ALBERT

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.

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.

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.

Description: This cumulative thesis presents a stepwise investigation of the exposure modelling process for risk assessment due to natural hazards while highlighting its, to date, not much-discussed importance and associated uncertainties. Although “exposure” refers to a very broad concept of everything (and everyone) that is susceptible to damage, in this thesis it is narrowed down to the modelling of large-area residential building stocks. Classical building exposure models for risk applications have been constructed fully relying on unverified expert elicitation over data sources (e.g., outdated census datasets), and hence have been implicitly assumed to be static in time and in space. Moreover, their spatial representation has also typically been simplified by geographically aggregating the inferred composition onto coarse administrative units whose boundaries do not always capture the spatial variability of the hazard intensities required for accurate risk assessments. These two shortcomings and the related epistemic uncertainties embedded within exposure models are tackled in the first three chapters of the thesis. The exposure composition of large-area residential building stocks is studied on the scope of scenario-based earthquake loss models. Then, the proposal of optimal spatial aggregation areas of exposure models for various hazard-related vulnerabilities is presented, focusing on ground-shaking and tsunami risks. Subsequently, once the experience is gained in the study of the composition and spatial aggregation of exposure for various hazards, this thesis moves towards a multi-hazard context while addressing cumulative damage and losses due to consecutive hazard scenarios. This is achieved by proposing a novel method to account for the pre-existing damage descriptions on building portfolios as a key input to account for scenario-based multi-risk assessment. Finally, this thesis shows how the integration of the aforementioned elements can be used in risk communication practices. This is done through a modular architecture based on the exploration of quantitative risk scenarios that are contrasted with social risk perceptions of the directly exposed communities to natural hazards. In Chapter 1, a Bayesian approach is proposed to update the prior assumptions on such composition (i.e., proportions per building typology). This is achieved by integrating high-quality real observations and then capturing the intrinsic probabilistic nature of the exposure model. Such observations are accounted as real evidence from both: field inspections (Chapter 2) and freely available data sources to update existing (but outdated) exposure models (Chapter 3). In these two chapters, earthquake scenarios with parametrised ground motion fields were transversally used to investigate the role of such epistemic uncertainties related to the exposure composition through sensitivity analyses. Parametrised scenarios of seismic ground shaking were the hazard input utilised to study the physical vulnerability of building portfolios. The second issue that was investigated, which refers to the spatial aggregation of building exposure models, was investigated within two decoupled vulnerability contexts: due to seismic ground shaking through the integration of remote sensing techniques (Chapter 3); and within a multi-hazard context by integrating the occurrence of associated tsunamis (Chapter 4). Therein, a careful selection of the spatial aggregation entities while pursuing computational efficiency and accuracy in the risk estimates due to such independent hazard scenarios (i.e., earthquake and tsunami) are discussed. Therefore, in this thesis, the physical vulnerability of large-area building portfolios due to tsunamis is considered through two main frames: considering and disregarding the interaction at the vulnerability level, through consecutive and decoupled hazard scenarios respectively, which were then contrasted. Contrary to Chapter 4, where no cumulative damages are addressed, in Chapter 5, data and approaches, which were already generated in former sections, are integrated with a novel modular method to ultimately study the likely interactions at the vulnerability level on building portfolios. This is tested by evaluating cumulative damages and losses after earthquakes with increasing magnitude followed by their respective tsunamis. Such a novel method is grounded on the possibility of re-using existing fragility models within a probabilistic framework. The same approach is followed in Chapter 6 to forecast the likely cumulative damages to be experienced by a building stock located in a volcanic multi-hazard setting (ash-fall and lahars). In that section, special focus was made on the manner the forecasted loss metrics are communicated to locally exposed communities. Co-existing quantitative scientific approaches (i.e., comprehensive exposure models; explorative risk scenarios involving single and multiple hazards) and semi-qualitative social risk perception (i.e., level of understanding that the exposed communities have about their own risk) were jointly considered. Such an integration ultimately allowed this thesis to also contribute to enhancing preparedness, science divulgation at the local level as well as technology transfer initiatives. Finally, a synthesis of this thesis along with some perspectives for improvement and future work are presented.

Description: Diese kumulative Diplomarbeit stellt eine schrittweise Untersuchung des Expositionsmodellierungsprozesses für die Risikobewertung durch Naturgefahren dar und weist auf seine bisher wenig diskutierte Bedeutung und die damit verbundenen Unsicherheiten hin. Obwohl sich „Exposition“ auf einen sehr weiten Begriff von allem (und jedem) bezieht, der für Schäden anfällig ist, wird er in dieser Arbeit auf die Modellierung von großräumigen Wohngebäudebeständen eingeengt. Klassische Gebäudeexpositionsmodelle für Risikoanwendungen wurden vollständig auf der Grundlage unbestätigter Expertenerhebungen über Datenquellen (z. B. veraltete Volkszählungsdatensätze) erstellt und wurden daher implizit als zeitlich und räumlich statisch angenommen. Darüber hinaus wurde ihre räumliche Darstellung typischerweise auch vereinfacht, indem die abgeleitete Zusammensetzung geografisch auf grobe Verwaltungseinheiten aggregiert wurde, deren Grenzen nicht immer die räumliche Variabilität der Gefahrenintensitäten erfassen, die für genaue Risikobewertungen erforderlich sind. Diese beiden Mängel und die damit verbundenen epistemischen Unsicherheiten, die in Expositionsmodellen eingebettet sind, werden in den ersten drei Kapiteln der Dissertation verfolgt. Die Exposure-Zusammensetzung von großflächigen Wohngebäudebeständen wird im Rahmen szenariobasierter Erdbebenschadenmodelle untersucht. Anschließend wird der Vorschlag optimaler räumlicher Aggregationsbereiche von Expositionsmodellen für verschiedene gefahrenbezogene Anfälligkeiten präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf Bodenerschütterungs- und Tsunami-Risiken liegt. Anschließend, sobald die Erfahrung in der Untersuchung der Zusammensetzung und räumlichen Aggregation der Exposition für verschiedene Gefahren gesammelt wurde, bewegt sich diese Arbeit in Richtung eines Kontextes mit mehreren Gefahren, während sie sich mit kumulativen Schäden und Verlusten aufgrund aufeinanderfolgender Gefahrenszenarien befasst. Dies wird erreicht, indem eine neuartige Methode vorgeschlagen wird, um die bereits bestehenden Schadensbeschreibungen an Gebäudeportfolios als Schlüsseleingabe für die Berücksichtigung einer szenariobasierten Multi-Risiko-Bewertung zu berücksichtigen. Abschließend zeigt diese Arbeit, wie die Integration der oben genannten Elemente in der Risikokommunikation genutzt werden kann. Dies erfolgt durch eine modulare Architektur, die auf der Untersuchung quantitativer Risikoszenarien basiert, die mit der sozialen Risikowahrnehmung der direkt von Naturgefahren betroffenen Gemeinschaften kontrastiert werden. In Kapitel 1 wird ein bayesianischer Ansatz vorgeschlagen, um die früheren Annahmen zu einer solchen Zusammensetzung (d. h. Anteile pro Gebäudetypologie) zu aktualisieren. Dies wird erreicht, indem hochwertige reale Beobachtungen integriert und dann die intrinsische Wahrscheinlichkeitsnatur des Expositionsmodells erfasst wird. Solche Beobachtungen werden sowohl aus Feldbegehungen (Kapitel 2) als auch aus frei verfügbaren Datenquellen zur Aktualisierung bestehender (aber veralteter) Expositionsmodelle (Kapitel 3) als echte Beweise gewertet. In diesen beiden Kapiteln wurden Erdbebenszenarien mit parametrisierten Bodenbewegungsfeldern transversal verwendet, um die Rolle solcher epistemischen Unsicherheiten in Bezug auf die Expositionszusammensetzung durch Sensitivitätsanalysen zu untersuchen. Parametrisierte Szenarien seismischer Bodenerschütterungen waren der Gefahreneingang, der verwendet wurde, um die physische Anfälligkeit von Gebäudeportfolios zu untersuchen. Das zweite untersuchte Problem, das sich auf die räumliche Aggregation von Gebäudeexpositionsmodellen bezieht, wurde in zwei entkoppelten Vulnerabilitätskontexten untersucht: durch seismische Bodenerschütterungen durch die Integration von Fernerkundungstechniken (Kapitel 3); und innerhalb eines Multi-Hazard-Kontextes durch Einbeziehung des Auftretens assoziierter Tsunamis (Kapitel 4). Darin wird eine sorgfältige Auswahl der räumlichen Aggregationseinheiten bei gleichzeitigem Streben nach Recheneffizienz und Genauigkeit bei den Risikoschätzungen aufgrund solcher unabhängiger Gefahrenszenarien (d. h. Erdbeben und Tsunami) diskutiert. Daher wird in dieser Arbeit die physische Vulnerabilität von großen Gebäudeportfolios durch Tsunamis durch zwei Hauptrahmen betrachtet: Berücksichtigung und Nichtberücksichtigung der Wechselwirkung auf der Vulnerabilitätsebene, durch aufeinanderfolgende bzw. entkoppelte Gefahrenszenarien, die dann gegenübergestellt wurden. Im Gegensatz zu Kapitel 4, wo keine kumulativen Schäden angesprochen werden, werden in Kapitel 5 Daten und Ansätze, die bereits in früheren Abschnitten generiert wurden, mit einer neuartigen modularen Methode integriert, um letztendlich die wahrscheinlichen Wechselwirkungen auf der Schwachstellenebene beim Aufbau von Portfolios zu untersuchen. Dies wird getestet, indem kumulative Schäden und Verluste nach Erdbeben mit zunehmender Magnitude gefolgt von den jeweiligen Tsunamis bewertet werden. Eine solche neuartige Methode basiert auf der Möglichkeit, bestehende Fragilitätsmodelle innerhalb eines probabilistischen Rahmens wiederzuverwenden. Derselbe Ansatz wird in Kapitel 6 verfolgt, um die wahrscheinlichen kumulativen Schäden zu prognostizieren, denen ein Gebäudebestand ausgesetzt sein wird, der sich in einer vulkanischen Umgebung mit mehreren Gefahren (Aschefall und Lahare) befindet. In diesem Abschnitt wurde besonderes Augenmerk auf die Art und Weise gelegt, wie die prognostizierten Verlustmetriken an lokal exponierte Gemeinden kommuniziert werden. Koexistierende quantitative wissenschaftliche Ansätze (d. h. umfassende Expositionsmodelle; explorative Risikoszenarien mit Einzel- und Mehrfachgefahren) und semiqualitative soziale Risikowahrnehmung (d. h. Grad des Verständnisses, das die exponierten Gemeinschaften über ihr eigenes Risiko haben) wurden gemeinsam berücksichtigt. Eine solche Integration ermöglichte es dieser Arbeit schließlich auch, zur Verbesserung der Bereitschaft, der wissenschaftlichen Verbreitung auf lokaler Ebene sowie zu Technologietransferinitiativen beizutragen. Abschließend wird eine Zusammenfassung dieser These zusammen mit einigen Perspektiven für Verbesserungen und zukünftige Arbeiten präsentiert.

