bereiche kontinuierlich zu überwachen. Standardmäßig kommen dafür Pegelmessstationen zum Einsatz. Sie ermöglichen die Bestimmung der Wasserstandhöhe mit großer Genauigkeit und hoher zeitlichen Auflösung. Ein Nachteil dieser Methode liegt in der lediglich punktuellen Verfügbarkeit von Messwerten. Aufgrund steigender Wartungskosten wird die Anzahl der Messstationen ferner kontinuierlicher verringert. Eine zukunftsträchtige Alternative stellt die Global Positioning System-Reflectometry (GPS-R) dar, da Wasseroberflächen eine hohe Reflektivität für GPS L-band Signale zeigen. Phasenbeobachtungen haben das Potenzial, genauere Ergebnisse zu liefern. Um die Möglichkeit des Einsatzes eines darauf beruhenden Verfahrens als Pegelmessinstrument zu prüfen, wurden zwei 14-tägige Messkampagnen, 2012 und 2013, im Mekong-Delta durchgeführt. Dabei kam eine neue Generation von GORS-Empfänger zum Einsatz. Um eine Aussage über den Einfluss der Antennenposition auf Qualität und Quantität der registrierten Phasenbeobachtungen treffen zu können, wurden zwei unterschiedliche Antennenhöhen verwendet. Die Ergebnisse der Analyse zeigen, dass hauptsächlich die Rauheit der Wasseroberfläche für den Verlust der Kohärenz der Phasenbeobachtungen verantwortlich ist. Bedingt durch die hohe Datenrate, ein neues Algorithmus zur automatisierte Extraktion von kohärente Phasenbeobachtungen wird vorgestellt. Dabei zeigen die Analyse der Ergebnisse eine Übereinstimmung von 82%. Die Analyse zeigte ferner die Präsenz von Mehrwegeffekte. Dieses bereits in anderen Veröffentlichungen festgestellte Phänomen stellt weiterhin eine offene Fragestellung dar. In der vorliegenden Arbeit werden diese Effekte durch die Anwendung einer adaptierten Version der empirischen Modenzerlegung Empirical Mode Decomposition reduziert, was zu einer deutlichen Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Wasserstandhöhen führt. Des Weiteren kann durch die Analyse der Daten das Vorhandensein einer Vielzahl von Phasensprüngen und deren hohes Maß an Korrelation mit der Umgebung der Antenne nachgewiesen werden. Um den Höhenunterschied zwischen Empfänger und Wasseroberfläche zu bestimmen, wird eine Ausgleichungsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt. Da die Genauigkeit des geschätzten Höhenunterschieds von der Genauigkeit der berechnete Entfernungsdifferenz zwischen dem direkten und dem reflektierten Signal abhängig ist, muss der Einfluss von systematischen Fehlern, die die Signale beeinflussen, minimiert werden. Für diesen Zweck, werden zum einen verschiedene Strategien für die Korrektur der durch die Troposphäre verursachten Fehlers verglichen, wobei gezeigt wird, dass atmosphärische Höhenschicht und die Gesamtzenitverzögerung genau berechnet werden müssen. Zum anderen werden die Einflüsse des Phase Wind-up sowie von Antennenphasenzentrumvariationen und -offset analysiert und Korrekturverfahren vorgestellt. Für eine erfolgreiche Bestimmung der Wasserstandhöhe ist neben der Korrektur systematischer Fehler die korrekte Festsetzung der Mehrdeutigkeiten in den Phasenbeobachtungen erforderlich. Als Ergebnis dieser Arbeit kann festgehalten werden, dass unter diesen Voraussetzungen die Bestimmung der Wasserstandhöhen mit einer Auflösung von 10 Minuten und einer Genauigkeit im dm-Bereich möglich ist. Es konnte ferner gezeigt werden, dass bei gleichzeitigem Vorliegen von Daten mehrerer Satelliten Genauigkeiten im cm-Bereich erzielt werden. Während die größtenteils nicht vorhandene Redundanz den Hauptgrund für die eingeschränkte Genauigkeit darstellt, liegt dieser für die fehlende Kontinuität in dem häufig auftretenden Verlust der Kohärenz der Phasenbeobachtungen. Darüber hinaus, um die allgemeine Anwendbarkeit der in dieser Arbeit entwickeltes Algorithmus zu überprüfen, wurde die Methode auf Daten einer in 2014 durchgeführte Messung in Midelt, Marokko, angewandt. Die daraus resultierenden Wasserstandhöhen im dm-Bereich, zeigen die Anwendbarkeit des entwickelte Algorithmus auf andere grund- und phasenbasierte GPS-R Anwendungen.

