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  • 1
    Publication Date: 2024-06-20
    Description: Watershed management requires an understanding of key hydrochemical processes. The Pra Basin is one of the five major river basins in Ghana with a population of over 4.2 million people. Currently, water resources management faces challenges due to surface water pollution caused by the unregulated release of untreated household and industrial waste into aquatic ecosystems and illegal mining activities. This has increased the need for groundwater as the most reliable water supply. Our understanding of groundwater recharge mechanisms and chemical evolution in the basin has been inadequate, making effective management difficult. Therefore, the main objective of this work is to gain insight into the processes that determine the hydrogeochemical evolution of groundwater quality in the Pra Basin. The combined use of stable isotope, hydrochemistry, and water level data provides the basis for conceptualizing the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. For this purpose, the origin and evaporation rates of water infiltrating into the unsaturated zone were evaluated. In addition, Chloride Mass Balance (CMB) and Water Table Fluctuations (WTF) were considered to quantify groundwater recharge for the basin. Indices such as water quality index (WQI), sodium adsorption ratio (SAR), Wilcox diagram, and salinity (USSL) were used in this study to determine the quality of the resource for use as drinking water and for irrigation purposes. Due to the heterogeneity of the hydrochemical data, the statistical techniques of hierarchical cluster and factor analysis were applied to subdivide the data according to their spatial correlation. A conceptual hydrogeochemical model was developed and subsequently validated by applying combinatorial inverse and reaction pathway-based geochemical models to determine plausible mineral assemblages that control the chemical composition of the groundwater. The interactions between water and rock determine the groundwater quality in the Pra Basin. The results underline that the groundwater is of good quality and can be used for drinking water and irrigation purposes. It was demonstrated that there is a large groundwater potential to meet the entire Pra Basin’s current and future water demands. The main recharge area was identified as the northern zone, while the southern zone is the discharge area. The predominant influence of weathering of silicate minerals plays a key role in the chemical evolution of the groundwater. The work presented here provides fundamental insights into the hydrochemistry of the Pra Basin and provides data important to water managers for informed decision-making in planning and allocating water resources for various purposes. A novel inverse modelling approach was used in this study to identify different mineral compositions that determine the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. This modelling technique has the potential to simulate the composition of groundwater at the basin scale with large hydrochemical heterogeneity, using average water composition to represent established spatial groupings of water chemistry.
    Description: Die Bewirtschaftung von Wassereinzugsgebieten erfordert ein Verständnis der wichtigsten hydrochemischen Prozesse. Das Pra-Becken ist eines der fünf großen Flusseinzugsgebiete Ghanas mit einer Bevölkerung von über 4,2 Millionen Menschen. Die Bewirtschaftung der Wasserressourcen wird derzeit durch die Verschmutzung der Oberflächengewässer erschwert, die durch die unkontrollierte Einleitung von unbehandelten Haushalts- und Industrieabfällen in die aquatischen Ökosysteme und durch illegale Bergbauaktivitäten entsteht. Dies hat den Bedarf an Grundwasser als zuverlässigste Wasserversorgung erhöht. Unser Verständnis der Mechanismen der Grundwasserneubildung und der chemischen Entwicklung im Einzugsgebiet ist bislang unzureichend, was eine wirksame Bewirtschaftung erschwert. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit Einblicke in die Prozesse zu bekommen, welche die hydrogeochemische Entwicklung der Grundwasserqualität im Pra-Becken bestimmen. Die kombinierte Verwendung von Daten stabiler Isotope, der Hydrochemie und von Wasserständen bildet die Grundlage für die Konzeption der chemischen Entwicklung des Grundwassers im Pra-Becken. Dafür wurden die Herkunft und die Verdunstungsraten des in die ungesättigte Zone infiltrierenden Wassers bewertet. Darüber hinaus wurden die Chlorid-Massenbilanz und die Wasserspiegelschwankungen betrachtet, um die Grundwasserneubildung für das Einzugsgebiet zu quantifizieren. Indizes wie der Wasserqualitätsindex (WQI), das Natriumadsorptionsverhältnis (SAR), das Wilcox-Diagramm und der Salzgehalt (USSL) wurden in dieser Studie verwendet, um die Qualität der Ressource für die Verwendung als Trinkwasser und zu Bewässerungszwecken zu bestimmen. Aufgrund der Heterogenität der hydrochemischen Daten wurden die statistischen Verfahren der hierarchischen Cluster- und Faktorenanalyse angewandt, um die Daten entsprechend ihrer räumlichen Korrelation zu unterteilen. Ein konzeptionelles hydrogeochemisches Modell wurde entwickelt und anschließend durch Anwendung kombinatorischer inverser und reaktionspfadbasierter geochemischer Modelle validiert, um plausible mineralische Assemblagen zu bestimmen, welche die chemische Zusammensetzung des Grundwassers kontrollieren. Die Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein bestimmen die Grundwasserqualität im Pra-Becken. Die Ergebnisse unterstreichen, dass das Grundwasser eine gute Qualität aufweist und als Trinkwasser und für Bewässerungszwecke genutzt werden kann. Es wurde nachgewiesen, dass ein großes Grundwasserpotenzial vorhanden ist, um den derzeitigen und künftigen Wasserbedarf des gesamten Pra-Beckens zu decken. Als Hauptneubildungsgebiet wurde die nördliche Zone im Gebiet identifiziert, während die südliche Zone das Abflussgebiet ist. Der vorherrschende Einfluss der Verwitterung von Silikatmineralen spielt bei der chemischen Entwicklung des Grundwassers eine zentrale Rolle. Die hier vorgestellte Arbeit gibt grundlegende Einblicke in die Hydrochemie des Pra-Beckens und liefert für das Wassermanagement wichtige Daten für eine fundierte Entscheidungsfindung bei der Planung und Zuweisung von Wasserressourcen für verschiedene Zwecke. Ein neuartiger Ansatz zur inversen Modellierungwurde in dieser Studie eingesetzt, um unterschiedliche Mineralzusammensetzungen zu ermitteln, welche die chemische Entwicklung des Grundwassers im Pra-Becken bestimmen. Diese Modellierungstechnik hat das Potenzial, die Zusammensetzung eines Grundwassers auf der Skala eines Beckens mit großer hydrochemischer Heterogenität zu simulieren, wobei die durchschnittliche Wasserzusammensetzung zur Darstellung der etablierten räumlichen Gruppierungen der Wasserchemie verwendet wird.