Description: Volcanoes are one of the Earth’s most dynamic zones and responsible for many changes in our planet. Volcano seismology aims to provide an understanding of the physical processes in volcanic systems and anticipate the style and timing of eruptions by analyzing the seismic records. Volcanic tremor signals are usually observed in the seismic records before or during volcanic eruptions. Their analysis contributes to evaluate the evolving volcanic activity and potentially predict eruptions. Years of continuous seismic monitoring now provide useful information for operational eruption forecasting. The continuously growing amount of seismic recordings, however, poses a challenge for analysis, information extraction, and interpretation, to support timely decision making during volcanic crises. Furthermore, the complexity of eruption processes and precursory activities makes the analysis challenging. A challenge in studying seismic signals of volcanic origin is the coexistence of transient signal swarms and long-lasting volcanic tremor signals. Separating transient events from volcanic tremors can, therefore, contribute to improving our understanding of the underlying physical processes. Some similar issues (data reduction, source separation, extraction, and classification) are addressed in the context of music information retrieval (MIR). The signal characteristics of acoustic and seismic recordings comprise a number of similarities. This thesis is going beyond classical signal analysis techniques usually employed in seismology by exploiting similarities of seismic and acoustic signals and building the information retrieval strategy on the expertise developed in the field of MIR. First, inspired by the idea of harmonic–percussive separation (HPS) in musical signal processing, I have developed a method to extract harmonic volcanic tremor signals and to detect transient events from seismic recordings. This provides a clean tremor signal suitable for tremor investigation along with a characteristic function suitable for earthquake detection. Second, using HPS algorithms, I have developed a noise reduction technique for seismic signals. This method is especially useful for denoising ocean bottom seismometers, which are highly contaminated by noise. The advantage of this method compared to other denoising techniques is that it doesn’t introduce distortion to the broadband earthquake waveforms, which makes it reliable for different applications in passive seismological analysis. Third, to address the challenge of extracting information from high-dimensional data and investigating the complex eruptive phases, I have developed an advanced machine learning model that results in a comprehensive signal processing scheme for volcanic tremors. Using this method seismic signatures of major eruptive phases can be automatically detected. This helps to provide a chronology of the volcanic system. Also, this model is capable to detect weak precursory volcanic tremors prior to the eruption, which could be used as an indicator of imminent eruptive activity. The extracted patterns of seismicity and their temporal variations finally provide an explanation for the transition mechanism between eruptive phases.…