Description: Ground-based gauge instrumentation enables a high altimetric accuracy with high temporal resolution, but for a point location only. However, their number is decreasing worldwide. GPS-R reveals new perspectives for water level monitoring, since water surfaces show a high reflectivity for the GPS L-band signal. To test the possibility of using this innovative technique, two field campaigns were conducted in Vietnam within the WISDOM project. As phase observations has the potential to offer more accurate results, a new generation of GORS receiver has been successfully tested. GPS-R phase-based altimetry imply continuous coherent phase observations. Due to the high sampling rate of the recorded data, a new automated algorithm, based on an ellipse fitting, is proposed to extract coherent observations. A hit rate of 82% could be reached. To test the geometrical impact of the antenna position on quality and quantity of the recorded observations, two antenna heights were used. A detailed analysis of the recorded observations was performed and correction techniques were developed. The results of the analysis show that the roughness of the water surface had a major influence on loss of coherency. Additionally, the surroundings of the antennas and the river geometry restrict the use of reflection events. The analysis also showed the presence of multipath effects other than the water, deteriorating the results. A phenomena already found in other research activities but not resolved. These multipath effects are mitigated and filtered based on an adjusted Empirical Mode Decomposition method showing an improvement of several centimetres in the obtained water level results. The data also reveals the strong presence of cycle slips that distort the results. A cycle slip detection strategy was therefore proposed. To extract water level changes, a LS method is used. As the accuracy of the extracted altimetric heights are strongly dependent on the accurate calculation of the geometrical excess paths between the direct and the reflected signal, effort was made to analyse the impact of systematic errors that influence the signals. Different tropospheric correction strategies are compared, showing that atmospheric height layer and total zenith delay have to be precisely calculated. Additionally, the impact of the mostly ignored phase wind-up effects in GPS-R applications is underlined. As the recorded coherent phase observations are ambiguous, an ambiguity fixing strategy for different satellite redundancy is proposed. Mostly, only L1 coherent phase observations from a single satellite are present. In this case, water level heights within the set goal of decimetre level of accuracy can be calculated with an interval of 10 min. In the most desirable case, with the presence of redundant satellites, water level heights could be estimated at the centimetre level of accuracy. To test the general applicability of the proposed algorithm, recorded observations during a measurement campaign, conducted 2014 within the PMARS project in Midelt, Morocco, were used. The obtained results within the decimetre level of accuracy, underline the applicability of the proposed algorithm to other ground and phase-based GPS-R altimetry applications. All the obtained results are verified by comparing them with tide gauge measurements in the vicinity of the antennas.