    Description: Watershed management requires an understanding of key hydrochemical processes. The Pra Basin is one of the five major river basins in Ghana with a population of over 4.2 million people. Currently, water resources management faces challenges due to surface water pollution caused by the unregulated release of untreated household and industrial waste into aquatic ecosystems and illegal mining activities. This has increased the need for groundwater as the most reliable water supply. Our understanding of groundwater recharge mechanisms and chemical evolution in the basin has been inadequate, making effective management difficult. Therefore, the main objective of this work is to gain insight into the processes that determine the hydrogeochemical evolution of groundwater quality in the Pra Basin. The combined use of stable isotope, hydrochemistry, and water level data provides the basis for conceptualizing the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. For this purpose, the origin and evaporation rates of water infiltrating into the unsaturated zone were evaluated. In addition, Chloride Mass Balance (CMB) and Water Table Fluctuations (WTF) were considered to quantify groundwater recharge for the basin. Indices such as water quality index (WQI), sodium adsorption ratio (SAR), Wilcox diagram, and salinity (USSL) were used in this study to determine the quality of the resource for use as drinking water and for irrigation purposes. Due to the heterogeneity of the hydrochemical data, the statistical techniques of hierarchical cluster and factor analysis were applied to subdivide the data according to their spatial correlation. A conceptual hydrogeochemical model was developed and subsequently validated by applying combinatorial inverse and reaction pathway-based geochemical models to determine plausible mineral assemblages that control the chemical composition of the groundwater. The interactions between water and rock determine the groundwater quality in the Pra Basin. The results underline that the groundwater is of good quality and can be used for drinking water and irrigation purposes. It was demonstrated that there is a large groundwater potential to meet the entire Pra Basin’s current and future water demands. The main recharge area was identified as the northern zone, while the southern zone is the discharge area. The predominant influence of weathering of silicate minerals plays a key role in the chemical evolution of the groundwater. The work presented here provides fundamental insights into the hydrochemistry of the Pra Basin and provides data important to water managers for informed decision-making in planning and allocating water resources for various purposes. A novel inverse modelling approach was used in this study to identify different mineral compositions that determine the chemical evolution of groundwater in the Pra Basin. This modelling technique has the potential to simulate the composition of groundwater at the basin scale with large hydrochemical heterogeneity, using average water composition to represent established spatial groupings of water chemistry.
    Language: English
    Type: info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
    Location Call Number Expected Availability
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  • 2
    Publication Date: 2024-06-20
    Description: Rapidly growing seismic and macroseismic databases and simplified access to advanced machine learning methods have in recent years opened up vast opportunities to address challenges in engineering and strong motion seismology from novel, datacentric perspectives. In this thesis, I explore the opportunities of such perspectives for the tasks of ground motion modeling and rapid earthquake impact assessment, tasks with major implications for long-term earthquake disaster mitigation. In my first study, I utilize the rich strong motion database from the Kanto basin, Japan, and apply the U-Net artificial neural network architecture to develop a deep learning based ground motion model. The operational prototype provides statistical estimates of expected ground shaking, given descriptions of a specific earthquake source, wave propagation paths, and geophysical site conditions. The U-Net interprets ground motion data in its spatial context, potentially taking into account, for example, the geological properties in the vicinity of observation sites. Predictions of ground motion intensity are thereby calibrated to individual observation sites and earthquake locations. The second study addresses the explicit incorporation of rupture forward directivity into ground motion modeling. Incorporation of this phenomenon, causing strong, pulse like ground shaking in the vicinity of earthquake sources, is usually associated with an intolerable increase in computational demand during probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) calculations. I suggest an approach in which I utilize an artificial neural network to efficiently approximate the average, directivity-related adjustment to ground motion predictions for earthquake ruptures from the 2022 New Zealand National Seismic Hazard Model. The practical implementation in an actual PSHA calculation demonstrates the efficiency and operational readiness of my model. In a follow-up study, I present a proof of concept for an alternative strategy in which I target the generalizing applicability to ruptures other than those from the New Zealand National Seismic Hazard Model. In the third study, I address the usability of pseudo-intensity reports obtained from macroseismic observations by non-expert citizens for rapid impact assessment. I demonstrate that the statistical properties of pseudo-intensity collections describing the intensity of shaking are correlated with the societal impact of earthquakes. In a second step, I develop a probabilistic model that, within minutes of an event, quantifies the probability of an earthquake to cause considerable societal impact. Under certain conditions, such a quick and preliminary method might be useful to support decision makers in their efforts to organize auxiliary measures for earthquake disaster response while results from more elaborate impact assessment frameworks are not yet available. The application of machine learning methods to datasets that only partially reveal characteristics of Big Data, qualify the majority of results obtained in this thesis as explorative insights rather than ready-to-use solutions to real world problems. The practical usefulness of this work will be better assessed in the future by applying the approaches developed to growing and increasingly complex data sets.
