ALBERT

Description: The precise knowledge of aircraft position, velocity, and acceleration is a mandatory prerequisite for airborne gravimetry. For the determination of these quantities the Global Navigation Satellite System (GNSS) plays an important role. However, kinematic positioning over Antarctica is a challenging task which is different from positioning in low-latitude regions. The main reason is the sparse distribution of International GNSS Service (IGS) ground stations which is also difficult or impractical to be densified by setting up dedicated reference stations because of its hostile environment. Therefore, traditional double-differenced (DD) positioning using Global Positioning System (GPS) may be difficult to be applied. Precise Point Positioning (PPP) using a stand-alone receiver is recognized as a helpful tool for obtaining reliable and accurate trajectories of moving platforms based on precise orbit and clock products derived from a global reference network. Therefore, it is necessary to study the special characteristics of positioning over Antarctica and to exploit innovative and reliable approaches for precise position, velocity and acceleration determination. An extended precise positioning method called Precise Orbit Positioning (POP), which was originally developed in Salazar et al. (2009), is further developed towards application with multi-GNSS data. This approach takes advantage of a widely spaced network of ground stations to estimate satellite clock offsets and drifts and only relies on precise orbit information. It is illustrated that POP has the potential to achieve centimeter-level accuracy for the vertical component with sparse distributed reference stations. The aforesaid POP method is extended further to derive reliable and high accurate velocity and acceleration which are more important than position for airborne gravimetry. A GPS+GLONASS+Galileo+BDS four-system model is presented and proper weighting of different types of observations is investigated. The PPP solutions are also calculated with multi-GNSS observations for comparison. During static tests over Antarctica, it was found that POP derived velocity and acceleration tend to have much lower noise than the PPP solutions. Moreover, the addition of GLONASS, Galileo and BDS data can increase the accuracy of velocity and acceleration estimates by 32% and 43% with POP compared to a GPS-only solution when using data of 30-second sampling interval and the improvements are 28% and 31% with respect to the PPP solutions.

Description: Die genaue Kenntnis der Flugzeugposition, -geschwindigkeit und -beschleunigung ist eine zwingende Voraussetzung für die gravimetrische Vermessung aus der Luft. Für die Bestimmung dieser Größen spielt das Global Navigation Satellite System (GNSS) eine wichtige Rolle. Die kinematische Positionierung über der Antarktis ist jedoch eine anspruchsvolle Aufgabe, die sich von der Positionierung in Regionen mit niedriger Breite unterscheidet. Der Hauptgrund ist die spärliche Verteilung der Bodenstationen des Internationalen GNSS-Dienstes (IGS), die zudem aufgrund der widrigen Bedingungen in der Antarktis nur sehr schwierig durch die Einrichtung spezieller Referenzstationen verdichtet werden kann. Daher ist es schwierig, die traditionelle Doppeldifferenzmessung (DD) mit dem Global Positioning System (GPS) anzuwenden. Die präzise Punktpositionierung (PPP) mit einem eigenständigen Empfänger ist als hilfreiche Methode zur Erzielung zuverlässiger und genauer Trajektorien von bewegten Plattformen auf der Grundlage von präzisen Orbit- und Uhrenprodukten aus einem globalen Referenznetzwerk anerkannt. Einerseits kann die Genauigkeit von Echtzeitprodukten die Anforderung an die Trajektoriengewinnung für die luftgestützte Gravimetrie noch nicht erfüllen, andererseits weisen die IGS-Endprodukte noch eine tagesgebundene Diskontinuität auf. Zudem wurden bei Produkten neuerer GNSS-Systeme regionale Verzerrungen nachgewiesen, die die ganzzahlige Mehrdeutigkeitsauflösung der PPP erheblich verschlechtern können. Daher ist es notwendig, die besonderen Eigenschaften der Positionierung über der Antarktis zu untersuchen und innovative und zuverlässige Ansätze zur präzisen Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbestimmung zu entwickeln. Eine erweiterte präzise Positionierungsmethode namens Precise Orbit Positioning (POP), die ursprünglich in Salazar et al. (2009) entwickelt wurde, wurde in Richtung der Anwendung mit Multi-GNSS-Daten weiterentwickelt. Dieser Ansatz nutzt ein weit verzweigtes Netz von Bodenstationen, um Versatz und Drift der Satellitenuhren zu schätzen und stützt sich nur auf präzise Orbitinformationen. Die vorgenannte POP-Methode wurde weiter ausgebaut, um zuverlässige und hochpräzise Geschwindigkeit und Beschleunigung abzuleiten, die für die luftgestützte Gravimetrie wichtiger sind als die Position. Ein GPS+GLONASS+Galileo+BeiDou Viersystemmodell wird vorgestellt und die richtige Gewichtung verschiedener Arten von Beobachtungen untersucht. Die PPP-Lösungen werden auch mit Multi-GNSS-Beobachtungen zum Vergleich berechnet. Bei statischen Tests über der Antarktis wurde festgestellt, dass die von POP abgeleitete Geschwindigkeit und Beschleunigung tendenziell viel weniger verrauscht sind als die PPP-Lösungen. Darüber hinaus kann die Hinzufügung von GLONASS-, Galileo- und BDS-Daten die Genauigkeit der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsschätzungen um 32% bzw. 43% gegenüber einer reinen GPS-Lösung bei Verwendung von Daten mit einem Abtastintervall von 30 Sekunden erhöht werden. Die Verbesserungen liegen dann bei 28% bzw. 31% gegenüber den PPP-Lösungen.

Description: Wenn es um Nachhaltigkeit bei Urlaubsflugreisen geht, gibt es in der bundesdeutschen Bevölkerung eine enorme Kluft zwischen Einstellung und Verhalten. Doch woher kommt der Attitude-Behaviour-Gap? Eine aktuelle Grundlagenstudie hat sich in Zeiten einer vermeintlich wachsenden Flugscham dieser spannenden Frage gewidmet.

Description: Wie erfolgversprechend ist der Gesetzesvorschlag der EU-Kommission, Europa bis 2050 klimaneutral zu machen? Ein Kommentar von Prof. Almut Arneth und Prof. Harald Kunstmann vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Description: Der Rtlive-Monitor errechnet für Deutschland tagesaktuelle Schätzungen des R-Wertes der SARS-CoV-2-Infektion.

Description: Welche Auswirkungen hätte der Wahlsieg von Joe Biden auf die Klimapolitik der Vereinigten Staaten? Was ist auf nationaler, was auf internationaler Ebene zu erwarten? Ein Interview mit dem Umweltökonomen Prof. Dr. Reimund Schwarze vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig.

Description: Ein deutsch-russisches Forscherteam hat Sedimentkerne aus nahezu unberührten Seen in der russischen Arktis geborgen, um mehr über die Umweltbedingungen und Klimaveränderungen in der gesamten letzten Kaltzeit zu erfahren. Gefördert wird das Projekt PLOT vom Bundesforschungsministerium im Rahmen der wissenschaftlich-technischen Zusammenarbeit mit Russland.

Description: Können strategische Rohstoffe auch aus alten Bergbauhalden gewonnen werden? Die Nutzung sekundärer Rohstoffquellen könnte die Umweltbelastungen, die mit dem Bergbau einhergehen, minimieren. Eine entscheidende Voraussetzung für die Nutzung dieser Potentiale sind gesellschaftliche Interpretationsprozesse.