Description: Mit der Modernisierung von GPS (Global Positioning System), Wiederherstellung von GLONASS (das russische Global Navigation Satellite System) und neu entstehende Konstellationen, wie das chinesische Beidou und dem europäischen Galileo-System, die Welt der Global Navigation Satellite Systems (GNSS) hat im Bereich der Multi-Konstellation GNSSerfahrendedramatische Veränderungen.Die schnelle Entwicklung des aktuellen GNSS Konstellation bringt eine vielversprechende Perspektive für die Echtzeit-Abfrage von der troposphärische Verzögerungsparameter wie Gesamtverzögerung im Zenit (ZTD) und niederschlagbarer Wasserdampf (PWV), die für die Unterstützung der zeitkritischen meteorologische Anwendungen von großem Nutzen ist wie Nowcasting oder Unwetter-Überwachung. Mit der schnelle Entwicklung des bestehenden GNSS und die Echtzeit-PPP (genaue Punkt-Positionierung) Technik, das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Echtzeit-GNSS-PPP-Verarbeitung für zeitkritische meteorologische Anwendungen zu entwickeln. Die Kernforschung und die Beiträge dieser Arbeit sind wie folgt zusammengefasst: Wir entwickeln eine Echtzeit-ZTD/PWV-Verarbeitung basierend auf den Beobachtungen aus dem individuellen System: GPS, GLONASS und BeiDou. Die Leistung von ZTD und PWV, die von jedem System unter Verwendung von Echtzeit-PPP-Verfahren abgeleitet werden, wird untersucht. Der Beitrag der Kombination von BeiDou oder GLONASS mit GPS für die ZTD/PWV-Abfrage wird ebenfalls bewertet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die GLONASS ZTD-Zeitreihen insgesamt sehr gut mit der GPS ZTD-Zeitreihe übereinstimmt: Die Effektivwerte der ZTD-Differenzen betragen etwa 8 mm, was 1.2 mm PWV entspricht. Die nur mit BeiDou erzeugte ZTD-Zeitreihen zeigen ebenfalls gute Übereinstimmung mit den GPS: Die Effektivwerte betragen etwa 11-16 mm, entspricht etwa 2-3 mm im PWV. Die Echtzeit-ZTD/PWV aus GPS-einzelne, GLONASS-einzelne, BeiDou-einzelne, GPS/ GLONASS und GPS/BeiDou kombinierten Lösungen werden mit denen aus der Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI) und Radiosonden abgeleitet. Die Vergleiche zeigen, dass GLONASS zu echtzeit-meteorologischen Anwendungen mit nahezu der gleichen Genauigkeit wie GPS beitragen kann, ähnlich für BeiDou, die etwas weniger genau als GPS ist. Außerdem können genauere und zuverlässigere Wasserdampf-Schätzwerte erhalten werden, wenn die GLONASS- oder BeiDou-Beobachtungen mit den GPS-Beobachtungen in der Echtzeit-PPP-Datenverarbeitung kombiniert werden, etwa 1.5-2.3 mm in PWV. Außerdem wird ein Multi-GNSS-Modell (GLONASS + GPS + Galileo + BeiDou) zur vollständigen Nutzung aller verfügbaren Beobachtungen aus dem aktuellen GNSS zur Ableitung des Echtzeit-ZTD/PWV basierend auf der Echtzeit-PPP-Verarbeitung angeboten. Beobachtungen von Stationen, die die Multi-Konstellation verfolgen können, werden sowohl im Einzel- als auch im Multi-Systemmodus verarbeitet. Die aus dem einzelnen GNSS und den kombinierten Multi-GNSS-Lösungen abgerufenen ZTD/PWV werden durch Vergleich mit Daten aus den benachbarten Radiosonden-Stationen beurteilt. Das Nutzen der Multi-GNSS-Kombination für die Echtzeit-Wasserdampf-Schätzungen wird bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Genauigkeit auf dem mm-Niveau, d.h. 1.2-1.3 mm, für die Echtzeit-PWV-Schätzungen mit der Multi-GNSS-Verarbeitung erreichbar ist. Die erhaltenen Wasserdampf-Schätzungen mit erhöhter Genauigkeit und Zuverlässigkeit zeigen die möglichen Vorteile der Multi-GNSS-Fusion für atmosphärische Überwachungssysteme, insbesondere für die zeitkritischen meteorologischen Anwendungen. Die troposphärischen horizontalen Gradienten mit hohen räumlich-zeitlichen Auflösungen liefern wichtige Informationen, um die azimutal asymmetrischen Verzögerungen zu beschreiben und die Fähigkeit von bodenbasiertem GNSS im Bereich der meteorologischen Studien signifikant zu erhöhen. Die neue schnelle Entwicklung von Multi-GNSS-Konstellationen hat das Potential, solche hochauflösenden Gradienten mit einem signifikanten Gradienten an Genauigkeit bereitzustellen. Wir entwickeln eine Multi-GNSS-Verarbeitung für die präzise Abfrage hochauflösender troposphärische Gradienten. Die troposphärischen Gradienten mit unterschiedlichen zeitlichen Auflösungen, die sowohl aus Einzelsystem- als auch aus Multi-GNSS-Lösungen gewonnen wurden, werden mit Hilfe von unabhängigen numerischen Wettermodellen (NWM) und Wasserdampfradiometern (WVR) validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die hochauflösenden