Description: The Andean Cordillera is a mountain range located at the western South American margin and is part of the Eastern- Circum-Pacific orogenic Belt. The ~7000 km long mountain range is one of the longest on Earth and hosts the second largest orogenic plateau in the world, the Altiplano-Puna plateau. The Andes are known as a non-collisional subduction-type orogen which developed as a result of the interaction between the subducted oceanic Nazca plate and the South American continental plate. The different Andean segments exhibit along-strike variations of morphotectonic provinces characterized by different elevations, volcanic activity, deformation styles, crustal thickness, shortening magnitude and oceanic plate geometry. Most of the present-day elevation can be explained by crustal shortening in the last ~50 Ma, with the shortening magnitude decreasing from ~300 km in the central (15°S-30°S) segment to less than half that in the southern part (30°S-40°S). Several factors were proposed that might control the magnitude and acceleration of shortening of the Central Andes in the last 15 Ma. One important factor is likely the slab geometry. At 27-33°S, the slab dips horizontally at ~100 km depth due to the subduction of the buoyant Juan Fernandez Ridge, forming the Pampean flat-slab. This horizontal subduction is thought to influence the thermo-mechanical state of the Sierras Pampeanas foreland, for instance, by strengthening the lithosphere and promoting the thick-skinned propagation of deformation to the east, resulting in the uplift of the Sierras Pampeanas basement blocks. The flat-slab has migrated southwards from the Altiplano latitude at ~30 Ma to its present-day position and the processes and consequences associated to its passage on the contemporaneous acceleration of the shortening rate in Central Andes remain unclear. Although the passage of the flat-slab could offer an explanation to the acceleration of the shortening, the timing does not explain the two pulses of shortening at about 15 Ma and 4 Ma that are suggested from geological observations. I hypothesize that deformation in the Central Andes is controlled by a complex interaction between the subduction dynamics of the Nazca plate and the dynamic strengthening and weakening of the South American plate due to several upper plate processes. To test this hypothesis, a detailed investigation into the role of the flat-slab, the structural inheritance of the continental plate, and the subduction dynamics in the Andes is needed. Therefore, I have built two classes of numerical thermo-mechanical models: (i) The first class of models are a series of generic E-W-oriented high-resolution 2D subduction models thatinclude flat subduction in order to investigate the role of the subduction dynamics on the temporal variability of the shortening rate in the Central Andes at Altiplano latitudes (~21°S). The shortening rate from the models was then validated with the observed tectonic shortening rate in the Central Andes. (ii) The second class of models are a series of 3D data-driven models of the present-day Pampean flat-slab configuration and the Sierras Pampeanas (26-42°S). The models aim to investigate the relative contribution of the present-day flat subduction and inherited structures in the continental lithosphere on the strain localization. Both model classes were built using the advanced finite element geodynamic code ASPECT. The first main finding of this work is to suggest that the temporal variability of shortening in the Central Andes is primarily controlled by the subduction dynamics of the Nazca plate while it penetrates into the mantle transition zone. These dynamics depends on the westward velocity of the South American plate that provides the main crustal shortening force to the Andes and forces the trench to retreat. When the subducting plate reaches the lower mantle, it buckles on it-self until the forced trench retreat causes the slab to steepen in the upper mantle in contrast with the classical slab-anchoring model. The steepening of the slab hinders the trench causing it to resist the advancing South American plate, resulting in the pulsatile shortening. This buckling and steepening subduction regime could have been initiated because of the overall decrease in the westwards velocity of the South American plate. In addition, the passage of the flat-slab is required to promote the shortening of the continental plate because flat subduction scrapes the mantle lithosphere, thus weakening the continental plate. This process contributes to the efficient shortening when the trench is hindered, followed by mantle lithosphere delamination at ~20 Ma. Finally, the underthrusting of the Brazilian cratonic shield beneath the orogen occurs at ~11 Ma due to the mechanical weakening of the thick sediments covered the shield margin, and due to the decreasing resistance of the weakened lithosphere of the orogen. The second main finding of this work is to suggest that the cold flat-slab strengthens the overriding continental lithosphere and prevents strain localization. Therefore, the deformation is transmitted to the eastern front of the flat-slab segment by the shear stress operating at the subduction interface, thus the flat-slab acts like an indenter that “bulldozes” the mantle-keel of the continental lithosphere. The offset in the propagation of deformation to the east between the flat and steeper slab segments in the south causes the formation of a transpressive dextral shear zone. Here, inherited faults of past tectonic events are reactivated and further localize the deformation in an en-echelon strike-slip shear zone, through a mechanism that I refer to as “flat-slab conveyor”. Specifically, the shallowing of the flat-slab causes the lateral deformation, which explains the timing of multiple geological events preceding the arrival of the flat-slab at 33°S. These include the onset of the compression and of the transition between thin to thick-skinned deformation styles resulting from the crustal contraction of the crust in the Sierras Pampeanas some 10 and 6 Myr before the Juan Fernandez Ridge collision at that latitude, respectively.

Description: Die Andenkordillere ist ein Gebirgszug am westlichen Rand Südamerikas und Teil des östlichen zirkumpazifischen Gebirgsgürtels. Der ~7000 km lange Gebirgszug ist einer der längsten der Erde und beherbergt mit dem Altiplano-Puna-Plateau das zweitgrößte orogenetische Plateau der Welt. Die Anden sind als nicht-kollisionsbedingtes Subduktionsgebirge bekannt, das durch die Wechselwirkung zwischen der subduzierten ozeanischen Nazca-Platte und der südamerikanischen Kontinentalplatte entstanden ist. Entlang des Höhenzugs der Anden lassen sich Segmente unterschiedlicher morphotektonischer Provinzen ausmachen, die durch Variationen in topographischer Höhe, vulkanischer Aktivität, Deformationsform, Krustendicke, Krustenverkürzung und ozeanischer Plattengeometrie gekennzeichnet sind. Der größte Teil der heutigen Hebung lässt sich durch die Krustenverkürzung der letzten 50 Mio. Jahre erklären, wobei das Ausmaß der Verkürzung von ca. 300 km im zentralen Segment (15°S-30°S) auf weniger als die Hälfte im südlichen Teil (30°S-40°S) abnimmt. Es wurden mehrere Faktoren vorgeschlagen, die das Ausmaß und die Beschleunigung der Verkürzung der zentralen Anden in den letzten 15 Mio. Jahren beeinflusst haben könnten. Ein wichtiger Faktor ist wahrscheinlich die Plattengeometrie. Durch die Subduktion des Juan-Fernandez-Rückens und dessen hohe Auftriebskraft fällt die Platte bei 27-33°S in ~100 km Tiefe horizontal ein und bildet den pampeanischen flat-slab. Es wird angenommen, dass die horizontale Subduktion den thermomechanischen Zustand des Sierras-Pampeanas-Vorlandes beeinflusst, indem sie beispielsweise die Lithosphäre stärkt und die dickschalige Verlagerung der Deformation nach Osten sowie die Hebung der kristallinen Basis der Sierras-Pampeanas fördert. Vor etwa 30 Mio. Jahren verschob sich der flat-slab von der geographischen Breite des Altiplano zu seiner heutigen Position nach Süden. Die mit der Positionsverlagerung verbundenen Prozesse und Folgen für die gleichzeitige Beschleunigung der Verkürzungsraten in den zentralen Anden sind noch immer unklar. Obwohl die Passage des flat-slab eine Erklärung für dafür sein könnte, erklärt ihr Zeitpunkt nicht die beiden aus der Geologie abgeleiteten Verkürzungsimpulse vor etwa 15 und 4 Mio. Jahren. Ich stelle die Hypothese auf, dass die Deformation in den zentralen Anden durch eine komplexe Wechselwirkung zwischen der Subduktionsdynamik der Nazca-Platte und der dynamischen Materialschwächung der südamerikanischen Platte aufgrund einer Reihe von Prozessen in der oberen Platte gesteuert wird. Um diese Hypothese zu prüfen, ist eine detaillierte Untersuchung der Rolle des flat-slab, sowie der strukturellen Vererbung der Kontinentalplatte und der Subduktionsdynamik in den Anden erforderlich. Daher habe ich zwei Klassen von numerischen thermomechanischen Modellen erstellt: (i) Die erste Klasse von Modellen umfasst eine Reihe von generischen E-W-orientierten 2D-Subduktionsmodellen mit hoher Auflösung. Diese beinhalten subhorizontalen Subduktion um die Rolle der Subduktionsdynamik auf die zeitliche Variabilität der Verkürzungsrate in den zentralen Anden auf dem Altiplano (~21°S) zu untersuchen. Die modellierte Verkürzungsrate wurde mit der beobachteten tektonischen Verkürzungsrate in den zentralen Anden validiert. (ii) Die zweite Klasse von Modellen besteht aus einer Reihe von datengesteuerten 3D-Modellen der heutigen pampeanischen flat-slab-Konfiguration und der Sierras Pampeanas (26-42°S). Diese Modelle zielen darauf ab, den relativen Beitrag der heutigen subhorizontalen Subduktion und der ererbten Strukturen in der kontinentalen Lithosphäre zur Dehnungslokalisierung zu untersuchen. Beide Modellklassen wurden mit Hilfe des fortschrittlichen geodynamischen Finite-Elemente-Codes ASPECT erstellt. Das erste Hauptergebnis dieser Arbeit ist die Vermutung, dass zeitliche Änderungen der Verkürzung in den Zentralanden in erster Linie durch die Subduktionsdynamik der Nazca-Platte gesteuert werden, während diese in die Mantelübergangszone eindringt. Die Dynamik hängt von der westwärts gerichteten Geschwindigkeit der südamerikanischen Platte ab, die die Hauptantriebskraft für die Krustenverkürzung in den Anden darstellt und den Subduktionsgraben zum Zurückziehen zwingt. Wenn die subduzierende Platte den unteren Erdmantel erreicht, wölbt sie sich auf, bis der erzwungene Rückzug des Grabens dazu führt, dass auch die Platte im oberen Erdmantel steiler wird. Die aufgesteilte Platte behindert wiederum den Graben, der sich der vorrückenden südamerikanischen Platte widersetzt, was eine pulsierende Verkürzung zur Folge hat. Dieses Subduktionsregime, bestehend aus Aufwölbung und Aufsteilung, könnte durch die allgemeine westwärts gerichtete Geschwindigkeitsabnahme der südamerikanischen Platte ausgelöst worden sein. Der Durchgang des flat-slab ist zudem eine notwendige Bedingung, um die Verkürzung der Kontinentalplatte voran zu treiben, da subhorizontale Subduktion Teile der Mantellithosphäre abträgt und so die Kontinentalplatte schwächt. Dieser Prozess trägt somit zur effizienten Verkürzung bei während der Graben behindert wird und ist gefolgt von der Ablösung der Mantellithosphäre vor etwa 20 Mio. Jahren. Das Subduzieren des brasilianischen kratonischen Schildes unter das Orogen erfolgte schließlich vor etwa 11 Mio. Jahren aufgrund der mechanischen Schwächung der dicken Sedimentschicht, die den Schildrand bedeckte, sowie wegen des abnehmenden Widerstands der geschwächten Gebirgslithosphäre. Das zweite Hauptergebnis dieser Arbeit ist die Vermutung, dass der kalte flat-slab die darüber liegende kontinentale Lithosphäre stärkt und damit verhindert, dass sich Verformungen lokalisieren können. Daher wird die Deformation durch die an der Subduktionsfläche wirkende Scherspannung auf die östliche Front des flat-slab-Segments übertragen. Der flat-slab wirkt wie ein Eindringling, der die unter mantle-keel bekannte Anhäufung von abgelöstem Mantelmaterial beiseite schiebt. Der Versatz in der ostwärts gerichteten Deformationsausbreitung der flachen und der steileren Plattensegmenten im Süden führt zur Bildung einer transpressiven dextralen Scherungszone. Hier werden ererbte Verwerfungen vergangener tektonischer Ereignisse reaktiviert und helfen bei der Lokalisierung neuer Deformation in einer en-echelon-artigen Scherungszone. Dies geschieht durch einen Mechanismus, den ich als "flat-slab-Conveyor" bezeichne. Das laterale Zusammenschieben wird besonders durch das Flacherwerden des flat-slab beeinflusst, welches den Zeitpunkt mehrerer geologischer Ereignisse erklärt, die der Ankunft des flat-slab bei 33°S vorangehen. Dazu gehören der Beginn der Kompression und der Übergang von dünn- zu dickschaliger Deformation, die sich aus der Krustenkontraktion in den Sierras Pampeanas etwa 10 bzw. 6 Mio. Jahre vor der Kollision mit dem Juan-Fernandez-Rücken auf diesem Breitengrad ergaben.