    Description: Das rapide Wachstum seismischer und makroseismischer Datenbanken und der vereinfachte Zugang zu fortschrittlichen Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens haben in den letzen Jahren die datenfokussierte Betrachtung von Fragestellungen in der Seismologie ermöglicht. In dieser Arbeit erforsche ich das Potenzial solcher Betrachtungsweisen im Hinblick auf die Modellierung erdbebenbedingter Bodenerschütterungen und der raschen Einschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen, Disziplinen von erheblicher Bedeutung für den langfristigen Erdbebenkatastrophenschutz in seismisch aktiven Regionen. In meiner ersten Studie nutze ich die Vielzahl an Bodenbewegungsdaten aus der Kanto Region in Japan, sowie eine spezielle neuronale Netzwerkarchitektur (U-Net) um ein Bodenbewegungsmodell zu entwickeln. Der einsatzbereite Prototyp liefert auf Basis der Charakterisierung von Erdbebenherden, Wellenausbreitungspfaden und Bodenbeschaffenheiten statistische Schätzungen der zu erwartenden Bodenerschütterungen. Das U-Net interpretiert Bodenbewegungsdaten im räumlichen Kontext, sodass etwa die geologischen Beschaffenheiten in der Umgebung von Messstationen mit einbezogen werden können. Auch die absoluten Koordinaten von Erdbebenherden und Messstationen werden berücksichtigt. Die zweite Studie behandelt die explizite Berücksichtigung richtungsabhängiger Verstärkungseffekte in der Bodenbewegungsmodellierung. Obwohl solche Effekte starke, impulsartige Erschütterungen in der Nähe von Erdbebenherden erzeugen, die eine erhebliche seismische Beanspruchung von Gebäuden darstellen, wird deren explizite Modellierung in der seismischen Gefährdungsabschätzung aufgrund des nicht vertretbaren Rechenaufwandes ausgelassen. Mit meinem, auf einem neuronalen Netzwerk basierenden, Ansatz schlage ich eine Methode vor, umdieses Vorhaben effizient für Erdbebenszenarien aus dem neuseeländischen seismischen Gefährdungsmodell für 2022 (NSHM) umzusetzen. Die Implementierung in einer seismischen Gefährdungsrechnung unterstreicht die Praktikabilität meines Modells. In einer anschließenden Machbarkeitsstudie untersuche ich einen alternativen Ansatz der auf die Anwendbarkeit auf beliebige Erdbebeszenarien abzielt. Die abschließende dritte Studie befasst sich mit dem potenziellen Nutzen der von makroseismischen Beobachtungen abgeleiteten pseudo-Erschütterungsintensitäten für die rasche Abschätzung von gesellschaftlichen Erdbebenauswirkungen. Ich zeige, dass sich aus den Merkmalen solcher Daten Schlussfolgerungen über die gesellschaftlichen Folgen eines Erdbebens ableiten lassen. Basierend darauf formuliere ich ein statistisches Modell, welches innerhalb weniger Minuten nach einem Erdbeben die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten beachtlicher gesellschaftlicher Auswirkungen liefert. Ich komme zu dem Schluss, dass ein solches Modell, unter bestimmten Bedingungen, hilfreich sein könnte, um EntscheidungsträgerInnen in ihren Bestrebungen Hilfsmaßnahmen zu organisieren zu unterstützen. Die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens auf Datensätze die sich nur begrenzt als Big Data charakterisieren lassen, qualifizieren die Mehrheit der Ergebnisse dieser Arbeit als explorative Einblicke und weniger als einsatzbereite Lösungen für praktische Fragestellungen. Der praktische Nutzen dieser Arbeit wird sich in erst in Zukunft an der Anwendung der erarbeiteten Ansätze auf wachsende und zunehmend komplexe Datensätze final abschätzen lassen.
    Language: English
    Type: info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
    Location Call Number Expected Availability
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  • 3
    facet.materialart.
    Unknown
    Universität Potsdam
    Publication Date: 2024-06-20
    Description: Large parts of the Earth’s interior are inaccessible to direct observation, yet global geodynamic processes are governed by the physical material properties under extreme pressure and temperature conditions. It is therefore essential to investigate the deep Earth’s physical properties through in-situ laboratory experiments. With this goal in mind, the optical properties of mantle minerals at high pressure offer a unique way to determine a variety of physical properties, in a straight-forward, reproducible, and time-effective manner, thus providing valuable insights into the physical processes of the deep Earth. This thesis focusses on the system Mg-Fe-O, specifically on the optical properties of periclase (MgO) and its iron-bearing variant ferropericlase ((Mg,Fe)O), forming a major planetary building block. The primary objective is to establish links between physical material properties and optical properties. In particular the spin transition in ferropericlase, the second-most abundant phase of the lower mantle, is known to change the physical material properties. Although the spin transition region likely extends down to the core-mantle boundary, the ef-fects of the mixed-spin state, where both high- and low-spin state are present, remains poorly constrained. In the studies presented herein, we show how optical properties are linked to physical properties such as electrical conductivity, radiative thermal conductivity and viscosity. We also show how the optical properties reveal changes in the chemical bonding. Furthermore, we unveil how the chemical bonding, the optical and other physical properties are affected by the iron spin transition. We find opposing trends in the pres-sure dependence of the refractive index of MgO and (Mg,Fe)O. From 1 atm to ~140 GPa, the refractive index of MgO decreases by ~2.4% from 1.737 to 1.696 (±0.017). In contrast, the refractive index of (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) and (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) ferropericlase increases with pressure, likely because Fe Fe interactions between adjacent iron sites hinder a strong decrease of polarizability, as it is observed with increasing density in the case of pure MgO. An analysis of the index dispersion in MgO (decreasing by ~23% from 1 atm to ~103 GPa) reflects a widening of the band gap from ~7.4 eV at 1 atm to ~8.5 (±0.6) eV at ~103 GPa. The index dispersion (between 550 and 870 nm) of Fp13 reveals a decrease by a factor of ~3 over the spin transition range (~44–100 GPa). We show that the electrical band gap of ferropericlase significantly widens up to ~4.7 eV in the mixed spin region, equivalent to an increase by a factor of ~1.7. We propose that this is due to a lower electron mobility between adjacent Fe2+ sites of opposite spin, explaining the previously observed low electrical conductivity in the mixed spin region. From the study of absorbance spectra in Fp13, we show an increasing covalency of the Fe-O bond with pressure for high-spin ferropericlase, whereas in the low-spin state a trend to a more ionic nature of the Fe-O bond is observed, indicating a bond weakening effect of the spin transition. We found that the spin transition is ultimately caused by both an increase of the ligand field-splitting energy and a decreasing spin-pairing energy of high-spin Fe2+.