Multi-GNSS-Gradienten gut mit denen aus dem NWM und dem WVR übereinstimmen, insbesondere für die sich schnell ändernden Spitzen, die meistens mit synoptischen Fronten assoziiert sind. Die Multi-GNSS-Gradienten verhalten sich viel stabiler als die Ein-System-Schätzungen, vor allem in Fällen hoher zeitlicher Auflösung, die von der erhöhten Anzahl beobachteter Satelliten und verbesserter Beobachtungsgeometrie profitieren. Weiterhin kann durch die Multi-GNSS-Fusion auch die Präzision der Stationspositionen merklich verbessert werden, und es lassen sich gesteigerte Ergebnisse erzielen, wenn die hochauflösende Gradientenschätzung statt der üblicherweise verwendeten täglichen Gradientenschätzung in der Multi-GNSS-Datenverarbeitung durchgeführt wird. Die genaue Positionierung mit dem aktuellen BeiDou erweist sich als mit GPS vergleichbar genau, was bei den horizontalen Komponenten und dem Sub-Dezimeter-Niveau für die vertikale Komponente im Zentimeter liegt. Aber das BeiDou-PPP zeigt seine Einschränkung bei der Erfordernis einer relativ langen Konvergenz-Zeit. Somit entwickeln wir einen NWM-erweiterten PPP-Verarbeitungsalgorithmus, um die genaue Positionierung von BeiDou zu verbessern. Troposphärische Verzögerungsparameter, d.h. Verzögerungen im Zenit, Abbildungsfunktionen und horizontale Verzögerungsgradienten, die aus Kurzbereichsprognosen des globalen Prognosesystems (GFS) der nationalen Zentren für Umweltvorhersage (NCEP) abgeleitet sind, werden in BeiDou-Echtzeit-PPP angewendet. Beobachtungsdaten von Stationen, die die BeiDou-Konstellation verfolgen können, werden sowohl mit dem Standard-PPP als auch mit der eingeführten NWM-erweiterten PPP-Verarbeitung verarbeitet. Die Positionierungsergebnisse zeigen, dass mit der NWM-erweiterten PPP-Lösung gegenüber den Standard-PPP-Lösungen eine Verbesserung der Konvergenz-Zeit bis zu 60.0 % bzw. 66.7 % für die Ost- und Vertikal-Komponenten erreicht werden kann, während nur eine geringe Verbesserung der Lösungskonvergenz erreicht für die Nordkomponente gefunden werden kann. Eine Positionierungsgenauigkeit von 2.0 cm für die Nordkomponente wird mit dem NWM-verstärkten PPP erreicht, im Vergleich zu 3.7 cm des Standard-PPP mit einer Verbesserung von 45.9 %. Verglichen mit der Genauigkeit von 5.7 cm für die Ost-Komponente, die von der Standard-PPP-Lösung abgeleitet ist, wird diejenige der NWM-verstärkten PPP-Lösung auf 3.5cm, um etwa 38.6 %, verbessert. Die Positionierungsgenauigkeit für die Up-Komponente verbessert sich von 11.4 cm mit der Standard-PPP-Lösung auf 8.0 cm mit der NWM-verstärkten PPP-Lösung, was einer Verbesserung von 29.8 % entspricht. Eine signifikante Verbesserung der Positionierungsgenauigkeit, Zuverlässigkeit sowie der Konvergenz-Zeit mit der Multi-GNSS-Fusion kann im Vergleich mit der einzelne System-Verarbeitung wie GPS beobachtet werden. In dieser Studie wurde ein NWM erweitert PPP-Verarbeitungssystem entwickelt, um die Multi-GNSS genaue Positionierung zu verbessern. Troposphärische Verzögerungsparameter, die aus der ECMWF-Analyse abgeleitet werden, werden auf das Multi-GNSS-PPP (eine Kombination von vier Systemen: GPS, GLONASS, Galileo und BeiDou) angewendet. Beobachtungen von Stationen aus dem IGS-Multi-GNSS-Experiment (MGEX)-Netzwerk werden verarbeitet, wobei sowohl das Standard-Multi-GNSS-PPP als auch die vorgeschlagene NWM eine mehrfache GNSS-PPP-Verarbeitung unterstützt. Die hohe Qualität und Genauigkeit der von ECMWF abgeleiteten troposphärischen Verzögerungsparameter werden durch Vergleich und Validierung mit den endgültigen troposphärischen IGS-Verzögerungsprodukten demonstriert. Im Vergleich zur Standard-PPP-Lösung wird die Konvergenz-Zeit mit der NWM-erweiterten PPP-Lösung um 20.0 %, 32.0 % bzw. 25.0 % für die Nord-, Ost- und Vertikalkomponenten verkürzt. Die Positionierungsgenauigkeit profitiert auch von der NWM-erweiterten PPP-Lösung, die sich um 2.5 %, 12.1 % bzw. 18.7 % für die Nord-, Ost- und Vertikal-Komponenten verbessert.