Description: The near-Earth space environment is a highly complex system comprised of several regions and particle populations hazardous to satellite operations. The trapped particles in the radiation belts and ring current can cause significant damage to satellites during space weather events, due to deep dielectric and surface charging. Closer to Earth is another important region, the ionosphere, which delays the propagation of radio signals and can adversely affect navigation and positioning. In response to fluctuations in solar and geomagnetic activity, both the inner-magnetospheric and ionospheric populations can undergo drastic and sudden changes within minutes to hours, which creates a challenge for predicting their behavior. Given the increasing reliance of our society on satellite technology, improving our understanding and modeling of these populations is a matter of paramount importance. In recent years, numerous spacecraft have been launched to study the dynamics of particle populations in the near-Earth space, transforming it into a data-rich environment. To extract valuable insights from the abundance of available observations, it is crucial to employ advanced modeling techniques, and machine learning methods are among the most powerful approaches available. This dissertation employs long-term satellite observations to analyze the processes that drive particle dynamics, and builds interdisciplinary links between space physics and machine learning by developing new state-of-the-art models of the inner-magnetospheric and ionospheric particle dynamics. The first aim of this thesis is to investigate the behavior of electrons in Earth's radiation belts and ring current. Using ~18 years of electron flux observations from the Global Positioning System (GPS), we developed the first machine learning model of hundreds-of-keV electron flux at Medium Earth Orbit (MEO) that is driven solely by solar wind and geomagnetic indices and does not require auxiliary flux measurements as inputs. We then proceeded to analyze the directional distributions of electrons, and for the first time, used Fourier sine series to fit electron pitch angle distributions (PADs) in Earth's inner magnetosphere. We performed a superposed epoch analysis of 129 geomagnetic storms during the Van Allen Probes era and demonstrated that electron PADs have a strong energy-dependent response to geomagnetic activity. Additionally, we showed that the solar wind dynamic pressure could be used as a good predictor of the PAD dynamics. Using the observed dependencies, we created the first PAD model with a continuous dependence on L, magnetic local time (MLT) and activity, and developed two techniques to reconstruct near-equatorial electron flux observations from low-PA data using this model. The second objective of this thesis is to develop a novel model of the topside ionosphere. To achieve this goal, we collected observations from five of the most widely used ionospheric missions and intercalibrated these data sets. This allowed us to use these data jointly for model development, validation, and comparison with other existing empirical models. We demonstrated, for the first time, that ion density observations by Swarm Langmuir Probes exhibit overestimation (up to ~40-50%) at low and mid-latitudes on the night side, and suggested that the influence of light ions could be a potential cause of this overestimation. To develop the topside model, we used 19 years of radio occultation (RO) electron density profiles, which were fitted with a Chapman function with a linear dependence of scale height on altitude. This approximation yields 4 parameters, namely the peak density and height of the F2-layer and the slope and intercept of the linear scale height trend, which were modeled using feedforward neural networks (NNs). The model was extensively validated against both RO and in-situ observations and was found to outperform the International Reference Ionosphere (IRI) model by up to an order of magnitude. Our analysis showed that the most substantial deviations of the IRI model from the data occur at altitudes of 100-200 km above the F2-layer peak. The developed NN-based ionospheric model reproduces the effects of various physical mechanisms observed in the topside ionosphere and provides highly accurate electron density predictions. This dissertation provides an extensive study of geospace dynamics, and the main results of this work contribute to the improvement of models of plasma populations in the near-Earth space environment