Description: Brechende Wellen setzen viel Energie frei. Daher sorgen Meereswellen, die auf die Küste treffen, dort beispielweise für Erosion und sie können für Deiche und Bauten gefährlich werden. Wir müssen Wellen und damit verbundene Prozesse besser verstehen, um mögliche Folgen des Klimawandels und menschlicher Eingriffe abschätzen zu können.

Description: Eignet sich der Berliner Untergrund zur Wärmegewinnung und Wärmespeicherung? Eine solche Nutzung regenerativer Energie im Nahfeld der Stadt wäre sowohl klimapolitisch als auch ökonomisch interessant. Die Forschenden Simona Regenspurg, Guido Blöcher, Ernst Huenges und Christoph Thielke untersuchen daher alte Bohrlöcher im Grunewald. ESKP hat mit den Forschenden über ihre Arbeit gesprochen.

Description: In einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt hat ein Forscherteam die Folgen der seit Jahrzehnten praktizierten Sandaufspülungen untersucht. Denn wird Sand aus dem Meer entfernt, setzt das den dortigen Ökosystemen zu.

Description: Die Industrialisierung der Nordhemisphäre führte zur Verschmutzung und Erwärmung natürlicher Ökosysteme. Bei vielen abgelegenen sibirischen Seen lassen sich weitgehende Folgen für ihre Rollen als Süßwasserressourcen und ökologische Refugien feststellen.

Description: Industrialisation in the Northern Hemisphere has led to the pollution and warming of natural ecosystems. Remote Siberian lakes are now under threat and face big environmental challenges that could have far-reaching consequences for freshwater resources and ecological refuges.

Description: Die Fähigkeit der Ozeane, atmosphärisches CO2 aufzunehmen, ist essentiell für die Klimaregulation des Erdsystems. Die sogenannte Alkalinität, als Maß für diese Aufnahmekapazität, spielt eine große Rolle in der „Klimaküche Ozean“. Sie hängt vor allem von Gehalt an Karbonaten im Meerwasser ab und ist Ergebnis der Wechselwirkungen verschiedener Komponenten des Kohlenstoff- und Nährstoffhaushalts. Die Frage ist letztlich auch, wie stark der Klimawandel das natürliche Alkalinitäts-Gleichgewicht stören kann.

Description: Background: Agriculture is a large and dynamic sector, essential for the supply of the population and thus in a complex area of tension. The growing population and the resulting need for optimization, greater efficiency and intensification are in direct conflict with the demand for sustainability, environmental compatibility and, above all, mitigation of climate change and its consequences. Precision agriculture can make a decisive contribution to increasing efficiency in particular. Because through the targeted and demand-oriented application of fertilizers and pesticides, but also spatially variable sowing, resources can be used better and in the best case even increase yields. Above all, if fertilizers are applied in the way that the plants need and can absorb them, in contrast to uniform application across the entire field, a surplus that can be washed into the groundwater can be avoided. A basis is therefore needed on which this variable application of resources can be determined. In practice, maps of current condition in the form of zones in the field or on-the-go measurements from sensors on the tractor are often used here. However, for comprehensive planning and holistic cultivation of crop, current and past spatial information maps, such as zone maps, are necessary. Satellite data are a data basis for such zones, as they are available in various types, current and retrospective and cover large areas spatially. Objective: This work explores possibilities to derive this zoning from satellite data and developes different approaches. The interrelations between satellite data, geoinformation data and agricultural data such as yield will be investigated and combined. The focus of the method development is the applicability in practice and the associated requirements of the farmer. Data: For method development and analysis 179 RapidEye scenes, 512 Landsat scenes, 43 Sentinel-2 scenes and 21 Planetscope scenes were used. Furthermore, the soil map „Bodenschätzung“, which not only transmits the information about the respective soil type, but also a quantification of the fertility respectively the yield potential in the form of „Bodenzahl“ and „Ackerzahl“. Digital terrain models in different spatial resolutions were used as well as in-situ measurements of nutrients, electrical conductivity and phenology. Methods and Results: In this thesis two methods and a data analysis are presented. The first method uses only optical satellite data (RapidEye) and processes these automatically into five relative yield zones, which reflect the expected relative yield averaged over several years. The method independently selects the appropriate data sets for a prescribed field, using different thresholds resulting from the reflectance values of individual bands. The zones are then separated on the basis of quantile values using an synthetic, averaged raster of the near infrared bands. The method is validated with actual yield data using the characteristics of box plots. The yield zones generated can then be used as management zones in precision farming. The second method also generates relative yield zones, suitable for use as a management zone, using RapidEye satellite data as well as soil map and relief information. This data fusion for yield zone modeling is based on belief structures and uses the Transferable Belief Model. Thus, individual expert knowledge from practical agriculture can be integrated into the fusion process. The knowledge generated in the course of method development about the relationship between remote sensing and GIS data and the actual yield on the field will be extended and consolidated in a large-scale data analysis with a time series of 13 years and 755 satellite scenes. It shows that there is a strong correlation between satellite data and yield data (up to a correlation value of r = 0.75, some values even higher). However, this correlation depends strongly on the phenological timing of - in this case - cereals and canola. In addition, the spectral and spatial resolution, as well as the growing conditions and the soil available water. Conclusion: Satellite data are very well suited for agricultural applications and for the derivation of management zones for precision crop cultivation. However, a lot of expert knowledge has to be applied in the selection of the appropriate remote sensing data as well as in the processing and methodology. The scientific and practical use of remote sensing data should be adapted to the specific problem and external conditions.