    Description: Geodynamische Prozesse werden von den physikalischen Materialeigenschaften unter den extremen Druck- und Temperaturbedingungen des Erdinneren gesteuert, gerade diese Areale sind aber faktisch nicht für direkte Beobachtungen zugänglich. Umso wichtiger ist es, die physikalischen Eigenschaften unter Bedingungen des Erdinneren zu untersuchen. Mit diesem Ziel vor Augen erlaubt das Studium der optischen Eigenschaften von Mineralen des Erdmantels, eine große Bandbreite an physikalischen Materialeigenschaften, in einer einfachen, reproduzierbaren und effizienten Art und Weise zu bestimmen. Dadurch bieten sich wichtige Einblicke in die physikalischen Prozessen des Erdinneren. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das System Mg-Fe-O, im Speziellen auf Periklas (MgO) und seine Eisen-haltige Variante Ferroperiklas ((Mg,Fe)O), ein wichtiger Baustein planetarer Körper. Das Hauptziel der Arbeit besteht darin Verbindungen zwischen optischen Eigenschaften und physikalischen Materialeigenschaften zu finden. Gerade der Spin-Übergang in Ferroperiklas, der zweithäufigsten Phase des unteren Erdmantels, ist dabei von Bedeutung, da damit Veränderungen in den physikalischen Materialeigenschaften einhergehen. Obwohl sich der Spinübergangsbereich vermutlich bis zur Kern-Mantel-Grenze erstreckt, sind die Auswirkungen des gemischten Spin-Zustandes, bei dem sowohl Hoch- als auch Tief-Spin präsent sind, nur unzureichend untersucht. Die hier vorgestellten Studien zeigen, wie optische Eigenschaften mit anderen wichtigen physikalischen Eigenschaften wie elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, Viskosität oder auch mit der chemischen Bindung verbunden sind. Daraus lässt sich auch ableiten wie der Spin-Übergang in Ferroperiklas diese Eigenschaften beeinflusst. Von Raumbedingungen bis zu ~140 GPa sinkt der Brechungsindex von MgO um ~2.4 % von 1.737 auf 1.696 (±0.017). Im Gegensatz dazu steigt der Brechungsindex von (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) und (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) Ferroperiklas mit dem Druck an. Dies ist auf Fe-Fe Wechselwirkungen zwischen benachbarten Eisenpositionen zurückzuführen, die eine starke Verringerung der Polarisierbarkeit, wie im Falle von reinem MgO mit zunehmender Dichte, behindern. Eine Analyse der Dispersion des Brechungsindexes von MgO (Abnahme um ~23 % von 1 Atm zu ~103 GPa) offenbart eine Verbreiterung der Bandlücke von ~7.4 eV bei 1 Atm zu ~8.5 (±0.6) eV bei ~103 GPa. Die Messung der Dispersion (zwischen 550 und 870 nm) in Fp13 zeigt eine starke Abnahme über den Bereich des Spin-Überganges (~44–100 GPa) bis zu einem Faktor von ~3. Die Bandlücke nimmt in der Region des gemischten Spin-Zustandes signifikant auf bis zu ~4.7 eV zu (entspricht einer Zunahme um den Faktor ~1.7). Dies deutet auf eine Verringerung der Elektronen-Mobilität zwischen benachbarten Fe2+-Positionen mit unterschiedlichem Spin-Zustand hin, was die bereits in früheren Arbeiten beobachtete Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit im Bereich des gemischten Spin-Zustandes erklärt. Absorptionsspektren an Fp13 zeigen eine Druck-bedingte Zunahme der Kovalenz der Fe-O Bindung für Ferroperiklas im Hoch-Spin Zustand, wohingegen Tief-Spin Ferroperiklas einen Trend zu einer mehr ionischen Fe-O Bindung auf-weist, was auf einen Bindungs-schwächenden Effekt des Spin-Wechsels hinweist. Der Übergang von Hoch- zu Tiefspin ist letztlich auf eine Zunahme der Ligandenfeldaufspaltungsenergie sowie eine abnehmende Spinpaarungsenergie von Hoch-Spin Fe2+ zurückzuführen.
    Language: English
    Type: info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
    Location Call Number Expected Availability
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  • 4
    Publication Date: 2024-06-20
    Description: The world should redouble its efforts on the SDGs, not abandon them. Here’s how to progress the United Nations’ agenda towards 2050.
    Language: English
    Type: info:eu-repo/semantics/article
    Location Call Number Expected Availability
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  • 5
    Publication Date: 2024-06-20
    Description: The Arctic sea ice (ASI) is expected to decrease with further global warming. However, considerable uncertainty remains regarding the temperature range that would lead to a completely ice-free Arctic. Here, we combine satellite data and a large suite of models from the latest phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) to develop an empirical, observation-based projection of the September ASI area for increasing global mean surface temperature (GMST) values. This projection harnesses two simple linear relationships that are statistically supported by both observations and model data. First, we show that the September ASI area is linearly proportional to the area inside a specific northern hemisphere January–September mean temperature contour Tc. Second, we use observational data to show how zonally averaged temperatures have followed a positive linear trend relative to the GMST, consistent with Arctic amplification. To ensure the reliability of these observations throughout the rest of the century, we validate this trend by employing the CMIP6 ensemble. Combining these two linear relationships, we show that the September ASI area decrease will accelerate with respect to the GMST increase. Our analysis of observations and CMIP6 model data suggests a complete loss of the September ASI (area below 10〈sup〉8〈/sup〉 km〈sup〉2〈/sup〉) for global warming between 1.5 C and 2.2 C above pre-industrial GMST levels.