Description: Die erdnahe Weltraumumgebung ist ein hochkomplexes System, das aus mehreren Regionen und Partikelpopulationen besteht, die für den Satellitenbetrieb gefährlich sind. Die in den Strahlungsgürteln und dem Ringstrom gefangenen Teilchen können bei Weltraumwetterereignissen aufgrund der tiefen dielektrischen und oberflächlichen Aufladung erhebliche Schäden an Satelliten verursachen. Näher an der Erde liegt eine weitere wichtige Region, die Ionosphäre, die die Ausbreitung von Funksignalen verzögert und die Navigation und Positionsbestimmung beeinträchtigen kann. Als Reaktion auf Fluktuationen der solaren und geomagnetischen Aktivität können sowohl die Populationen der inneren Magnetosphäre als auch der Ionosphäre innerhalb von Minuten bis Stunden drastische und plötzliche Veränderungen erfahren, was eine Herausforderung für die Vorhersage ihres Verhaltens darstellt. Angesichts der zunehmenden Abhängigkeit unserer Gesellschaft von der Satellitentechnologie ist ein besseres Verständnis und eine bessere Modellierung dieser Populationen von größter Bedeutung. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Raumsonden gestartet, um die Dynamik von Partikelpopulationen im erdnahen Weltraum zu untersuchen, was diesen in eine datenreiche Umgebung verwandelt hat. Um aus der Fülle der verfügbaren Beobachtungen wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen, ist der Einsatz fortschrittlicher Modellierungstechniken unabdingbar, und Methoden des maschinellen Lernens gehören zu den leistungsfähigsten verfügbaren Ansätzen. Diese Dissertation nutzt langfristige Satellitenbeobachtungen, um die Prozesse zu analysieren, die die Teilchendynamik antreiben, und schafft interdisziplinäre Verbindungen zwischen Weltraumphysik und maschinellem Lernen, indem sie neue hochmoderne Modelle der innermagnetosphärischen und ionosphärischen Teilchendynamik entwickelt. Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, das Verhalten von Elektronen im Strahlungsgürtel und Ringstrom der Erde zu untersuchen. Unter Verwendung von ~18 Jahren Elektronenflussbeobachtungen des Global Positioning System (GPS) haben wir das erste maschinelle Lernmodell des Elektronenflusses im mittleren Erdorbit (MEO) entwickelt, das ausschließlich durch Sonnenwind und geomagnetische Indizes gesteuert wird und keine zusätzlichen Flussmessungen als Eingaben benötigt. Anschließend analysierten wir die Richtungsverteilungen der Elektronen und verwendeten zum ersten Mal Fourier-Sinus-Reihen, um die Elektronen-Stellwinkelverteilungen (PADs) in der inneren Magnetosphäre der Erde zu bestimmen. Wir führten eine epochenübergreifende Analyse von 129 geomagnetischen Stürmen während der Van-Allen-Sonden-Ära durch und zeigten, dass die Elektronen-PADs eine starke energieabhängige Reaktion auf die geomagnetische Aktivität haben. Außerdem konnten wir zeigen, dass der dynamische Druck des Sonnenwindes als guter Prädiktor für die PAD-Dynamik verwendet werden kann. Anhand der beobachteten Abhängigkeiten haben wir das erste PAD-Modell mit einer kontinuierlichen Abhängigkeit von L, der magnetischen Ortszeit (MLT) und der Aktivität erstellt und zwei Techniken entwickelt, um die Beobachtungen des äquatornahen Elektronenflusses aus Daten mit niedrigem Luftdruck mit Hilfe dieses Modells zu rekonstruieren. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Modells der Topside-Ionosphäre. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir Beobachtungen von fünf der meistgenutzten Ionosphärenmissionen gesammelt und diese Datensätze interkalibriert. So konnten wir diese Daten gemeinsam für die Modellentwicklung, die Validierung und den Vergleich mit anderen bestehenden empirischen Modellen nutzen. Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass die Ionendichtebeobachtungen von Swarm-Langmuir-Sonden in niedrigen und mittleren Breiten auf der Nachtseite eine Überschätzung (bis zu ~40-50%) aufweisen, und haben vorgeschlagen, dass der Einfluss leichter Ionen eine mögliche Ursache für diese Überschätzung sein könnte. Zur Entwicklung des Oberseitenmodells wurden 19 Jahre lang Elektronendichteprofile aus der Radio-Okkultation (RO) verwendet, die mit einer Chapman-Funktion mit einer linearen Abhängigkeit der Skalenhöhe von der Höhe angepasst wurden. Aus dieser Näherung ergeben sich 4 Parameter, nämlich die Spitzendichte und die Höhe der F2-Schicht sowie die Steigung und der Achsenabschnitt des linearen Trends der Skalenhöhe, die mit Hilfe von neuronalen Feedforward-Netzwerken (NN) modelliert wurden. Das Modell wurde sowohl anhand von RO- als auch von In-situ-Beobachtungen umfassend validiert und übertrifft das Modell der Internationalen Referenz-Ionosphäre (IRI). Unsere Analyse zeigte, dass die größten Abweichungen des IRI-Modells von den Daten in Höhen von 100-200 km über der F2-Schichtspitze auftreten. Das entwickelte NN-basierte Ionosphärenmodell reproduziert die Auswirkungen verschiedener physikalischer Mechanismen, die in der Topside-Ionosphäre beobachtet werden, und liefert sehr genaue Vorhersagen der Elektronendichte. Diese Dissertation bietet eine umfassende Untersuchung der Dynamik in der Geosphäre, und die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit tragen zur Verbesserung der Modelle von Plasmapopulationen in der erdnahen Weltraumumgebung bei.

Description: The shallow Earth’s layers are at the interplay of many physical processes: some being driven by atmospheric forcing (precipitation, temperature...) whereas others take their origins at depth, for instance ground shaking due to seismic activity. These forcings cause the subsurface to continuously change its mechanical properties, therefore modulating the strength of the surface geomaterials and hydrological fluxes. Because our societies settle and rely on the layers hosting these time-dependent properties, constraining the hydro-mechanical dynamics of the shallow subsurface is crucial for our future geographical development. One way to investigate the ever-changing physical changes occurring under our feet is through the inference of seismic velocity changes from ambient noise, a technique called seismic interferometry. In this dissertation, I use this method to monitor the evolution of groundwater storage and damage induced by earthquakes. Two research lines are investigated that comprise the key controls of groundwater recharge in steep landscapes and the predictability and duration of the transient physical properties due to earthquake ground shaking. These two types of dynamics modulate each other and influence the velocity changes in ways that are challenging to disentangle. A part of my doctoral research also addresses this interaction. Seismic data from a range of field settings spanning several climatic conditions (wet to arid climate) in various seismic-prone areas are considered. I constrain the obtained seismic velocity time-series using simple physical models, independent dataset, geophysical tools and nonlinear analysis. Additionally, a methodological development is proposed to improve the time-resolution of passive seismic monitoring.

Description: Die oberflächennahen Erdschichten sind ein Zusammenspiel vieler physikalischer Prozesse: Einige werden durch atmosphärische Einflüsse (Niederschlag, Temperatur...) angetrieben, während andere ihren Ursprung im Untergrund haben, beispielsweise Bodenerschütterungen aufgrund seismischer Aktivität. Diese Kräfte führen zu sich ständig ändernden mechanische Eigenschaften des Untergrunds, und damit auch Änderungen der Festigkeit der Geomaterialien der Oberfläche, sowie der Wasserflüsse. Als Gesellschaft leben wir auf der Erdoberfläche, und sind auf diese zeitabhängigen Eigenschaften angewiesen. Für unsere zukünftige, geographische Entwicklung ist es daher essentiell, die hydromechanischen Dynamiken des flachen Untergrunds zu verstehen. Eine Möglichkeit, die sich stetig ändernden physikalischen Eigenschaften unter unseren Füßen zu untersuchen, ist die Ableitung seismischer Geschwindigkeitsänderungen aus dem Umgebungslärm, mit Hilfe einer Technik namens seismische Interferometrie. In dieser Dissertation verwende ich diese Methode, um die Entwicklung der Grundwasserspeicherung, sowie durch Erdbeben verursachte Schäden zu untersuchen. Es werden zwei Forschungslinien untersucht, diese umfassen die Hauptkontrollen der Grundwasserneubildung in steilen Landschaften und die Vorhersagbarkeit und Dauer der transienten physikalischen Eigenschaften aufgrund von Erdbebenerschütterungen. Beide Dynamiken beeinflussen sich gegenseitig, sowie die Geschwindigkeitsänderungen im Untergrund in einer Weise, die schwer zu entschlüsseln ist. Ein Teil dieser Doktorarbeit behandelt daher auch diese Wechselwirkung. Wir verwenden seismische Daten, die unter verschiedenen klimatischen Bedingungen (feuchtes bis trockenes Klima) in mehreren, seismisch gefährdeten Gebieten erhoben wurden. Die gewonnenen seismischen Geschwindigkeitszeitreihen werden mit Hilfe einfacher, physikalischer Modelle, unabhängiger Datensätze, geophysikalischer Instrumente und nichtlinearer Analysen untersucht. Darüber hinaus wird eine methodische Entwicklung vorgeschlagen, um die zeitliche Auflösung des passiven, seismischen Monitorings zu verbessern.