Description: Hintergrund: Die Landwirtschaft ist ein großer und dynamischer Sektor, essentiell für die Versorgung der Bevölkerung und dadurch in einem komplexen Spannungsfeld. Die steigende Bevölkerung und der dadurch bestehende Bedarf an Optimierung, mehr Effizienz und Intensivierung steht im direkten Konflikt mit dem Anspruch nach Nachhaltigkeit, Umweltverträglichkeit aber vor allem der Eindämmung des Klimawandels und seiner Folgen. Gerade bei Fragen der Effizienzsteigerung kann der Bereich der Präzisionslandwirtschaft einen entscheidenden Beitrag leisten. Denn durch die gezielte und bedarfsorientierte Anwendung von Dünger und Pflanzenschutzmitteln, aber auch die gezielte und räumlich variable angepasste Aussaat, können Ressource besser genutzt werden und im besten Falle den Ertrag sogar steigern. Vor allem wenn Düngemittel so ausgebracht werden, wie die Pflanzen ihn benötigen und aufnehmen können, im Gegensatz zu einer uniformen Ausbringung über das ganze Feld hinweg, kann ein Überschuss, welcher in das Grundwasser ausgewaschen werden kann, vermieden werden. Es braucht also eine Grundlage, auf welcher diese variable Ausbringung von Ressourcen bestimmt wird. Hier werden in der Praxis oft Zustandskarten in Form von Zonen im Feld verwendet oder „on-the-go“-Messungen von Sensoren auf dem Traktor. Für die umfassende Planung und eine holistische Bearbeitung der Bestände sind aber aktuelle und zurückliegende, wie zusammenfassende Zustandskarten, beziehungsweise Zonenkarten nötig. Eine Datengrundlage für solche Zonen sind Satellitendaten, da sie in verschiedenster Art, aktuell und retroperspektiv vorliegen und große Flächen räumlich erfassen. Ziel: Diese Arbeit erforscht Möglichkeiten aus Satellitendaten eben diese Zonierung abzuleiten und sucht dabei verschiedene Herangehensweisen. Es sollen die Zusammenhänge zwischen Satellitendaten, Daten der Geoinformation und landwirtschaftlicher Daten wie Ertrag untersucht und miteinander kombiniert werden. Im Fokus der Methodenentwicklung steht die Anwendbarkeit in der Praxis und die somit einhergehenden Anforderungen des Landwirtes. Daten: Für die Methodenentwicklung und die Analyse wurden 179 RapidEye Szenen, 512 Landsat-Szenen, 43 Sentinel-2 Szenen und 21 Planetscope-Szenen verwendet. Weiterhin die Bodenkarte Bodenschätzung, welche nicht nur die Informationen über die jeweilige Bodenart übermittelt, aber auch eine Quantifizierung der Fruchtbarkeit beziehungsweise des Ertragspotentials in Form von „Bodenzahl“ und „Ackerzahl“. Digitale Geländemodell in unterschiedlichen räumlichen Auflösungen wurden verwendet, ebenso wie in-situ-Messungen von Nährstoffen, elektrischer Leitfähigkeit und Phänologie. Methoden und Ergebnisse: In dieser Doktorarbeit werden zwei Methoden und eine Datenanalyse vorgestellt. Die erste Methode verwendet einzig optische Satellitendaten (RapidEye) und verarbeitet diese automatisiert zu fünf relativen Ertragszonen, welche den zu erwartenden relativen Ertrag gemittelt über mehrere Jahre spiegelt. Die Methode wählt dabei eigenständig die passenden Datensätze für ein vorgeschriebenes Feld aus, unter Verwendung verschiedener Schwellwerte, die sich aus den Rückstrahlwerten einzelner Bänder ergeben. Auf Basis eines gemittelten Rasters der Bänder des nahen Infrarots werden dann auf Basis von Quartilswerten die Zonen separiert. Die Methode wird mit tatsächlichen Ertragsdaten mithilfe der Charakteristika von Boxplots validiert Die erzeugten Ertragszonen können dann als Bearbeitungszonen in der Präzisionslandwirtschaft verwendet werden. Die zweite Methode erzeugt ebenfalls relative Ertragszonen, geeignet für die Verwendung als Management Zone, verwendet neben RapidEye Satellitendaten auch die Informationen der Bodenkarte und des Reliefs. Diese Datenfusion zur Modellierung von Ertragszonen basiert auf Überzeugungsstrukturen und verwendet das Transferable Belief Model. Somit kann individuelles Expertenwissen aus der praktischen Landwirtschaft in den Fusionsprozess integrieren werden. Die Erkenntnisse, die im Laufe der Methodenentwicklung über die Zusammenhänge von Fernerkundungs- und GIS Daten und dem tatsächlichen Ertrag auf dem Feld generiert wurden, werden in einer großangelegten Datenanalyse mit einer Zeitreihe von 13 Jahren und 755 Satellitenszenen erweitert und gefestigt. Sie zeigt, dass es einen starken Zusammenhang zwischen Satellitendaten und Ertragsdaten gibt (bis zu einem Korrelationswert von r = 0.75, einzelne Werte höher). Diese Korrelation hängt aber stark ab vom phänologischen Zeitpunkt von – in diesem Falle – Getreide und Raps. Außerdem von der spektralen und räumlichen Auflösung, sowie den Wachstumsbedingungen und dem bodenverfügbaren Wasser. Fazit: Satellitendaten eignen sich sehr gut für die Anwendung in der Landwirtschaft und für die Ableitung von Bearbeitungszonen für den Präzisionspflanzenbau. Allerdings muss in der Auswahl der passenden Fernerkundungsdaten und auch der Verarbeitung und Methodik viel Expertenwissen angewandt werden. Die wissenschaftliche und praktische Verwendung von Fernerkundungsdaten sollte an die spezifische Fragestellung und die äußeren Bedingungen angepasst werden.

Description: The ability to measure multiple environmental parameters, such as atmospheric water vapour, soil moisture and snow height with the same hardware is the main advantage of Global Navigation Satellite System (GNSS) environmental measurements over other observation techniques. In this thesis state-of-art ground-based GNSS methods for environmental monitoring are used to derive atmospheric water vapour and soil moisture, to observe their dynamics on local, regional and global scales and to analyse both short-term case studies and long-term climatological monitoring. The GNSS Meteorology method of observing the atmospheric water vapour through the GNSS signal delay in the atmosphere is applied to several stations in Bulgaria and compared to simulations with the Weather Research and Forecast (WRF) model, as well as to radiosonde measurements. All the data from these experiments is stored in the Sofia University Atmospheric Data Archive (SUADA), specifically developed as a foundation for the atmospheric studies in this work. A study of the 2007 heatwave for station Sofia shows 6% lower Integrated Water Vapour (IWV), compared to the 2001-2010 mean. A trend analysis of all available GNSS and radiosonde time series for station Sofia for the time period between 2000-2019 shows an increase in the IWV of 0.8kg/m^2/decade on average from reprocessed GNSS datasets and an increase of 0.6kg/m^2/decade from the radiosonde measurements. A dedicated GNSS processing campaign using the NAPEOS software and employing a Precise Point Positioning (PPP) strategy is undertaken for measurements of IWV over a network of Bulgarian stations for one year. The GNSS derived IWV is used to evaluate the seasonal and diurnal variations of the WRF model and to analyse severe weather events. The single antenna ground-based GNSS Reflectometry (GNSS-R) method is used to estimate the soil moisture Volumetric Water Content (VWC) and snow height in GNSS stations in Germany and on a global scale. A dedicated software package for processing signal strength observations from GNSS ground stations is further developed to estimate soil moisture and snow height using the GNSS-R method. The software is validated, showing 0.98 correlation with data from an independent processing center. The GFZ Reflectometry and Atmospheric Database (GRAD) is designed to archive soil moisture observations from GNSS-R and Time Domain Reflectometry (TDR), as well as atmospheric parameters and model data. In two experimental stations (Marquardt and Furstensee) in Germany, VWC is monitored between 2014-2019 with specially installed high-end and low-cost GNSS antennae and receivers. The GNSS-R VWC retrievals are compared to collocated TDR and gravimetric measurements. The results show that the soil moisture retrievals, obtained from the low-cost receivers, show lower correlation (0.67), than the high-end receivers (0.75) when compared to TDR. Gravimetric measurements are used to calibrate the residual VWC from GNSS-R. An analysis of the error budget of the GNSS-R observations of soil moisture is done, based on the high-end receiver results. All stations in the International GNSS Service (IGS) global network are individually tested for soil moisture observation capabilities. Out of 506 stations in this global network only 30 stations (6\%) are found to satisfy the requirements for GNSS-R observations, namely: reflections coming from flat grasslands. The Volumetric Water Content (VWC) observations are compared with results from the ECMWF Reanalysis model's 5th implementation - ERA5. The comparisons show fair correlation between the two datasets with ERA5 overestimating the residual VWC in most sites. Each station is discussed separately with an emphasis on station surroundings and climate conditions. A new 1-dimensional empirical soil moisture model is developed to quantify the relation between VWC in the soil and atmospheric water vapour. Several different implementations of the model, based on temperature, water vapour and precipitation are discussed and compared to GNSS-R and TDR soil moisture observations in experimental station Marquardt. The resulting model is applied to GNSS stations from the IGS network for further assessment. The comparisons with GNSS-R derived soil moisture show higher correlation, than the soil moisture, derived in the ERA5 and are higher than 0.6. Contrary to the ERA5, the model does not overestimate the residual soil moisture in the stations. A new technique for snow height measurement is validated in a GNSS-R setup in Antarctic station Neumayer III. This new technique shows improved characteristics to the classical single antenna ground-based GNSS-R snow height determination method. The validation is done in an environment of constant snow accumulation. The results from the different techniques show very similar results with correlation between the de-trended GNSS-R and snow buoy measurements of above 0.85. Snow height is also determined in the 7 IGS stations within the continental climate zones. The results are compared with the ERA5, local snow height measurements and climate normals.