Description: With the modernization of GPS (Global Positioning System), recovery of GLONASS (the Russian GLObal NAvigation Satellite System), and newly emerging constellations, like the Chinese BeiDou Navigation Satellite System and the European Galileo system, the world of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) has experienced dramatic changes within the field of multi-constellation GNSS. The rapid development of the current GNSS constellation brings a promising prospect for the real-time retrieval of tropospheric delay parameters like zenith total delay (ZTD) and precipitable water vapor (PWV), which is of great benefit for supporting the time-critical meteorological applications such as nowcasting or severe weather event monitoring. With the increasing development of the existing GNSS and the real-time PPP (precise point positioning) technique, the objective of this thesis is to develop a real-time GNSS PPP processing for time-critical meteorological applications. The core research and the contributions of this thesis are summarized as following: We develop a real-time ZTD/PWV processing based on the observations from individual system: GPS, GLONASS, and BeiDou. The performance of ZTD and PWV derived from each system using real-time PPP technique is investigated. The contribution of combining GLONASS or BeiDou with GPS for ZTD/PWV retrieving is evaluated as well. Our results show that the real-time GLONASS ZTD series agree quite well with the GPS ZTD series in general: the root mean square (RMS) values of ZTD differences are about 8 mm, which is equal to 1.2 mm in PWV. The real-time BeiDou-only ZTD series also show good agreement with the GPS-only ones: the RMS values are about 11-16 mm, of about 2-3 mm in PWV. The real-time ZTD/PWV derived from GPS-only, GLONASS-only, BeiDou-only, GPS/GLONASS and GPS/BeiDou combined solutions are compared with those derived from the Very Long Baseline Interferometry (VLBI) and radiosondes. The comparisons show that GLONASS can contribute to real-time meteorological applications, with almost the same accuracy as GPS, similar for BeiDou which is slightly less accurate than GPS. Besides, more accurate and reliable water vapor estimates can be obtained if the GLONASS or BeiDou observations are combined with the GPS observations in the real-time PPP data processing, about 1.5-2.3 mm in PWV. A multi-GNSS (GLONASS+GPS+Galileo+BeiDou) model is also presented to fully exploit all available observations from the current GNSS for deriving the real-time ZTD/PWV based on the real-time PPP processing. Observations from stations capable of tracking the multi-constellation are processed in both single- and multi-system modes. The ZTD/PWV retrieved from the individual GNSS and the combined multi-GNSS solutions are assessed by comparing with data from the nearby radiosonde stations. The benefit of the multi-GNSS combination for real-time water vapor derivation is evaluated. The results show that an accuracy at the mm-level, i.e. 1.2-1.3 mm, for the real-time PWV estimates is achievable with the multi-GNSS processing. The obtained water vapor estimates with enhanced accuracy and reliability reveal the potential benefits of multi-GNSS fusion for atmospheric monitoring systems, in particular for the time-critical meteorological applications. The tropospheric horizontal gradients with high spatiotemporal resolutions provide important information to describe the azimuthally asymmetric delays and significantly increase the ability of ground-based GNSS within the field of meteorological studies. The recent rapid development of multi-GNSS constellations has potential to provide such high-resolution gradients with a significant degree of accuracy. We develop a multi-GNSS processing for the precise retrieval of high-resolution tropospheric gradients. The tropospheric gradients with different temporal resolutions, retrieved from both single-system and multi-GNSS solutions, are validated using independent numerical weather model (NWM) and water vapor radiometer (WVR) data. The benefits of multi-GNSS processing for the retrieval of tropospheric gradients, as well as for the improvement of precise positioning, are demonstrated. The results show that the multi-GNSS high-resolution gradients agree well with those derived from the NWM and WVR, in particular for the fast-changing peaks, which are mostly associated with synoptic fronts. The multi-GNSS gradients behave in a much more stable manner than the single-system estimates, especially in cases of high temporal resolution, benefiting from the increased number of observed satellites and improved observation geometry. Furthermore, the precision of station positions can also be noticeably improved by the multi-GNSS fusion, and enhanced results can be achieved if the high-resolution gradient estimation is performed, instead of the commonly used daily gradient estimation in the multi-GNSS data processing. Precise positioning with the current BeiDou is proven to be of comparable accuracy to GPS, which is at centimeter level for the horizontal components and sub-decimeter level for the vertical component. But the BeiDou PPP shows its limitation in requiring a relatively long convergence time. Thus, we develop a NWM augmented PPP processing algorithm to improve BeiDou precise positioning. Tropospheric delay parameters, i.e., zenith delays, mapping functions, and horizontal delay gradients, derived from short-range forecasts from the Global Forecast System (GFS) of the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) are applied into BeiDou real-time PPP. Observational data from stations that are capable of tracking the BeiDou constellation are processed with both the standard PPP and the introduced NWM augmented PPP processing. The positioning results show that an improvement of convergence time up to 60.0 % and 66.7 % for the east and vertical components, respectively, can be achieved with the NWM augmented PPP solution compared to the standard PPP solutions, while only slight improvement of the solution convergence can be found for the north component. A positioning accuracy of 2.0 cm for the north component is achieved with the NWM augmented PPP, in comparison to 3.7 cm of the standard PPP, showing an improvement of 45.9 %. Compared to the accuracy of 5.7 cm for the east component derived from the standard PPP solution, the one of the NWM augmented PPP solution is improved to 3.5 cm, by about 38.6 %. The positioning accuracy for the up component improves from 11.4 cm with the standard PPP solution to 8.0 cm with the NWM augmented PPP solution, an improvement of 29.8 %. Significant improvement on positioning accuracy, reliability, as well as convergence time with the multi-GNSS fusion can be observed in comparison with the single-system processing like GPS. In this study, a NWM augmented PPP processing system is developed to improve the multi-GNSS precise positioning. Tropospheric delay parameters which are derived from the ECMWF analysis are applied to the multi-GNSS PPP (a combination of four systems: GPS, GLONASS, Galileo, and BeiDou). Observations of stations from the IGS Multi-GNSS Experiments (MGEX) network are processed, with both the standard multi-GNSS PPP and the proposed NWM augmented multi-GNSS PPP processing. The high quality and accuracy of the tropospheric delay parameters derived from ECMWF are demonstrated through comparison and validation with the IGS final tropospheric delay products. Compared to the standard PPP solution, the convergence time is shortened by 20.0 %, 32.0 %, and 25.0 % for the north, east, and vertical components, respectively, with the NWM augmented PPP solution. The positioning accuracy also benefits from the NWM augmented PPP solution, which gets improved by 2.5 %, 12.1 %, and 18.7 % for the north, east, and vertical components, respectively.