    Language: English
    Type: info:eu-repo/semantics/article
    Format: application/pdf
    Location Call Number Expected Availability
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  • 6
    Publication Date: 2024-06-20
    Description: The loss of Arctic sea ice (ASI) represents a major transformation in the Arctic region, impacting regional and global climate, ecosystems, and socio-economic structures. Observational and reanalysis data have consistently shown a notable shift in polar environmental conditions over recent decades, marked by a substantial reduction in the ASI area and a rise in the variability in its coverage and distribution. Utilizing data from the latest Coupled Model Intercomparison Project phase, our study reveals a consistent pattern highlighting a fundamental shift in ASI dynamics preceding total loss. We observe increasing fluctuations in the September ASI area as the threshold for an ice-free Arctic is approached across various scenarios and models. This pattern is particularly concentrated in the Central Arctic (CA) sub-region. Spatial analyses reveal increasing variance along the CA's northern coastlines, accompanied by a substantial increase in open water coverage, underscoring the shift from stable to highly variable ice conditions in this region. Additionally, our findings suggest a potential link between increased ASI fluctuations and variability in surface wind speeds. These specific results underscore the urgency of multidisciplinary approaches in addressing the challenges posed by ASI variability, with implications for marine ecosystems, Indigenous communities, and navigational safety.
    Language: English
    Type: info:eu-repo/semantics/article
    Format: application/pdf
    Location Call Number Expected Availability
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  • 7
    Publication Date: 2024-06-20
    Description: Detection of critical slowing down (CSD) is the dominant avenue for anticipating critical transitions from noisy time-series data. Most commonly, changes in variance and lag-1 autocorrelation [AC(1)] are used as CSD indicators. However, these indicators will only produce reliable results if the noise driving the system is white and stationary. In the more realistic case of time-correlated red noise, increasing (decreasing) the correlation of the noise will lead to spurious (masked) alarms for both variance and AC(1). Here, we propose two new methods that can discriminate true CSD from possible changes in the driving noise characteristics. We focus on estimating changes in the linear restoring rate based on Langevin-type dynamics driven by either white or red noise. We assess the capacity of our new estimators to anticipate critical transitions and show that they perform significantly better than other existing methods both for continuous-time and discrete-time models. In addition to conceptual models, we apply our methods to climate model simulations of the termination of the African Humid Period. The estimations rule out spurious signals stemming from nonstationary noise characteristics and reveal a destabilization of the African climate system as the dynamical mechanism underlying this archetype of abrupt climate change in the past.
    Language: English
    Type: info:eu-repo/semantics/article
    Format: application/pdf
    Location Call Number Expected Availability
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  • 8
    facet.materialart.
    Unknown
    Fachbereich Geowissenschaften, FU Berlin, Berlin
    In:  Herausgeberexemplar
    Publication Date: 2024-06-19
    Description: Dimitris Frydas & Helmut Keupp: Upper Cenozoic calcareous and siliceous phytoplankton stratigraphy for marine sediments in central Crete, Greece ...3 ; Dimitris Frydas & Helmut Keupp: The Miocene/Pliocene boundary in NW Crete by means of calcareous nannofossil assemblages ...27 ; Dimitris Frydas: Silicoflagellates of the Late Quaternary Sapropel S5 from the Southeastern Mediterranean Sea, „Meteor“-Cruise 40/4, Site 69 ...35 ; Joachim Gründel: Neritimorpha und weitere Caenogastropoda (Gastropoda) aus dem Dogger Norddeutschlands und des nordwestlichen Polens ...45 ; Rolf Kohring: Nonmarine trace fossils from the Bathonian (Middle Jurassic) of Msemrir (Central High Atlas, Morocco) ...101 ; Uwe Gloy: Bibliographie 2000 ...113 ; --- ❖ --- „Biologie und Paläobiologie der Cephalopoden: Bilanz und Ausblick“ Treffen deutschsprachiger Cephalopodenforscher vom 8. bis 9. März 2001 an der FU Berlin --- Helmut Keupp & Kerstin Warnke: Biologie und Paläobiologie der Cephalopoden: Bilanz und Ausblick ...119 ; Sigurd v. Boletzky: Paläobiologie der Cephalopoden - vom Petrefaktischen zur Frage: „Wie hat das Tier gelebt?“ ...121 ; Günter Schweigert & Gerd Dietl: Die Kieferelemente von Physodoceras (Ammonitina, Aspidoceratidae) im Nusplinger Plattenkalk (Oberjura, Schwäbische Alb) ...131 ; Christian Klug & Dieter Korn: Epizoa and post-mortem epicoles on cephalopod shells - Devonian and Carboniferous examples from Morocco ...145 ; Ute Richter: Spuren der Weichkörperverlagerung auf Pyritsteinkernen von Ammonoideen ...157 ; Kerstin Warnke, Jörg Plötner, José Ignacio Santana, Maria José Rueda & Octavio Llinas: Zur Phylogenie rezenter Cephalopoden - Erste Ergebnisse einer molekulargenetischen Analyse des 18S rRNA-Gens ...169 ; Dieter Korn & Christian Klug: Biometrie analyses of some Palaeozoic ammonoid conchs ...173 ; Gernot Arp: Fazies, Stratigraphie und Ammonitenfauna des Mittleren und Oberen Dogger bei Neumarkt i.d.Opf. (Bajocium-Oxfordium, Süddeutschland), ...189 ;
    Description: conference
    Description: DFG, SUB Göttingen
    Keywords: ddc:560 ; Paläobiologie ; Paläontologie
    Language: German , English
    Type: doc-type:book
    Location Call Number Expected Availability
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  • 9
    Publication Date: 2024-06-19