Description: Das Erfassen von Umweltdaten mit dem Globale Navigationssatellitensystem (GNSS) hat gegenüber anderen Beobachtungstechniken einen entscheidenden Vorteil: es können mehrere Parameter wie zum Beispiel der atmosphärischer Wasserdampf, Bodenfeuchtigkeit und Schneehöhen mit einem einzigen Hardwaresystem erfasst werden. In dieser Arbeit wird aufgezeigt wie modernste bodengestützte GNSS-Methoden zur Umweltüberwachung eingesetzt werden können um atmosphärischen Wasserdampf und Bodenfeuchte abzuleiten und deren Variabilität auf lokaler, regionaler und globaler Ebene zu analysieren und sie sowohl in kurzfristige Fallstudien als auch in langfristige klimatologische Beobachtungen zu implementieren. Die GNSS-Meteorologie-Technologie nutzt Verzögerungen in den GNSS Signalen zur Beobachtung des atmosphärischen Wasserdampfs in der Atmosphäre. Diese Methode wird auf mehrere Stationen in Bulgarien angewandt und mit Simulationen mit dem Modell für Wetterforschung und -vorhersage (WRF) sowie mit Radiosondenmessungen verglichen. Alle Daten aus diesen Experimenten werden im Atmosphärendatenarchiv der Universität Sofia (SUADA) gespeichert, welches speziell für die atmosphärischen Studien in dieser Arbeit angelegt wurde. Eine Untersuchung der Hitzewelle im Sommer 2007 für die Station Sofia zeigt eine um 6% niedrigere integrierte Wasserdampfmenge (IWV) im Vergleich zum Mittelwert von 2001-2010. Eine Trendanalyse aller verfügbaren GNSS- und Radiosonden-Zeitreihen für die Station Sofia im Zeitraum zwischen 2000-2019 zeigt einen Anstieg des IWV von durchschnittlich 0,8kg/m^2/Dekade aus den wiederaufbereiteten GNSS-Datensätzen und einen Anstieg von 0,6kg/m^2/Dekade aus den Radiosonden-Messungen. Eine Kampagne zur Messungen des IWV wird über die Dauer von einem Jahr über ein Netzwerk bulgarischer Stationen durchgeführt. Das Ziel ist es die Verarbeitung der GNSS-Signale mit der NAPEOS-Software unter Anwendung der präzisen Punktpositionierung (PPP) zu testen. Der abgeleitete IWV wird zur Validierung der jahreszeitlichen und tageszeitlichen Schwankungen des WRF-Modells und zur Analyse von Unwetterereignissen verwendet. Die bodengebundene GNSS Reflektometrie (GNSS-R) Methode wird zur Abschätzung des volumetrischen Wassergehalts (VWC) und der Schneehöhe an GNSS-Stationen in Deutschland und auf globaler Ebene verwendet. Ein spezielles Software-Paket zur Verarbeitung von Signalstärke-Beobachtungen von GNSS-Bodenstationen wird weiterentwickelt, um Bodenfeuchte und Schneehöhe mit Hilfe der GNSS-R-Methode abzuschätzen. Die Software ist validiert und zeigt eine Korrelation von 0,98 mit Daten eines unabhängigen Verarbeitungszentrums. Die GFZ-Reflektometrie- und Atmosphärendatenbank (GRAD) wurde erstellt um Bodenfeuchtigkeitsbeobachtungen von GNSS-R und Time Domain Reflectometry (TDR) sowie atmosphärische Parameter und Modelldaten zu archivieren. Zwischen 2014-2019 wurde der VWC an zwei Messstationen (Marquardt und Fürstensee) in Deutschland mit speziell installierten hochwertigen sowie kostengünstigen GNSS-Antennen und -Empfängern überwacht. Die GNSS-R Messungen des VWC- werden mit Ergebnissen der TDR- sowie gravimetrischen Methoden verglichen. Im Vergleich zu den TDR Messungen des Bodenfeuchtegehalts weisen die kostengünstigen Empfänger eine geringere Korrelation (0,67) als die High-End-Empfänger (0,75) auf. Die gravimetrischen Messungen werden zur Kalibrierung der VWC-Restbodenfeuchte von GNSS-R verwendet. Eine Analyse des Fehlerbudgets der GNSS-R-Beobachtungen der Bodenfeuchte wird auf der Grundlage der Ergebnisse der High-End-Empfänger durchgeführt. Alle Stationen im globalen Netzwerk des Internationalen GNSS-Dienstes (IGS) werden einzeln auf ihre Tauglichkeit zur Beobachtung der Bodenfeuchte getestet. Von den 506 Stationen in diesem globalen Netzwerk erfüllen nur 30 Stationen (6%) die Voraussetzung für GNSS-R Beobachtungen: die Reflexionen sollten von flachem Grasland kommen. Die Beobachtungen des volumetrischen Wassergehalts (VWC) werden mit den Ergebnissen der 5. Version des ECMWF-Reanalysemodells - ERA5 - verglichen. Die Vergleiche zeigen eine gute Korrelation zwischen beiden Datensätzen, wobei ERA5 den Restwassergehalt an den meisten Standorten überschätzt. Die Korrelationen werden in der Arbeit für jede Station separat diskutiert, wobei der Schwerpunkt auf dem Einfluss der Umgebungsbedingungen der Station und den klimatischen Bedingungen liegt. Ein neues 1-dimensionales empirisches Bodenfeuchtemodell wird entwickelt, um die Beziehung zwischen der Bodenfeuchte und dem Wassergehalt der Atmosphäre zu quantifizieren. Verschiedene Modellversionen, die auf Temperatur, Wasserdampf und Niederschlag basieren, werden diskutiert und mit GNSS-R- und TDR-Bodenfeuchtigkeitsbeobachtungen in der Versuchsstation Marquardt verglichen. Das resultierende Modell wird zur weiteren Bewertung auf GNSS-Stationen aus dem IGS-Netz angewendet. Vergleiche mit der von GNSS-R abgeleiteten Bodenfeuchte zeigen eine höhere Korrelation (〉0,6) als die aus ERA5 abgeleitete Bodenfeuchte. Im Gegensatz zum ERA5 überschätzt das neue Modell die Restbodenfeuchte in den Stationen nicht. Eine neue Methode zur Schneehöhenmessung wird in einem GNSS-R-Aufbau in der Antarktisstation Neumayer III validiert. Diese neue Technik zeigt verbesserte Eigenschaften zu der klassischen bodengebundenen GNSS-R-Schneehöhenbestimmung mit einer einzigen Antenne. Die Validierung erfolgt in einer Umgebung mit konstanter Schneedecke. Die Ergebnisse der verschiedenen Messmethoden zeigen sehr ähnliche Ergebnisse mit einer Korrelation von über 0,85 zwischen GNSS-R- und Schneebojenmessungen. Die Schneehöhe wird auch in den 7 IGS-Stationen innerhalb der kontinentalen Klimazonen bestimmt. Die Ergebnisse werden mit dem ERA5, den lokalen Schneehöhenmessungen und den klimatischen Mittelwerten verglichen.