Description: Diese Ausgabe des GFZ-Journals „System Erde“ wurde im Dezember 2016 produziert und erscheint im Januar 2017. Das ist der Monat, in dem das Deutsche GeoForschungsZentrum seinen 25. Geburtstag feiert. Der Schwerpunkt Südamerika ist dabei durchaus passend, denn die Forscherinnen und Forscher des GFZ arbeiten dort seit der Gründung des Zentrums. Die Südpazifikküste mit den großen Subduktionsbeben, die Anden mit ihren Vulkanen und all die geologischen Prozesse, die in der Region sichtbar werden, sind wie die Seiten eines Lehrbuchs der Geologie – wenn man sie denn zu entziffern weiß. Selbst die so genannten passiven Kontinentalränder an den Küsten des Südatlantiks bieten uns tiefe Einblicke in die Erdgeschichte; sie sind Geoarchive erster Ordnung. Hinzu kommt, dass sie Lagerstätten für Rohstoffe bergen.

Description: Film 7: "Die Stilllegung eines CO2-Speichers – Pilotstandort Ketzin" (Länge 10:39) Produktionsjahr: 2015

Description: Global Navigation Satellite Systems (GNSS) spielen eine wichtige Rolle bei der präzisen Positionierung für Geodäsie und Vermessungstechnik. Der Schlüssel für die präzise GNSS Echtzeitpositionierung ist die sofortige Auflösung der ganzzahligen Mehrdeutigkeit. Jedoch können einige der Bias in Trägerphasenbeobachtungen nicht durch Differenzbildung entweder zwischen Stationen oder Satelliten entfernt werden, so dass die ganzzahlige Natur der Mehrdeutigkeit durch doppelte Differenzbildung zerstört werden kann und somit können die Mehrdeutigkeit nicht als ganze Zahlen festgelegt werden. Zwei typische Biasarten sind die Inter-Frequency-Bias (IFB) in der Prozessierung von GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS) Daten und die Inter-System-Bias (ISB) für Integration von mehreren GNSS. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit die Untersuchung, Schätzung und Korrektur dieser Bias in Trägerphasenbeobachtungen um bessere Positionierungsgenauigkeit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit durch die Verbesserung der Auflösung von Mehrdeutigkeiten zu erreichen. Die geschätzten Parameter der IFB und ISB von Trägerphasen sind normalerweise die IFB Rate und der bruchzahlige Teil von ISB (F-ISB). Die meisten der aktuellen Methoden schätzen die IFB Rate oder F-ISB zusammen mit den nicht-ganzzahligen Mehrdeutigkeiten und brauchen aufgrund ihrer hohen Korrelation meistens relativ lange Beobachtungszeitintervalle. Theoretisch hängt die Leistung der Auflösung von Mehrdeutigkeiten von der Qualität des gegebenen Wertes von IFB Rate/F-ISB ab, wenn die Beobachtungen präzise modelliert werden. Mit anderen Worten, je näher der gegebene Wert von IFB Rate/F-ISB an dem wahren Wert liegt, desto besser ist die Auflösung. Daher kann RATIO in der Festlegung von Mehrdeutigkeiten als Qualifizierungsfaktor des Wertes von IFB-Rate/F-ISB angewendet werden. Aufgrund dieser Tatsache wurde in dieser Arbeit eine neue auf dem Partikelfilter basierende Methode entwickelt, um diese Bias sowohl in Post-Prozessierung als auch im Echtzeit-Modus zu schätzen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die IFB/ISB durch deren Stichproben (d.h. Partikel) repräsentiert, mit den Gewichten