Description: Biogeochemical analyses of lacustrine environments are well-established methods that allow exploring and understanding complex systems in the lake ecosystem. However, most were conducted in temperate lakes controlled by entirely different physical conditions than in tropical climates. The most important difference between the temperate and tropical lakes is lacking seasonal temperature fluctuations in the latter, which leads to a stable temperature gradient in the water column. Thus, the water column in tropical latitudes generally is void of perturbations that can be seen in their temperate counterparts. Permanent stratification in the water column provides optimal conditions for intact sedimentation. The geochemical processes in the water column and the weathering process in the distinct lithology in the catchment leads to the different biogeochemical characteristic in the sediment. Conducting a biogeochemical study in this lake sediment, especially in the Sediment Water Interface (SWI) helps reveal the sedimentation and diagenetic process records influenced by the internal or external loading. Lake Sentani, the study area, is one of the thousands of lakes in Indonesia and located in the Papua province. This tropical lake has a unique feature, as it consists of four interconnected sub-basins with different water depths. More importantly, its catchment is comprised of various different lithologies. Hence, its lithological characteristics are highly diverse, and range from mafic and ultramafic rocks to clastic sediment and carbonates. Each sub-basin receives a distinct sediment input. Equally important, besides the natural loading, Lake Sentani is also influenced by anthropogenic input. Previous studies have elaborated that there is an increase in population growth rate around the lake which has direct consequences on eutrophication. Considering these factors, the government of The Republic of Indonesia put Lake Sentani on the list of national priority lakes for restoration. This thesis aims to develop a fundamental understanding of Lake Sentani's sedimentary geochemistry and geomicrobiology with a special focus on the effects of different lithologies and anthropogenic pressures in the catchment area. We conducted geochemical and geomicrobiology research on Lake Sentani to meet this objective. We investigated geochemical characteristics in the water column, porewater, and sediment core of the four sub-basins. Additional to direct investigations of the lake itself, we also studied the sediments in the tributary rivers, of which some are ephemeral, as well as the river mouths, as connections between riverine and the lacustrine habitat. The thesis is composed of three main publications about Lake Sentani and supported by several publications that focus on other tropical lakes in Indonesia. The first main publication investigates the geochemical characterization of the water column, porewater, and surface sediment (upper 40-50 cm) from the center of the four sub-basins. It reveals that besides catchment lithology, the water column heavily influences the geochemical characteristics in the lake sediments and their porewater. The findings indicate that water column stratification has a strong influence on overall chemistry. The four sub-basins are very different with regard to their water column chemistry. Based on the physicochemical profiles, especially dissolved oxygen, one sub-basin is oxygenated, one intermediate i.e. just reaches oxygen depletion at the sediment-water interface, and two sub-basins are fully meromictic. However, all four sub-basins share the same surface water chemistry. The structure of the water column creates differences on the patterns of anions and cations in the porewater. Likewise, the distinct differences in geochemical composition between the sub-basins show that the lithology in the catchment affects the geochemical characteristic in the sediment. Overall, water column stratification and particularly bottom water oxygenation strongly influence the overall elemental composition of the sediment and porewater composition. The second publication reveals differences in surface sediment composition between habitats, influenced by lithological variations in the catchment area. The macro-element distribution shows that the geochemical characteristics between habitats are different. Furthermore, the geochemical composition also indicates a distinct distribution between the sub-basins. The geochemical composition of the eastern sub-basin suggests that lithogenic elements are more dominant than authigenic elements. This is also supported by sulfide speciation, particle distribution, and smear slide data. The third publication is a geomicrobiological study of the surface sediment. We compare the geochemical composition of the surface sediment and its microbiological composition and compare the different signals. Next Generation Sequencing (NGS) of the 16S rRNA gene was applied to determine the microbial community composition of the surface sediment from a great number of locations. We use a large number of sampling sites in all four sub-basins as well as in the rivers and river mouths to illustrate the links between the river, the river mouth, and the lake. Rigorous assessment of microbial communities across the diverse Lake Sentani habitats allowed us to study some of these links and report novel findings on microbial patterns in such ecosystems. The main result of the Principal Coordinates Analysis (PCoA) based on microbial community composition highlighted some commonalities but also differences between the microbial community analysis and the geochemical data. The microbial community in rivers, river mouths and sub-basins is strongly influenced by anthropogenic input from the catchment area. Generally, Bacteroidetes and Firmicutes could be an indicator for river sediments. The microbial community in the river is directly influenced by anthropogenic pressure and is markedly different from the lake sediment. Meanwhile, the microbial community in the lake sediment reflects the anoxic environment, which is prevalent across the lake in all sediments below a few mm burial depth. The lake sediments harbour abundant sulfate reducers and methanogens. The microbial communities in sediments from river mouths are influenced by both rivers and lake ecosystems. This study provides valuable information to understand the basic processes that control biogeochemical cycling in Lake Sentani. Our findings are critical for lake managers to accurately assess the uncertainties of the changing environmental conditions related to the anthropogenic pressure in the catchment area. Lake Sentani is a unique study site directly influenced by the different geology across the watershed and morphometry of the four studied basins. As a result of these factors, there are distinct geochemical differences between the habitats (river, river mouth, lake) and the four sub-basins. In addition to geochemistry, microbial community composition also shows differences between habitats, although there are no obvious differences between the four sub-basins. However, unlike sediment geochemistry, microbial community composition is impacted by human activities. Therefore, this thesis will provide crucial baseline data for future lake management.…