Description: Weltweit sind viele Staudämme durch Erosionsprozesse, Materialermüdung oder Erdbeben ihr ihrer Standfestigkeit gefährdet. Ein deutsch-kirgisisches Forscherteam will mögliche Schäden frühzeitig erkennen und entwickelt dazu ein innovatives Überwachungs- und Frühwarnsystem.

Description: Der IPCC-Sonderbericht zur 1.5 Grad globalen Erwärmung weist der nachhaltigen Stadtentwicklung eine besonders hohe Bedeutung zu. Städte brauchen daher neue Ideen und Lösungsansätze.

Description: Mittels dynamischen maschinellen Lernens können landwirtschaftliche Nutzflächen oder Wälder aus dem Weltall genauer kartiert werden. Das ermöglicht ein besseres nachhaltiges Management solcher Flächen.

Description: Der CEDIM/Risklayer-Explorer bietet online aktuelle Daten auf Kreis-/Regionalebene zum Verlauf der Corona-Pandemie in Deutschland und weltweit.

Description: Das Konzept des „Tiny Forest“ kann einen neuen, integrativen und in urbanen Räumen gut umzusetzenden Beitrag zur Gestaltung einer nachhaltigen Umwelt darstellen.

Description: Langfristige Veränderungen des Klimas können eine Gesellschaft besonders verletzlich gegenüber kurzfristigen Extremereignissen machen. Darum gilt es, Multi-Risiko-Bedrohungen vorausschauend zu identifizieren.

Description: Die Erde befindet sich in einem kontinuierlichen Wandel, der aus verschiedenen variierenden dynamischen Prozessen und einwirkenden Kräften resultiert. Die globale Erderwärmung, der Anstieg des Meeresspiegels oder tektonische Verschiebungen sind einige der globalen Phänomene, die diesen Veränderungsprozess sichtbar machen. Um diese Veränderungen besser zu verstehen, deren Ursachen zu analysieren und um geeignete Präventivmaßnahmen abzuleiten, ist ein eindeutiger Raumbezug zwingend notwendig. Der International Terrestrial Reference Frame (ITRF) als globales erdfestes kartesisches Koordinatensystem bildet hierbei die fundamentale Basis für einen eindeutigen Raumbezug, zur Bestimmung von präzisen Satellitenorbits oder zum Detektieren von Verformungen der Erdkruste. Die 2015 verabschiedete Resolution „A global geodetic reference frame for sustainable development“ (A/RES/69/266) der Vereinten Nationen (UN) verdeutlicht den hohen Stellenwert und die Notwendigkeit eines solchen globalen geodätischen Bezugssystems. Das Global Geodetic Observing System (GGOS) wurde 2003 durch die International Association of Geodesy (IAG) gegründet. „Advancing our understanding of the dynamic Earth system by quantifying our planet’s changes in space and time“ lautet die 2011 formulierte Zielsetzung, auf die alle Arbeiten von GGOS ausgerichtet sind, um die metrologische Plattform für sämtliche Erdbeobachtungen zu realisieren. Die Bestimmung eines globalen geodätischen Bezugsrahmens, der weltweit eine Positionsgenauigkeit von 1mm ermöglicht, ist eine der großen Herausforderungen von GGOS. Das Erreichen dieses Ziels setzt neben der technischen Weiterentwicklung und dem infrastrukturellen Ausbau geodätischer Raumverfahren das Identifizieren und Quantifizieren von systematischen Abweichungen sowohl im lokalen als auch im globalen Kontext voraus. Die Bestimmung eines globalen geodätischen Bezugsrahmens erfolgt durch eine kombinierte Auswertung aller geodätischen Raumverfahren. Da diese untereinander nur eine geringe physische Verknüpfung aufweisen, stellen lokal bestimmte Verbindungsvektoren, die auch als Local-Ties bezeichnet werden, eine der wesentlichen Schlüsselkomponenten bei der Kombination dar. Ungenaue, fehlerbehaftete und inaktuelle Local-Ties limitieren die Zuverlässigkeit des globalen geodätischen Bezugssystems. In der vorliegenden Arbeit werden ein Modell sowie verschiedene Lösungsverfahren entwickelt, die eine Verknüpfung der geometrischen Referenzpunkte von Radioteleskopen bzw. Laserteleskopen mit anderen geodätischen Raumverfahren durch prozessbegleitende lokale terrestrische Messungen erlauben. Während Radioteleskope zur Interferometrie auf langen Basislinien (VLBI) verwendet werden, ermöglichen Laserteleskope Entfernungsmessungen zu Erdsatelliten (SLR) oder zum Mond (LLR). Die Bestimmung des geometrischen Referenzpunktes von Laser- und Radioteleskopen ist messtechnisch herausfordernd und erfordert eine indirekte Bestimmungsmethode. Bestehende geometrische Methoden sind entweder auf eine bestimmte Teleskopkonstruktion beschränkt oder erfordern ein spezielles Messkonzept, welches ein gezieltes Verfahren des Teleskops voraussetzt. Die in dieser Arbeit hergeleitete Methode weist keine konstruktionsbedingten Restriktionen auf und erfüllt zusätzlich alle Kriterien der durch das GGOS angeregten prozessintegrierten in-situ Referenzpunktbestimmung. Hierdurch wird es möglich, den Referenzpunkt kontinuierlich und automatisiert zu bestimmen bzw. zu überwachen. Um die Zuverlässigkeit von VLBI-Daten zu erhöhen und um die Zielsetzung von 1mm Positionsgenauigkeit im globalen Kontext zu erreichen, wird das bestehende VLBI-Netz gegenwärtig durch zusätzliche Radioteleskope unter dem Namen VLBI2010 Global Observing System (VGOS) erweitert. Die hierbei entstehenden VGOS-Radioteleskope zeichnen sich u. a. durch eine sehr kompakte Bauweise und hohe Rotationsgeschwindigkeiten aus. Weitgehend ununtersucht ist das Eigenverformungsverhalten dieser Teleskope. Während für konventionelle Radioteleskope bspw. Signalwegänderungen von z. T. mehreren Zentimetern dokumentiert sind, existieren nur wenige vergleichbare Studien für VGOS-Radioteleskope. Hauptgründe sind zum einen die erhöhten Genauigkeitsanforderungen und zum anderen fehlende Modelle zur Beschreibung der Reflektorgeometrien, wodurch eine direkte Übertragung bisheriger Mess- und Analyseverfahren erschwert wird. In dieser Arbeit werden für VGOS-spezifizierte Radioteleskope Modelle erarbeitet, die eine geometrische Beschreibung der Form des Haupt- und Subreflektors ermöglichen. Basierend auf diesen Modellen lassen sich u. a. Änderungen der Brennweite oder Variationen der Strahllänge infolge von lastfallabhängigen Deformationen geometrisch modellieren. Hierdurch ist es möglich, wesentliche Einflussfaktoren zu quantifizieren, die eine Variation des Signalweges hervorrufen und unkompensiert vor allem zu einer systematischen Verfälschung der vertikalen Komponente der Stationskoordinate führen. Die Wahl eines geeigneten Schätzverfahrens, um unbekannte Modellparameter aus überschüssigen Beobachtungen abzuleiten, wird häufig als trivial und gelöst angesehen. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass neben messprozessbedingten systematischen Abweichungen auch systematische Abweichungen durch das gewählte Schätzverfahren entstehen können. So resultieren aus der Anwendung eines Schätzverfahrens, welches ausschließlich in linearen Modellen Gültigkeit besitzt, i.A. keine erwartungstreuen Schätzwerte bei nichtlinearen Problemstellungen. Insbesondere in der Formanalyse des Hauptreflektors eines VLBI-Radioteleskops zeigt sich, dass die resultierenden Schätzwerte verzerrt sind, und diese Verzerrungen Größenordnungen erreichen, die als kritisch zu bewerten sind.