    Description: The Mid and Late Holocene environment of the Eastern Juyanze and Sogo Nur basins was reconstructed on the base of ostracod assemblages, shell chemistry, sedimentology, palynology and the occurrence of other fossils such as molluscs and a large diatom species in the course of the study. Their climatic implications were discussed in the context of other Holocene records from northwestern China and Central Asia. A brief synopsis is given in the following. The period of maximum moisture availability (China’s Hypsithermal or the Atlantic period in European usage), otherwise recorded roughly between 8000 and 6000 a BP (e.g. LISTER et al. 1991, GASSE et al. 1996, Liu et al. 1998), was neither registered at the site of the main section in the Eastern Juyanze basin nor in the Sogo Nor basin. Sediments at the Eastem-Juyanze-section-A, which was investigated most intensively, are not older than about 5400 cal. a BP and span a period up to about 2700 cal. a BP, whereas the record of the Sogo Nur sections covers a period from about 2500 up to about 400 cal. a BP. However, the subsequent cold and dry period about 5400 a BP, which was proposed earlier from a number of sites in eastern and western China, from Mongolia, India and even America (e.g. ZHOU et al. 1991a, DOROFEYUK & TARASOV 1998, PETIT-MAIRE 1994, MoUGUiART et al. 1998), was clearly recorded as a dry period at the Eastern Juyanze basin too. This study confirms, that this cold and dry Mid Holocene spell was in fact a far-reaching, probably global event. Between about 5000 and 4100 cal. a BP, warm and humid conditions prevailed at most sites in the north of the Tibetan Plateau (e.g. WÜNNEMANN et al. 1998b), supported by high lake levels of the Lake Eastern Juyanze during that period. Simultaneously, the conditions remained rather dry on the southern Tibetan Plateau (e.g. FONTES et al. 1996), probably resulting from the weakening of the Indian monsoon. Climate deterioration occurred all over Central Asia between about 4100 and 3000 cal. a BP. Lake levels are generally regarded as decreasing during that period, soil formation around Qinghai Lake ceased and pronounced cold and dry spells were recorded at about 4100, 3800 and 3400 cal. a BP at several sites of Central Asia and by corresponding regressive events of Lake Eastern Juyanze (e.g. YAO & THOMPSON 1992, SHI et al. 1993, VAN CAMPO et al. 1996). A dramatic shift from cold and dry to warm conditions and a return to cold and dry conditions again was recorded about 3000 cal. a BP by the Dunde ice core (YAO & THOMPSON 1992) and caused rapid environmental fluctuations in the Eastern Juyanze basin. Lake Eastern Juyanze experienced three short-term episodes of desiccation between about 3200 and 2900 cal. a BP, but was re-established in between and afterwards. Glaciers of Central Asia advanced and the lakes displayed a non-uniform response (e.g. ZHOU et al. 1991a), probably due to different hydrological conditions and the presence and different response of glaciers in the respective catchment area. After 3000 cal. a BP, climate is regarded as generally colder and drier than before (LISTER et al. 1991, PETIT-MAIRE1994). However, a return to slightly warmer and more humid conditions led to rising lake levels and a new period of soil formation on the Loess Plateau between about 2700 and 2000 cal. a BP (FANG 1991, SHI et al. 1993). The sediments of the Eastem-Juyanze-section-A are not younger than about 2700 cal. a BP and have therefore not recorded environmental changes after that time, but the record of the Sogo Nur sections starts at about 2500 cal. a BP and was used to trace the Late Holocene climate evolution. Intermediate lake levels of the Sogo Nur between 2500 and 2000 cal. a BP also point to relatively humid conditions, but very low lake levels were established at about 1700 cal. a BP. This coincides with colder and drier conditions between about 2000 and 1500 cal. a BP, indicated by lake records of eastern China, the Tibetan Plateau and the Dunde ice core (e.g. FENG et al. 1993, GASSE et al. 1996, Liu et al. 1998). Another period of relatively warm and humid conditions occurred between about 1400 and 700 cal. a BP (e.g. Liu et al. 1993), interrupted by a short-term regression of the Sogo Nur at about 1000 cal. a BP. This temporary drop of the water level of Sogo Nur corresponds to a drastic cooling event. Lowest temperatures for the last 4000 years were inferred from the Dunde ice core at that time (YAO & THOMPSON 1992). A short period of relatively warm and humid conditions was recorded about 800 cal. a BP (e.g. Liu et al. 1998) and caused high lake levels of the Sogo Nur again. Colder and drier conditions predominated afterwards in eastern China as well as in the continental interior between about 400 and 75 cal. a BP (1550-1875 AD, ZHOU et al. 1991a, FENG et al. 1993) and are related to the Little Ice Age, which was recorded at sites all over the northern hemisphere (LAMB 1977). In contrast, the last 100 years are characterised by relatively warm conditions in China. The environmental fluctuations of the Mid to Late Holocene Lake Eastern Juyanze were regarded as virtually unaffected by human activities and thus, entirely driven by climate. Nonetheless, rapid lake level fluctuations were recorded which gave rise to drastic changes of the lake area due to the flat morphology of the Eastern Juyanze basin. Surprisingly, short-term desiccation events were recorded about 3000 cal. a BP at the site of the main section. However, it was not possible to assess the environmental conditions of the neighbouring topographically-closed basin lakes at that time. Late Holocene environmental fluctuations of the Sogo Nur were relatively dramatic as well. Very shallow levels were recorded at about 1700 cal. a BP and attributed to cold and dry climatic conditions, reported from other sites of Central Asia (Gu et al. 1993, GASSE et al. 1996). At least sub-littoral conditions of the Sogo Nur (water depth 〉 10 m) prevailed in the subsequent period between 1500 and 400 cal. a BP, but it was not possible on the base of the investigations at the Sogo Nur, to prove or deny the merging of the lakes Sogo Nur and Gaxun Nur in Holocene times. The hydrological balance of Sogo Nur was probably not affected by withdrawal of water for irrigation purposes before the Tang Dynasty (618-906 AD, CHEN et a. 1999). The short-term regressive event at about 1000 cal. a BP (950 AD) coincides with a period of increased agricultural population in the catchment area (Chen et a. 1999) as well as a climate spell of cold and dry conditions (YAO & THOMPSON 1992). Similarly, the decrease of the lake level after 700 cal. a BP (1250 AD) may either reflect the simultaneous increase of the agricultural population in the catchment area or the gradual shift towards cooler ands drier conditions during that period or both. Thus, it was not possible to distinguish between climate-driven and man-made fluctuations of the environment of the Sogo Nur.