die durch die konstruierte Wahrscheinlichkeitsverteilung (Likelihood-Funktion) von dem dazugehörigen RATIO für die gegebenen Stichprobenwerte so festgelegt werden, dass der wahre Biaswert mit dem Partikelfilterverfahren erfolgreich geschätzt werden kann. Die ganzzahlige Natur der Mehrdeutigkeiten in den Modellen mit IFB/ISB-Parametern wird in der Auflösung von Mehrdeutigkeit mit dem gegebenen Wert von IFB Rate/F-ISB vorteilhaft verwendet. Somit kann das neue Verfahren die Konvergenzzeit erheblich verringern und die Zuverlässigkeit der Schätzung ohne a priori Werte erhöhen. Außerdem, für den Fall wenn mehr als ein Bias-Parameter in dem Modell enthalten ist, wurde der mehrdimensionale Partikelfilter-Ansatz entwickelt, um mehr als einen Bias-Parameter gleichzeitig innerhalb der präzisen GNSS-Positionierung abzuschätzen. In diesem Fall sind die oben genannten Vorteile des Verfahrens noch offensichtlicher. In der GLONASS-Datenverarbeitung mit einer Nicht-Null IFB Rate kann das Verfahren die IFB Rate aus den Beobachtungen von einigen wenigen Epochen abschätzen. Mit der geschätzten IFB Rate sind in den Experimenten mit kurzen Basislinien die GLONASS Lösungen mit festgesetzten Mehrdeutigkeiten so genau wie die dazugehörigen GPS Lösungen. Zusätzlich ist das Bias in der geschätzten IFB Rate, wenn das Zustandsrauschen als ein sehr kleiner Wert oder sogar Null festgelegt wird, signifikant, kann aber mit dem regularisierten Partikelfilter (RPF) entfernt werden und die Präzision des geschätzten IFB wird mit neuen Beobachtungen kontinuierlich verbessert. Ein Ansatz für die Anpassung der Anzahl der Teilchen in der Schätzung der IFB Rate wurde auch vorgeschlagen, um die Berechnungslast zu reduzieren, indem die Anzahl der Partikel mit der Standardabweichung der gewichteten Teilchen in Beziehung gesetzt wurde. In der Schätzung der F-ISB in der Integration von mehreren GNSS reduziert das neue auf dem Partikelfilter basierende Verfahren weitgehend die Konvergenzzeit und verbessert die Zuverlässigkeit der F-ISB Schätzung, wenn Satelliten von jedem einzelnen System zu wenige für eine unabhängige Positionierung sind. Aufgrund der periodischen Eigenschaften von ISB, können die F-ISB Partikel in verschiedene Gruppen getrennt werden, was zur Divergenz der Filterung führen kann. Dieses Problem wird durch die Einführung der Cluster-Analyse, die die Gruppen automatisch erkennen kann, so dass sie in der Filterung in eine Gruppe zusammengeführt werden können, erfolgreich gelöst. Die Schätzung der IFB Rate der Phase mit dem neuen Verfahren ermöglicht die Nutzung von GLONASS in Echtzeit für kinematische Positionierung, auch wenn das Bias zwischen den Empfängern groß ist. Die Schätzung des F-ISB der Phase mit dem neuen Verfahren erlaubt, dass die präzise Positionierung mit weniger Satelliten von jedem System durchgeführt wird, als erforderlich für gängige Methoden. Daher erweitert die Schätzung der IFB Rate/F-ISB bedeutend die Anwendung von kinematischen GNSS Echtzeitpositionierung. Es beweist auch, dass die entwickelte neue Methode Bias schnell und genau schätzen kann, und eine neue Art der Biasschätzung in der präzisen GNSS Positionierung einführt.