Description: Several varying forces and dynamic processes continuously affect the shape and the figure of the planet Earth. The process of global change of the Earth becomes visible by, e. g., the global climate change and global warming, the sea-level rise, or the tectonic plate movement. In order to gain a better understanding of these global changes, to analyse their causes, and to derive suitable preventive measures, a reliable global spatial reference system is mandatory. The International Terrestrial Reference Frame (ITRF) is the most accurate global Earth-fixed Cartesian reference frame. It provides the global spatial information for suitable positioning on Earth, for precise satellite orbits, or for in-depth analysis of deformations of the Earth’s crust or tectonic changes. In 2015, the United Nations (UN) adopted the resolution on „A global geodetic reference frame for sustainable development“ (A/RES/69/266) and emphasized the importance of a global terrestrial reference frame. The Global Geodetic Observing System (GGOS) was established by the International Association of Geodesy (IAG) in 2003. Since 2011, the vision of GGOS has been „Advancing our understanding of the dynamic Earth system by quantifying our planet’s changes in space and time“. GGOS is perceived as the metrological basis of Earth observations. One of the challenging tasks is to provide a global geodetic frame of reference having a position accuracy of 1mm on the global scale for the ITRF. To achieve the accuracy aim, on the one hand, technical improvements of the space geodetic infrastructure are necessary, but on the other hand, systematic errors caused by the measurement and analysis procedures must be identified and quantified on the local as well as on the global scale. A global geodetic reference frame is derived by combining several space geodetic techniques. To overcome the weak physical connection between the space geodetic techniques during the frame derivation, the reference points and their geometrical relations are needed for inter-technique combination. In this contribution, a mathematical model and several solving procedures are derived to determine the conventional reference point of radio telescopes, used for Very Long Baseline Interferometry (VLBI), and laser telescopes, used for Satellite Laser Ranging (SLR) as well as Lunar Laser Ranging (LLR), by local terrestrial surveying methods. The geometrical relations defined between two reference points are realized by a spatial vector also known as local-tie. Since local-ties are crucial components within the inter-technique combination, these vectors must be known within the highest level of accuracy. Inaccurate, outdated, or erroneous local-ties bias the global frame. The determination of the reference point of radio telescopes or laser telescopes is a challenging task and requires indirect methods. Existing methods are based on modelling simple geometrical shapes. These geometrical methods are restricted to a specific type of telescope construction or require a special observation procedure including predefined rotations of the telescope. The mathematical model derived in this thesis overcomes the constructional restrictions. Moreover, it allows for in-process reference point determination as envisaged by GGOS. Therefore, for the first time an automated and continues in-situ reference point monitoring becomes possible. The legacy VLBI network is insufficient to reach the 1mm goal envisaged by GGOS. For that reason, new radio telescopes, which are of a more compact and stiffer design and are able to move faster, are designed and enlarge the existing VLBI network. These new radio telescopes will form the backbone of the next generation geodetic VLBI system, often referred to as VLBI2010 Global Observing System (VGOS) radio telescopes. On the one hand, several investigations focusing on systematic errors of large legacy VLBI radio telescopes exist, e. g., the signal path variation caused by deformation of the reflectors. On the other hand, equivalent studies that evaluate the deformation behaviour of new VGOS radio telescopes are rare. Main reasons are the higher-level accuracy requirements but also the lack of mathematical models that rigorously describe the shape of the reflectors. Thus, existing observation and analysis procedures derived and proved for legacy radio telescopes cannot be applied directly to the new VGOS class. In this investigation, new mathematical models are developed to parametrize the three dimensional shape of main reflectors as well as the shape of sub-reflectors of VGOS-specified radio telescopes. Based on these models, variations of, e. g., the focal length or the ray path caused by the reflector’s dead load and different structural loads can be modelled and used to derive the geometrical component of the resulting signal path variation. The estimation of unknown parameters is often regarded as trivial. However, it will be demonstrated that the estimated results are biased, if the statistical properties of a linear substitute-problem are transferred to its underlying nonlinear model. In particular, the order of magnitude of the bias becomes critical in analysing the shape of the main reflector.

Description: Ein im Internet zugänglicher Corona-Monitor zeigt die Entwicklung der Pandemie in Deutschland und hilft, sachlich fundierte Informationen visuell anschaulich zu machen.

Description: Die Philippinen gehören zu den tektonisch aktivsten Regionen dieser Erde. Der im Januar 2020 erneut aktiv gewordene Taal-Vulkan wurde aufgrund seiner Gefährlichkeit in die Liste der sogenannten "Dekadenvulkane" aufgenommen.

Description: Siegel für nachhaltige Produkte werden häufig kritisiert. Es gäbe zu viele, was zur Verwirrung der Verbraucher*innen führt. Außerdem sei häufig unklar, welche konkreten Kriterien für das jeweilige Siegel erfüllt werden müssen.

Description: Windböen auf hoher See können für Segler aber auch für Versorgungshelikopter von Offshore-Anlagen zu einer echten Gefahr werden. Windkraftanlagen im Meer sind durch Böen besonderen Belastungen und Schadensrisiken ausgesetzt. Könnte man Böen kurzfristig vorhersagen, ließen sich die Rotorblätter schnell und gezielt aus der Böe drehen. Mit dem Einsatz von Radartechnik ist das Helmholtz-Zentrum Geesthacht einer besseren Vorhersage von Windböen nun einen großen Schritt näher gekommen.

Description: Offshore-Windkraftanlagen produzieren zuverlässig Strom. In Deutschland haben sie im Jahr 2020 etwa 27 Milliarden Kilowattstunden Strom geliefert. Die Anlagen setzen jedoch auch ständig chemische Stoffe in das Wasser und die sie umgebenden Sedimente frei: Aluminium, Zink und zahlreiche andere (potentiell) giftige Schwermetalle stammen vor allem aus dem Korrosionsschutz der Anlagen. Aktuelle Untersuchungen gehen der Frage nach, inwiefern Windkraftanlagen Schadstoffe abgeben und welche Auswirkungen das mittel- bis langfristig auf die Meeresumwelt hat.