Description: Biogeochemische Studien werden schon seit langer Zeit durchgeführt. Die meisten Studien wurden jedoch in Seen der gemäßigten Zonen durchgeführt, in denen ganz andere physikalische Bedingungen herrschen als in Seen mit tropischem Klima. Der wichtigste Unterschied zwischen gemäßigten und tropischen Seen ist das Fehlen saisonaler Temperaturschwankungen in letzteren, was zu einem stabilen Temperaturgefälle in der Wassersäule führt. Die Wassersäule wird daher nicht durch wechselnde Oberflächentemperaturen gestört. Die permanente Schichtung in der Wassersäule bietet optimale Bedingungen für eine intakte Sedimentation. Geochemischen Prozesse in der Wassersäule und Verwitterungsprozesse in den unterschiedlichen Lithologien im Einzugsgebiet führen zu unterschiedlichen biogeochemischen Eigenschaften im Sediment. Die Durchführung einer biogeochemischen Studie in diesem Seesediment, insbesondere an der Sediment-Wasser-Grenzfläche (SWI), hilft dabei, die Sedimentations- und diagenetischen Prozessaufzeichnungen aufzuzeigen, die durch interne oder externe Belastung beeinflusst werden. Der See Sentani, das Untersuchungsgebiet, ist einer von tausenden Seen in Indonesien, der in der Provinz Papua liegt. Der See wurde ausgewählt, weil er die Einzigartigkeit der tropischen Seen repräsentiert, und mit vier Unterbecken verbunden ist, welche in unterschiedlichen Wassertiefen liegen. Des Weiteren, weist sein Einzugsgebiet unterschiedliche Lithologien auf. Die Lithologie ist sehr vielfältig und reicht von mafischem und ultramafischem Gestein bis hin zu klastischen Sedimenten und Karbonaten. Somit erhält jedes Teileinzugsgebiet einen anderen Sedimenteintrag. Ebenso wichtig ist, dass dieser See neben der natürlichen Belastung auch von anthropogenen Einträgen aus seinem Einzugsgebiet beeinflusst wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Zunahme des Bevölkerungswachstums eine Eutrophierung zur Folge hat. In Anbetracht dieser Faktoren wurde der See von der Regierung der Republik Indonesien zu einem der vorrangig zu restaurierenden nationalen Seen erklärt. Ziel dieser Arbeit ist es ein grundlegendes Verständnis der Sedimentgeochemie und Geomikrobiologie des Sentani-Sees zu entwickeln, mit besonderem Augenmerk auf die Auswirkungen verschiedener Lithologien und anthropogener Einflüsse im Einzugsgebiet. Um dieses Ziel zu erreichen, führten wir geochemische und geomikrobiologische Untersuchungen am Sentani-See durch. Wir untersuchten die geochemischen Merkmale in der Wassersäule, im Porenwasser und im Sedimentkern der vier Teileinzugsgebiete. Wir untersuchten nicht nur den See selbst, sondern auch die Sedimente in den Nebenflüssen, von denen einige nur saisonal Wasser führen, sowie die Flussmündungen, welche die Verbindung zwischen dem fluvialen und dem lakustrinen Lebensraum darstellen. Die Arbeit ist eine Synthese aus drei Publikationen über den Sentani-See und wird durch mehrere Veröffentlichungen über andere tropische Seen in Indonesien ergänzt. Die erste Publikation untersucht die geochemischen Bedingungen in der Wassersäule, des Porenwassers und des Oberflächensediments (obere 40-50 cm) in den Zentren der vier Becken des Sees. Sie zeigt, dass neben der Lithologie des Einzugsgebiets auch die Wassersäule die geochemischen Eigenschaften der Seesedimente und ihres Porenwassers beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schichtung der Wassersäule einen starken Einfluss auf die Gesamtchemie hat. Die vier Teilbecken unterscheiden sich jedoch sehr stark in ihrer Wassersäulenchemie. Ausgehend von den physikalisch-chemischen Profilen, insbesondere dem gelösten Sauerstoff, ist ein Teilbecken sauerstoffreich, in einem weiteren erreicht die Sauerstoffkonzentration Werte um Null an der Sediment-Wasser-Grenzfläche, und zwei Teilbecken sind vollständig meromiktisch. Alle vier Teilbecken weisen jedoch die gleiche Oberflächenwasserchemie auf. Die Struktur der Wassersäule führt zu Unterschieden in den Profilen der Anionen und Kationen im Porenwasser. Ebenso zeigen die deutlichen Unterschiede in der geochemischen Zusammensetzung zwischen den Teilbecken, dass die Lithologie im Einzugsgebiet die geochemischen Merkmale im Sediment beeinflusst. Insgesamt haben die Schichtung der Wassersäule und insbesondere die Sauerstoffanreicherung des Bodenwassers einen starken Einfluss auf die elementare Gesamtzusammensetzung des Sediments und die Zusammensetzung des Porenwassers. Die zweite Veröffentlichung zeigt, dass die Zusammensetzung des Oberflächensediments zwischen den Lebensräumen durch die lithologischen Unterschiede im Einzugsgebiet beeinflusst wird. Die Makroelementverteilung zeigt, dass die geochemischen Merkmale zwischen den Lebensräumen unterschiedlich sind. Darüber hinaus weist die unterschiedliche geochemische Zusammensetzung auch auf eine unterschiedliche Verteilung zwischen den Teilbecken hin. Die geochemische Zusammensetzung des östlichen Teilbeckens deutet darauf hin, dass lithogene Elemente dominanter sind als authigene Elemente. Dies wird auch durch die Sulfid-Speziation, die Partikelverteilung und die Daten der Smear-Slide Analyse bestätigt. Bei der dritten Veröffentlichung handelt es sich um eine geomikrobiologische Studie des Oberflächensediments. Wir stellen die geochemische Zusammensetzung des Oberflächensediments und seine mikrobiologische Zusammensetzung gegenüber und vergleichen die verschiedenen Signale. Next Generation Sequencing (NGS) des 16S rRNA-Gens wurde angewandt, um die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft des Oberflächensediments an einer großen Anzahl von Standorten zu bestimmen. Wir verwenden eine große Anzahl von Probenahmestellen in allen vier Teilbecken sowie in den Flüssen und Flussmündungen, um die Verbindungen zwischen den Flüssen, den Flussmündungen und dem See aufzuzeigen. Eine statistische Analyse der mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Lebensräumen des Sentani-Sees ermöglichte es uns, einige dieser Verbindungen zu untersuchen und einige neue Erkenntnisse über mikrobielle Muster in solchen Ökosystemen zu gewinnen. Das Hauptergebnis der Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) auf der Grundlage der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften zeigte einige Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede zwischen der Analyse der mikrobiellen Gemeinschaften und den geochemischen Daten auf. Die mikrobielle Gemeinschaft in Flüssen, Flussmündungen und in den vier Teilbecken wird stark von anthropogenen Einträgen aus dem Einzugsgebiet beeinflusst. Im Allgemeinen könnten Bacteroidetes und Firmicutes ein Indikator für Flusssedimente sein. Die mikrobielle Gemeinschaft im Fluss wird direkt durch den anthropogenen Druck beeinflusst und unterscheidet sich deutlich von den Seesedimenten. Die mikrobielle Gemeinschaft in den Seesedimenten spiegelt das anoxische Milieu wider, das im gesamten See in allen Sedimenten unterhalb einiger mm Tiefe vorherrscht. Die Seesedimente beherbergen eine Vielzahl von Sulfatreduzierern und Methanogenen. Die mikrobiellen Gemeinschaften in den Sedimenten von Flussmündungen werden sowohl von den Ökosystemen der Flüsse als auch der Seen beeinflusst. Diese Studie liefert wertvolle Informationen zum Verständnis der grundlegenden Prozesse, die den biogeochemischen Kreislauf im Sentani-See steuern. Die Studie bietet den Verantwortlichen Managern des Sees wertvolle Informationen, um die Unsicherheiten der sich ändernden Umweltbedingungen im Zusammenhang mit dem anthropogenen Druck im Einzugsgebiet zu erfassen. Der Sentani-See wird direkt von der unterschiedlichen Geologie im Wassereinzugsgebiet und der Morphometrie der vier untersuchten Teilbecken und deren Einzugsgebieten beeinflusst, was ihn zu einem einzigartigen Untersuchungsgebiet macht. Dies bietet eine außergewöhnliche Gelegenheit, den Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf die Sedimentzusammensetzung unter identischen klimatischen und hydrologischen Bedingungen zu untersuchen. Der Sentani-See ist ein einzigartiges Untersuchungsgebiet, das direkt von der unterschiedlichen Geologie im Wassereinzugsgebiet und der Morphometrie der vier untersuchten Einzugsgebiete beeinflusst wird. Als Ergebnis dieser Faktoren gibt es deutliche geochemische Unterschiede zwischen den Lebensräumen (Fluss, Flussmündung, See) und den vier Teileinzugsgebieten. Neben der Geochemie weist auch die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften Unterschiede zwischen den Lebensräumen auf, obwohl es keine offensichtlichen Unterschiede zwischen den vier Teileinzugsgebieten gibt. Im Gegensatz zur Geochemie der Sedimente wird die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften jedoch durch menschliche Aktivitäten beeinflusst. Daher wird diese Arbeit wichtige Grundlagendaten für die künftige Bewirtschaftung der Seen liefern.…