Description: Global Navigation Satellite Systems (GNSS) play an important role in precise positioning for geodesy and surveying engineering. The key to the real-time GNSS precise positioning is the instantaneous integer ambiguity resolution. However, some of the biases in carrier phase observations cannot be removed by differencing between either stations or satellites, so the integer nature of the double-differenced ambiguities is destroyed and thus the ambiguities cannot be fixed to integers. Two typical biases are the inter-frequency bias (IFB) in GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS) data processing and the inter-system bias (ISB) in multi-GNSS integration. Hence, the main objective of this thesis is the investigation, estimation and correction of these biases in carrier phase observations to achieve better positioning accuracy, reliability and availability through the improvement of its ambiguity resolution. The estimated parameters of the carrier phase IFB and ISB are usually the IFB rate and the fractional ISB (F-ISB), respectively. Most of the current methods estimate IFB rate or F-ISB together with the float ambiguities and usually need observations of relatively long time due to their high correlation. Theoretically, the performance of the ambiguity resolution depends on the quality of the given IFB rate/F-ISB value if the observations are precisely modelled. In other words, the closer the given IFB rate/F-ISB value to the truth value is, the better the resolution will be. Therefore, the RATIO in the ambiguity fixing can be applied as the qualification factor of the IFB rate/F-ISB value. Based on this fact, a new methodology based on particle filter is developed to estimate these biases in both post-processing and real-time mode in this study. In the proposed method, the IFB/ISB is represented by its samples (i.e. particles) with the weights determined by the designed likelihood function of the related RATIO given the sample values, so that the true bias value can be estimated successfully by the particle filter approach. The integer nature of the ambiguities in the models with IFB/ISB parameters is well utilised in the ambiguity resolution with the given IFB rate/F-ISB values. Thus, the new method can significantly reduce the convergence time and increase the reliability of the estimation without a priori values. Besides, when more than one bias parameter is included in the model, the multi-dimensional particle filter approach is developed to estimate more than one bias parameter simultaneously in GNSS precise positioning. In this case, the aforementioned benefits of the method are obviously enlarged. In the GLONASS data processing with a nonzero IFB rate, the method can estimate the IFB rate from observations of a few epochs. With the estimated IFB rate, the GLONASS fixed solutions are as accurate as the GPS fixed solutions in the experiments with short baselines. In addition, the bias in the estimated IFB rate when the state noise is set to a very small value or even zero is significant, but this bias can be removed by utilising the regularized particle filter (RPF) and the precision of the estimated IFB rate is continuously improved by new observations. An approach for adapting the number of particles in the estimation of the IFB rate is also proposed to reduce the calculation burden by relating the number of particles to the standard deviation of the weighted particles. In the estimation of the F-ISB in multi-GNSS integration, the new method based on particle filter largely reduces the convergence time and improves the reliability of F-ISB estimation when satellites from each system are not sufficient for independent positioning. Due to the periodic characteristics of ISB, the F-ISB particles can be separated into different groups leading to the divergence of the filtering. This problem is solved successfully by introducing the cluster analysis method which can detect the groups automatically so that they can be shifted together into one group in the filtering. The estimation of the phase IFB rate with the new method enables the usage of GLONASS in real-time kinematic positioning even when the IFB between receivers is large. The estimation of the phase F-ISB with the new method allows the precise positioning to be carried out with fewer satellites from each system than the number of satellites required by the current methods. Therefore, the IFB rate/F-ISB estimation significantly extends the application of real-time kinematic GNSS positioning. It also proves that the developed new method is capable of estimating biases quickly and accurately, which initiates a new way of bias estimation in GNSS precise positioning.

Description: Very long baseline interferometry (VLBI) is one of the fundamental space geodetic techniques. Important goals for the next generation of VLBI technology are continuous operations as well as automated data processing. For this reason, it is necessary to introduce real time capable parameter estimation algorithms, such as Kalman filters, to VLBI data analysis. In this study, such a filter was implemented in the VLBI software VieVS@GFZ, and several aspects related to VLBI data processing were investigated. Within the corresponding module VIE_KAL it is possible, for example, to estimate all parameters important in VLBI analysis, adapt their stochastic models, flexibly define the datum, integrate external data, as well as extract datum free normal equations. The foci of the investigations were on the effects of the troposphere, the most important error source in VLBI analysis, and on the determination of station positions, which are of great importance in geodesy. For the stochastic model of the tropospheric delays, station- and timedependent differences were considered. In comparisons with tropospheric parameters from GNSS, water vapor radiometers and numerical weather models, the Kalman filter solution yielded 5 to 15% smaller differences than a least squares solution based on the same models and VLBI data. Also in the case of estimated station coordinates, the Kalman filter solution exhibited better baseline length and station coordinate repeatabilities. The application of station-based process noise led to additional improvements. Furthermore, the Kalman filter was used to estimate subdaily station coordinate variations caused by tidal and loading effects. Finally, the findings were used to determine Kalman-filter-based global terrestrial reference frames (TRFs). For the stochastic model of the coordinate variations of particular stations, loading deformation time series were utilized. The non-deterministic approach of the Kalman filter allowed the consideration of non-linear station movement, for example, due to irregular seasonal effects or post-seismic deformations. In comparisons with a VLBI TRF solution from a classical adjustment and ITRF2008, a good agreement in terms of transformation parameters and station velocities was achieved. The findings from testing different options related to the parameterization and to the stochastic model will help to improve future reference frames.