Description: Um im Jahr 2050 alle Menschen gesund zu ernähren und beim Anbau der benötigten Lebensmittel die Belastungsgrenzen des Planeten nicht zu sprengen, ist eine radikale Umstellung unserer Produktionsprioritäten nötig. Das Expertengremium der EAT-Lancet Commission empfiehlt eine Halbierung des globalen Konsums von rotem Fleisch und Zucker. Die Lebensmittelverluste müssen drastisch gesenkt werden und Phosphor global dort verfügbar sein, wo die größten Ertragslücken klaffen.

Description: Viele Menschen möchten nachhaltiger konsumieren. Doch die Diskrepanz zwischen dem Inhalt der eigenen Einkaufstüte und den Ansprüchen an sich selbst liegt bei eins zu zehn. Ihren allgemeinen Wertvorstellungen nach würden die meisten Konsumenten viel mehr in Nachhaltigkeit investieren als sie wirklich tun. Wieso ist das so? Eine wichtige Rolle spielen eng gefasste Warensiegel, die nur einen Aspekt der Herstellung betreffen. Sie wirken wie „Ablassbriefe“, sodass beim Einkauf andere ethische Aspekte unter den Tisch fallen. Auch die Hilfsbereitschaft gegenüber anderen Menschen leidet durch diese, nur auf einen Aspekt fokussierten Siegel.

Description: Many people would like to consume in a more sustainable way. However, the discrepancy ratio between the contents of shopping bags and the standards one sets oneself is one to ten. According to their general values, most consumers would like to invest much more in sustainability than they actually do. Why is this so? One important reason are quality labels which are so narrowly formulated that they cover only one aspect of making the product. They work like “letters of indulgence”, so that other ethical standards can be ignored when shopping. Also the readiness to help others is affected by these one-aspect labels.

Description: Kampfmittel im Meer sind eine Bedrohung für die Meeresumwelt und ein Nachhaltigkeitsrisiko für die Bewirtschaftung der Meere. Zum Ausmaß dieser Bedrohung und dem zukünftigen Umgang mit der Altlast wird seit einigen Jahren mit zunehmender Intensität geforscht. Zeit für eine Betrachtung des Status Quo.

Description: Welche Lehren sind aus sicherheitspolitischer Sicht aus der Corona-Pandemie zu ziehen? Der Sicherheitsexperte Björn Hawlitschka vom Informationsbüro für Wirtschaftssicherheit (IBWS) diskutiert in seinem Gastbeitrag einige Problemzonen des gesellschaftlichen Sicherheitskörpers.

Description: Zwischen der Mobilität von Personen und der Verbreitung des Corona-Virus besteht ein enger Zusammenhang. Nur durch das Zurücklegen von Wegen und den dabei vor allem am Zielort entstehenden zwischenmenschlichen Kontakten findet das Virus neue Wirte, um am Leben zu bleiben.

Description: Viele parasitäre Baumpilze können von der Schwächung von Bäumen durch Trockenstress profitieren. Pilzsammler, die neben Mykorrhizapilzen auch parasitäre Baumpilze sammeln, mögen sich daran erfreuen. Doch ist dabei nicht zu verkennen, dass pflanzenpathogene Pilze derzeit einen starken Anpassungsdruck in Forst- und Landwirtschaft ausüben.

Description: Many pathogenic wood decay fungi may benefit from trees being affected by drought stress. Mushroom pickers who, apart from mycorrhizal fungi, also pick wood decay fungi may take advantage of this. But we must be aware of the fact that currently plant pathogenic fungi exert much pressure to adjust on forestry and agriculture.

Description: Die Frage, ob es auf dem Mars Leben gibt oder gegeben hat, ist nicht befriedigend geklärt. Die Forschung nimmt einen neuen Anlauf, um das herauszufinden.

Description: The question whether there is or has been life on Mars is unclear. Research is undertaking another attempt to find out.

Description: Offshore-Windkraftanlagen stehen im ständig bewegten Meerwasser und im Wind. Dort entnehmen sie Energie aus der Umwelt. Was aber macht das mit der Umwelt, mit der Luft und dem Wasser in ihrer direkten und weiteren Umgebung?

Description: Mit Beginn der vierten Phase der Programmorientierten Förderung (POF) im Januar 2021 wird die Wissensplattform des Forschungsbereichs Erde und Umwelt der Helmholtz-Gemeinschaft Earth System Knowledge Platform (ESKP) nicht mehr fortgeführt. Das ist ein passender Anlass, um auf das Projekt zurückzublicken.

Description: With the beginning of the fourth period of Programme-Oriented Funding (POF) in January, 2021, the knowledge platform of the Helmholtz Association's Earth and Environment research unit, the Earth System Knowledge Platform (ESKP) will come to its end. This is a good reason for looking back at the project.

Description: Establishing genetic correlations between oils and between oils and their source rocks is especially difficult in basins with multiple source rocks where oil mixing has occurred. It is therefore of paramount importance to employ multiparameter approaches based on a combination of source-related molecular markers across different fractions of oils and source rock extracts in order to perform meaningful oil-oil and oil-source correlations rather than simply relying on classical correlation protocols based on biomarkers. Furthermore, the complexity of petroleum mixtures demands that compound-specific isotope analysis (CSIA) rather than bulk isotope analysis are implemented, as CSIA enables the identification of multiple organic matter sources in oils, condensates and source rock extracts by comparing the isotopic compositions of individual hydrocarbons of different chain length. The main objective of this dissertation has been to investigate the source, maturation, alteration and mixing of petroleum in two basin-specific case studies, (1) the Hammerfest Basin (HB), Norwegian Barents Sea and (2) the South Viking Graben (SVG), Norwegian North Sea. For this purpose, multiparameter approaches that combine the molecular composition of different petroleum components, such as light hydrocarbons, n-alkanes, sterane and triterpane biomarkers, resin-derived biomarkers, heterocyclic and polycyclic aromatic hydrocarbons in conjunction with compound-specific stable carbon and hydrogen isotope compositions of alkanes have been employed. The present research work also addresses the issue of how best to unravel and quantify the relative input of different source rocks contributing to mixed oils using δ13C values of individual petroleum hydrocarbons. Molecular and isotopic evidence revealed distinct petroleum mixing processes involving source, age and thermal maturity variations in reservoirs of the HB. The mixtures originated from hydrocarbons derived from Type-II and Type-III kerogen-rich source rocks, which displayed only small maturity variation within the main stage of oil generation or between the peak and late-oil generation stages. Nonetheless, mixtures of hydrocarbons generated from source rocks at multiple levels of maturity were identified in the Goliat field. δ13C values of n-alkanes (〉C15) were valuable for oil-source rock correlation and even quantification of the relative contribution from distinct source rocks. They enabled the differentiation of Triassic and Jurassic source contribution and also provided new insights into an additional Paleozoic-source input in the HB. Moreover, several petroleum alteration processes were recognized in Jurassic and Triassic reservoirs, including microbial degradation, water washing, evaporative fractionation, influx of gas-condensate charge and advance level of thermal maturation. In the SVG, heterocyclic and polycyclic aromatic compounds proved useful in the differentiation of mixed petroleum from Jurassic source rocks of distinct organic matter types, depositional environments and lithologies. According to the relative contribution of oils from Type-III kerogen rich source rocks, seven populations of mixed petroleum were identified by combining source-related ratios of heterocyclic and polycyclic hydrocarbons and δ13C values of n-alkanes, pristane (Pr) and phytane (Ph). The 13C-enrichments of (C10-C14) n-alkanes, and Pr and Ph were good indicators of the scale of the terrigenous source contribution and allowed the quantitative determination of the proportional contribution of hydrocarbons from Jurassic source rocks enriched in Type-II and Type-III kerogens to complex mixtures of petroleum. The estimated mixing proportions correlated linearly with concentration data, supporting the use of compound-specific stable carbon isotope composition for quantitative assignment of sources in mixed oils generated at moderate thermal maturity. Furthermore, hydrogen CSIA of n-alkanes proved to be a powerful tool to discriminate petroleum mixtures and provided an improved resolution to unravel complex petroleum mixtures from multiple Jurassic source rocks in the SVG. Multiparameter approaches that include the molecular composition of different petroleum fractions as well as δ13C and δD values of individual alkanes allowed to gain new insights into the source origins of petroleum mixtures and the assessment of diverse secondary alteration processes as well as a more complete and comprehensive understanding of the multiple petroleum systems in the HB and SVG.