    Description: Die Umweltverhältnisse des östlichen Juyanze- und des Sogo-Nur-Beckens im mittleren und späten Holozän wurden anhand der Ostracoden- Vergesellschaftung, des Schalen-Chemismus, anhand sedimentologischer und palynologischer Befunde und anhand des Auftretens weiterer Fossilien (z.B. von Mollusken und einer großen Diatomeen- Art) rekonstruiert. Die darüber hinaus abgeleiteten Klimaverhältnisse wurden im Vergleich zu anderen, bereits existierenden Klima-Rekonstruktionen aus NW-China und Zentralasien diskutiert. Eine kurze Zusammenfassung wird im Folgenden gegeben. Die Periode maximaler Feuchtigkeit (das chinesische Hypsithermal bzw. das Atlantikum in Europa), an anderen Lokalitäten etwa zwischen 8000 und 6000 J.v.h. belegt (u.a. LISTER et al. 1991, GASSE et al. 1996, Liu et al. 1998), wurde weder durch das Haupt-Profil im östlichen Juyanze-Becken noch im Sogo-Nur-Becken erfasst. Die Sedimente des am detailliertesten untersuchten Profiles (Eastern-Juyanze-section-A) decken den Zeitraum zwischen 5400 und 2700 Jahren vor heute (J.v.h. = kalibrierte 14C-Jahre vor 1950 bzw. Kalenderjahre vor 1950) ab, während die untersuchten Profile am Sogo Nur den Zeitraum von 2500 bis ca. 400 J.v.h. umfassen. Die an die Periode maximaler Feuchtigkeit anschließende, trocken-kalte Klimaphase vor etwa 5400 J.v.h., die an vielen Lokalitäten Ost- und Westchinas, der Mongolei, Indiens und selbst Amerikas abgeleitet wurde (u.a. ZHOU et al. 1991a, DOROFEYUK & TARASOV 1998, PETIT-MAIRE 1994, MOUGUIART et al. 1998), konnte als trockene Periode im östlichen Juyanze-Becken eindeutig ermittelt werden. Die vorliegenden Untersuchungen stützen die Auffassung, dass diese trocken-kalte Klimaperiode im mittleren Holozän ein einschneidendes Klima-Ereignis von möglicherweise globaler Tragweite war. Für den Zeitraum zwischen etwa 5000 und 4100 J.v.h. wurden warme und humide Verhältnisse an den meisten Lokalitäten nördlich des Tibet-Plateaus rekonstruiert (z.B. WÜNNEMANN et al. 1998b). Diese Annahme wird durch die Rekonstruktion hoher Seespiegel des östlichen Juyanze-Sees für den entsprechenden Abschnitt des Holozäns gestützt. Aufgrund der vermutlich schon deutlichen Abschwächung des indischen Monsuns waren die Umweltbedingungen im südlichen Tibet während dieser Zeit relativ trocken. Eine Klimaverschlechterung wurde für Zentralasien zwischen etwa 4100 und 3000 J.v.h. festgestellt. Die Seespiegel gingen im allgemeinen zurück, die Bodenbildung am Qinghai-See setzte aus und besonders ausgeprägte, trocken-kalte Verhältnisse wurden um 4100, 3800 und 3400 J.v.h. an verschiedenen Lokalitäten Zentralasiens dokumentiert (u.a. SHI et al. 1993, YAO & THOMPSON 1992, VAN CAMPO et al. 1996), die zeitgleich mit Seespiegelabsenkungen des östlichen Juyanze-Sees auftraten. Ein dramatischer Klimawechsel von trocken-kalten zu warmen Verhältnissen und wieder zu trocken-kalten Bedingungen wurde vor etwa 3000 J.v.h. im Eis des Dunde-Gletschers aufgezeichnet (YAO & THOMPSON 1992), der erhebliche Umweltveränderungen im östlichen Juyanze-Becken auslöste. Dort erfolgte ein dreimaliges Austrocknen des östlichen Juyanze-Sees mit zwischenzeitlichem und nachfolgendem Seespiegelanstieg zwischen etwa 3200 und 2900 J.v.h. Gletschervorstöße traten in den zentralasiatischen Gebirgen auf, und die Seen dieser Region reagierten vermutlich aufgrund unterschiedlicher hydrologischer Verhältnisse, in Abhängigkeit vom Vorhandensein und der Dynamik der Gletscher in den jeweiligen Einzugsgebieten, uneinheitlich (z.B. ZHOU et al. 1991a). Ab dem Zeitpunkt 3000 J.v.h. wird das Klima im allgemeinen als kälter und trockener als zuvor aufgefasst (LiSTER et al. 1991, PETIT-MAIRE 1994). Ein Klima-Umschwung zu etwas wärmeren und feuchteren Bedingungen führte jedoch zu steigenden Seespiegeln und einsetztender Bodenbildung auf dem Löss-Plateau zwischen etwa 2700 und 2000 J.v.h. (FANG 1991, SHI et al. 1993). Da die Sedimente des Profils , Eastern-Juyanze-section-A ‘ nicht jünger als etwa 2700 J.v.h. sind, lassen sich diese Verhältnisse nicht mehr aufgrund der Befunde vom östlichen Juyanze-Becken belegen. Das Profil vom Sogo Nur setzt dagegen mit etwa 2500 J.v.h. ein, so dass im Folgenden die Ergebnisse vom Sogo Nur für die Rekonstruktion des Klimas im späten Holozän herangezogen werden. Mittlere Seespiegel des Sogo Nur wurden für den Zeitraum von 2500 bis 2000 J.v.h. rekonstruiert und deuten ebenfalls auf relativ humide Verhältnisse hin, jedoch kam es bald darauf zur Ausbildung eines sehr flachen Sees um etwa 1700 J.v.h. Diese Phase eines sehr niedrigen Seespiegels korreliert mit trocken-kalten Klimabedingungen zwischen etwa 2000 und 1500 J.v.h., die sich anhand von See-Rekonstruktionen in Ost-China, vom Tibet-Plateau und anhand des Dunde-Eiskems nachweisen ließen (u.a. FENG et al. 1993, GASSE et al. 1996, Liu et al. 1998). Eine weitere Periode relativ warmer und feuchter Verhältnisse schloss sich etwa zwischen 1400 und 700 J.v.h. an (z.B. Liu et al. 1993), die durch eine Regression des Sogo Nur um 1000 J.v.h. unterbrochen wurde. Diese zeitweilige Seespiegelabsenkung fällt mit einem drastischen Abkühlungsereignis zusammen, für das aufgrund der Untersuchungen des Dunde-Eiskems die niedrigsten Temperaturen während der letzten 4000 Jahre angenommen werden müssen (YAO & THOMPSON 1992). Eine kurze Periode warmer und humider Verhältnisse (z.B. Liu et al. 1998) führte zur Ausbildung hoher Seespiegel am Sogo Nur vor etwa 800 J.v.h. Kalte, trockene Bedingungen beherrschten Ost-China und das Landesinnere während der nachfolgenden Periode von etwa 400 und 75 J.v.h. (1550-1875 AD, ZHOU et al. 1991a, FENG et al. 1993) die der auf der gesamten Nordhalbkugel nachgewiesenen ,Kleinen Eiszeit’ entspricht (LAMB 1977). Die letzten 100 Jahre in China waren im Gegensatz dazu durch warme Verhältnisse gekennzeichnet. Die Umweltveränderungen des östlichen Juyanze-Sees im mittleren bis späten Holozän wurden ausschließlich klimatisch gesteuert, der menschliche Einfluss kann für diesen Zeitraum vernachlässigt werden. Trotzdem traten drastische Seespiegelfluktuationen auf, die im flachen östlichen Juyanze-Becken zu enormen Schwankungen der Seefläche geführt haben müssen. Erstaunlicherweise wurden an der Lokalität des Profils ,Eastern- Juyanze-section-A‘ auch Trockenfall-Perioden des östlichen Juyanze-Sees um etwa 3000 J.v.h. nachgewiesen. Im Zuge der vorliegenden Arbeiten war es jedoch nicht möglich, die Umweltbedingungen der benachbarten Seebecken des Hei Flusses zu diesem Zeitpunkt zu untersuchen. Die Umweitveränderungen des Sogo Nur im späten Holozän waren ebenfalls beträchtlich. Ein sehr flacher Seespiegel existierte vor etwa 1700 J.v.h., zu einem Zeitpunkt, zu dem trocken-kalte Bedingungen für Zentralasien nachgewiesen wurden (Gu et al. 1993, GASSE et al. 1996). Sublitorale Bedingungen (Wassertiefe 〉10 m) herrschten im gesamten nachfolgenden Zeitabschnitt von 1500 bis 400 J.v.h. vor, jedoch war es nicht möglich, anhand der vorliegenden Befunde auf den Zusammenschluss von Gaxun Nur und Sogo Nur im Holozän zu schließen bzw. diesen auszuschließen. Ein erheblicher Eingriff in das hydrologische Gleichgewicht des Sogo Nur erfolgte vermutlich erst durch die Ableitung von Wasser für Bewässerungszwecke während der Tang-Dynastie (618-906 AD, CHEN et a. 1999). Die Seespiegelabsenkung des Sogo Nur um etwa 1000 J.v.h. (950 AD) könnte demnach einerseits durch die Zunahme der agrarischen Bevölkerung im Einzugsgebiet hervorgerufen worden sein (Chen et a. 1999), andererseits jedoch auch auf die Ausbildung trocken-kalter Klimabedingungen zu diesem Zeitpunkt zurückgeführt werden (Yao & Thompson 1992). In ähnlicher Weise könnte der Rückgang des Seespiegels nach etwa 700 J.v.h. (1250 AD) auf den festgestellten Anstieg der Landwirtschaft betreibenden Bevölkerung hindeuten, in gleicher Weise jedoch auch im Zusammenhang mit der allgemeinen Klimaverschlechterung, hin zu kühleren, trockneren Bedingungen, stehen. Aufgrund des möglichen Zusammenwirkens klimatischer und anthropogener Trends war es nicht möglich, den Einfluss beider Faktoren auf die Umweltveränderungen des Sogo Nur in den vergangenen 1000 Jahren voneinander getrennt zu beurteilen.
    Description: thesis
    Description: DFG, SUB Göttingen
    Keywords: ddc:560 ; Palökologie ; Holozän ; Paläoklima ; Ostracoda ; Stabile Isotope ; China ; Spurenelemente
    Language: English
    Type: doc-type:book
    Format: 136
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    facet.materialart.
    Unknown
    In:  Selected Studies in Geophysics, Tectonics and Petroleum Geosciences : Proceedings of the 3rd Conference of the Arabian Journal of Geosciences (CAJG-3) | Advances in Science, Technology and Innovation
    Publication Date: 2024-06-19
    Description: Ionospheric disturbances are associated with the propagation of seismic waves generated by earthquakes. We analyze total electron content (TEC) fluctuations from Global Navigation Satellite Systems (GNSS) data. This study investigates the global earthquakes from December 2004 to March 2020 with magnitude (Mw) 4.0 to 9.1. Data of 65 permanent GNSS stations are used to analyze the impacts of these earthquakes on the ionosphere. The experimental data based on the cluster sampling method ensure strict conditions such as accuracy, the distance from the monitoring stations to the epicenter, and the depth of the hypocenter. At least three GNSS stations near the epicenter participate in the analysis of each earthquake. Probability and statistics are applied to remove outliers and rough errors in the input data, to select datasets with similar quality, and to analyze TEC anomalies. The results show that when a strong earthquake occurs, the TEC values calculated at different GNSS stations surrounding the earthquake region tend to exhibit similar variations. Depending on the magnitude, epicenter, and hypocenter depth, these fluctuations can range from ± 3.2 TECU to ± 14.5 TECU for large earthquakes. These TEC fluctuations occur from 30 min to almost two hours before the mainshock of the earthquakes and last to the aftershock period. For earthquakes with a magnitude greater than 6.0 Mw, the TEC fluctuations are significant. The findings of this study contribute to GNSS applications in studying earthquakes in the future.
    Language: English
    Type: info:eu-repo/semantics/bookPart
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