Description: Die Herstellung genetischer Korrelationen zwischen Ölen und zwischen Ölen und ihren Quellgesteinen wird in einem Becken mit mehreren Quellgesteinen aufgrund der Ölmischung im Reservoir schwieriger. Es ist daher von größter Bedeutung, Multiparameter-Ansätze zu verwenden, die auf einer Kombination von quell-bezogenen molekularen Markern in verschiedenen Fraktionen von Ölen und Quellgesteinsextrakten basieren, um aussagekräftige Öl zu Öl- und Öl zu Quellen-Korrelationen anstelle der auf Biomarkern basierenden klassischen Korrelationsstudien aufzuzeigen. Darüber hinaus erfordert das Auftreten komplexer Erdölmischungen die Durchführung einer verbindungsspezifischen Isotopenanalyse (CSIA) anstelle einer Massenisotopenanalyse, da CSIA die Identifizierung mehrerer Quellen organischer Stoffe in Ölen, Kondensaten und Quellgesteinsextrakten durch Vergleich der Isotopenzusammensetzungen von einzelnen Kohlenwasserstoffen unterschiedlicher Kettenlänge ermöglicht. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, die Herkunft, Reifung, Veränderung und Vermischung von Erdöl in zwei beckenbezogenen Fallstudien zu untersuchen: (1) das Hammerfest-Becken (HB) in der norwegischen Barentssee und (2) dem Süd-Viking-Graben (SVG) in der norwegischen Nordsee. Zu diesem Zweck werden Multiparameter-Ansätze verwendet, die die molekulare Zusammensetzung verschiedener Erdölkomponenten wie leichte Kohlenwasserstoffe, n-Alkane, Steran- und Triterpan-Biomarker, von Harz abgeleitete Biomarker, heterocyclische und polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe in Verbindung mit verbindungsspezifischem stabilem Kohlenstoff und Wasserstoff Isotopenzusammensetzungen von Alkanen betrachten. Die vorliegende Forschungsarbeit befasst sich auch mit dem Problem der Entschlüsselung und Quantifizierung des relativen Beitrags verschiedener Quellgesteine zu den gemischten Ölen unter Verwendung von δ13C-Werten einzelner Erdölkohlenwasserstoffe. Molekulare und isotopische Hinweise ergaben unterschiedliche Erdölmischprozesse, bei denen Schwankungen der Quelle, des Alters und der thermischen Reife in den HB-Reservoirs auftreten. Gemische resultierten aus Kohlenwasserstoffen, die aus kerogenreichen Quellgesteinen vom Typ II und Typ III mit geringen Reifegradschwankungen innerhalb der Hauptstufe der Ölentstehung oder zwischen der Spitzen- und der späten Ölentstehungsstufe stammen. Dennoch wurden im Goliat-Feld Gemische von Kohlenwasserstoffen identifiziert, die aus Quellgesteinen mit unterschiedlichen Reifegraden entsprangen. δ13C-Werte von n-Alkanen (〉C15) waren für die Korrelation von Ölquellgesteinen und sogar für die Quantifizierung des relativen Beitrags von verschiedenen Quellgesteinen hilfreich. Sie ermöglichten die Unterscheidung des Beitrags von Trias- und Juraquellen und lieferten neue Einblicke in einen zusätzlichen Beitrag aus paläozoischen Quellen in der HB. Darüber hinaus wurden in jurassischen und triassischen Reservoirsverschiedene Erdölveränderungsprozesse erkannt, darunter mikrobieller Abbau, Wasserauswaschungen, Verdunstungsfraktionierung, Einströmen von Gaskondensatladungen und fortschreitende thermische Reifung. In dem SVG erwiesen sich heterocyclische und polycyclische aromatische Verbindungen als nützlich bei der Differenzierung von gemischtem Erdöl aus jurassischen Quellgesteinen mit unterschiedlichen Arten organischer Stoffe, Ablagerungsumgebungen und Lithologien. Entsprechend dem relativen Beitrag von Ölen aus kerogenreichen Quellgesteinen des Typs III wurden sieben Populationen von gemischtem Erdöl identifiziert, indem quellbezogene Verhältnisse von heterocyclischen und polycyclischen Kohlenwasserstoffen und δ13C-Werten von n-Alkanen, Pristan (Pr) und Phytan (Ph) kombiniert wurden. Die 13C-Anreicherungen von (C10-C14) n-Alkanen sowie Pr und Ph waren gute Indikatoren für das Ausmaß des Beitrags der terrigenen Quelle und ermöglichten die quantitative Bestimmung des proportionalen Beitrags von Kohlenwasserstoffen aus jurassischen Quellgesteinen, die mit Typ II und Typ III Kerogenen zu komplexen Erdölmischungen angereichert sind. Die geschätzten Mischungsverhältnisse korrelierten linear mit den Konzentrationsdaten, was die Verwendung einer verbindungsspezifischen stabilen Kohlenstoffisotopenzusammensetzung für die quantitative Zuordnung von Quellen in gemischten Ölen unterstützt, die bei mäßiger thermischer Reife erzeugt wurden. Darüber hinaus erwies sich die Wasserstoff-CSIA von n-Alkanen als leistungsstarkes Instrument zur Unterscheidung von Erdölmischungen und bot eine verbesserte Auflösung, um komplexe Erdölmischungen aus mehreren jurassischen Quellgesteinen im SVG zu entschlüsseln. Multiparameter-Ansätze, die molekulare Zusammensetzung verschiedener Erdölfraktionen sowie δ13C- und δD-Werte einzelner Alkane umfassen, ermöglichten neue Einblicke in die Herkunft von Erdölgemischen und die Bewertung verschiedener sekundärer Alterationsprozesse sowie ein vollständigeres und umfassenderes Verständnis der vielfältigen Erdölsysteme in der HB und SVG.

Description: Der Tiefseebergbau wird als eine neue Möglichkeit diskutiert, um wichtige Rohstoffe zu fördern. Entsprechende Technologien befinden sich in der Entwicklung. Wir sprechen mit Forschenden vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, vom Alfred-Wegener-Institut und vom GEOMAR, die sich mit den Auswirkungen des Abbaus von Rohstoffen in der Tiefsee auf das dortige Ökosystem befassen.