Description: Due to the major role of greenhouse gas emissions in global climate change, the development of non-fossil energy technologies is essential. Deep geothermal energy represents such an alternative, which offers promising properties such as a high base load capability and a large untapped potential. The present work addresses barite precipitation within geothermal systems and the associated reduction in rock permeability, which is a major obstacle to maintaining high efficiency. In this context, hydro-geochemical models are essential to quantify and predict the effects of precipitation on the efficiency of a system. The objective of the present work is to quantify the induced injectivity loss using numerical and analytical reactive transport simulations. For the calculations, the fractured-porous reservoirs of the German geothermal regions North German Basin (NGB) and Upper Rhine Graben (URG) are considered. Similar depth-dependent precipitation potentials could be determined for both investigated regions (2.8-20.2 g/m3 fluid). However, the reservoir simulations indicate that the injectivity loss due to barite deposition in the NGB is significant (1.8%-6.4% per year) and the longevity of the system is affected as a result; this is especially true for deeper reservoirs (3000 m). In contrast, simulations of URG sites indicate a minor role of barite (〈 0.1%-1.2% injectivity loss per year). The key differences between the investigated regions are reservoir thicknesses and the presence of fractures in the rock, as well as the ionic strength of the fluids. The URG generally has fractured-porous reservoirs with much higher thicknesses, resulting in a greater distribution of precipitates in the subsurface. Furthermore, ionic strengths are higher in the NGB, which accelerates barite precipitation, causing it to occur more concentrated around the wellbore. The more concentrated the precipitates occur around the wellbore, the higher the injectivity loss. In this work, a workflow was developed within which numerical and analytical models can be used to estimate and quantify the risk of barite precipitation within the reservoir of geothermal systems. A key element is a newly developed analytical scaling score that provides a reliable estimate of induced injectivity loss. The key advantage of the presented approach compared to fully coupled reservoir simulations is its simplicity, which makes it more accessible to plant operators and decision makers. Thus, in particular, the scaling score can find wide application within geothermal energy, e.g., in the search for potential plant sites and the estimation of long-term efficiency.

Description: Aufgrund der tragenden Rolle der Treibhausgasemissionen für den globalen Klimawandel ist die Entwicklung von nicht-fossilen Energietechnologien essenziell. Die Tiefengeothermie stellt eine solche Alternative dar, welche vielversprechende Eigenschaften wie eine hohe Grundlastfähigkeit und ein großes ungenutztes Potenzial bietet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Barytausfällungen inner- halb geothermaler Systeme und der damit einhergehenden Verringerung der Gesteinsdurchlässigkeit, welche ein Haupthindernis für die Aufrechterhaltung einer hohen Effizienz darstellen. Dabei sind hydro-geochemische Modelle unerlässlich, um die Auswirkungen von Ausfällungen auf die Effizienz eines Systems zu quantifizieren und vorherzusagen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels numerischer und analytischer reaktiver Transportsimulationen, den induzierten Injektivitätsverlust zu quantifizieren. Für die Berechnungen werden die klüftig-porösen Reservoire der deutschen Geothermieregionen Norddeutsches Becken (NDB) und Oberrheingraben (ORG) betrachtet. Für beide untersuchte Regionen konnte ein ähnliches, tiefenabhängiges Fällungspotenzial bestimmt werden (2,8–20,2 g/m3 Fluid). Die Reservoirsimulationen zeigen jedoch, dass der Injektivitätsverlust aufgrund von Barytablagerungen im NDB erheblich ist (1,8%–6,4% pro Jahr) und die Langlebigkeit der Anlage dadurch beeinträchtigt wird, dies gilt insbesondere für tiefere Reservoire (3000 m). Im Gegensatz dazu deuten die Simulationen der ORG-Standorte auf eine untergeordnete Rolle von Baryt hin (〈 0,1%–1,2% Injektivitätsverlust pro Jahr). Die entscheidenden Unterschiede zwischen den untersuchten Regionen sind die Reservoirmächtigkeiten und das Vorhandensein von Rissen im Gestein sowie die Ionenstärke der Fluide. Der ORG weist in der Regel klüftig-poröse Reservoire mit deutlich höheren Mächtigkeiten auf, was zu einer größeren Verteilung der Präzipitate im Untergrund führt. Weiterhin sind die Ionenstärken im NDB höher, was die Barytausfällung beschleunigt und diese dadurch konzentrierter um das Bohrloch herum entstehen lässt. Je konzentrierter die Präzipitate um die Bohrung herum auftreten, desto höher ist der Injektivitätsverlust. In dieser Arbeit wurde ein Workflow erarbeitet, innerhalb dessen mittels numerischer und analytischer Modelle das Risiko von Barytausfällungen innerhalb des Reservoirs geothermischer Systeme abgeschätzt und quantifiziert werden kann. Ein zentrales Element ist ein neu entwickelter, analytischer Scaling-Score, der eine zuverlässige Schätzung des induzierten Injektivitätsverlustes ermöglicht. Der entscheidende Vorteil des präsentierten Ansatzes im Vergleich zu voll-gekoppelten Reservoirsimulationen liegt in ihrer Einfachheit, die sie für Anlagenbetreiber und Entscheidungsträger zugänglicher macht. Somit kann insbesondere der Scaling-Score eine breite Anwendung innerhalb der Geothermie finden, z.B. bei der Suche nach potenziellen Anlagenstandorten und der Abschätzung der langfristigen Effizienz.

Description: Salt deposits offer a variety of usage types. These include the mining of rock salt and potash salt as important raw materials, the storage of energy in man-made underground caverns, and the disposal of hazardous substances in former mines. The most serious risk with any of these usage types comes from the contact with groundwater or surface water. It causes an uncontrolled dissolution of salt rock, which in the worst case can result in the flooding or collapse of underground facilities. Especially along potash seams, cavernous structures can spread quickly, because potash salts show a much higher solubility than rock salt. However, as their chemical behavior is quite complex, previous models do not account for these highly soluble interlayers. Therefore, the objective of the present thesis is to describe the evolution of cavernous structures along potash seams in space and time in order to improve hazard mitigation during the utilization of salt deposits. The formation of cavernous structures represents an interplay of chemical and hydraulic processes. Hence, the first step is to systematically investigate the dissolution and precipitation reactions that occur when water and potash salt come into contact. For this purpose, a geochemical reaction model is used. The results show that the minerals are only partially dissolved, resulting in a porous sponge like structure. With the saturation of the solution increasing, various secondary minerals are formed, whose number and type depend on the original rock composition. Field data confirm a correlation between the degree of saturation and the distance from the center of the cavern, where solution is entering. Subsequently, the reaction model is coupled with a flow and transport code and supplemented by a novel approach called ‘interchange’. The latter enables the exchange of solution and rock between areas of different porosity and mineralogy, and thus ultimately the growth of the cavernous structure. By means of several scenario analyses, cavern shape, growth rate and mineralogy are systematically investigated, taking also heterogeneous potash seams into account. The results show that basically four different cases can be distinguished, with mixed forms being a frequent occurrence in nature. The classification scheme is based on the dimensionless numbers Péclet and Damköhler, and allows for a first assessment of the hazard potential. In future, the model can be applied to any field case, using measurement data for calibration. The presented research work provides a reactive transport model that is able to spatially and temporally characterize the propagation of cavernous structures along potash seams for the first time. Furthermore, it allows to determine thickness and composition of transition zones between cavern center and unaffected salt rock. The latter is particularly important in potash mining, so that natural cavernous structures can be located at an early stage and the risk of mine flooding can thus be reduced. The models may also contribute to an improved hazard prevention in the construction of storage caverns and the disposal of hazardous waste in salt deposits. Predictions regarding the characteristics and evolution of cavernous structures enable a better assessment of potential hazards, such as integrity or stability loss, as well as of suitable mitigation measures.

Description: Salzlagerstätten bieten eine Vielzahl an Nutzungsmöglichkeiten. Diese umfassen den Abbau von Steinsalz und Kalisalz als wichtige Rohstoffe, die Speicherung von Energie in künstlich erzeugten Hohlräumen, sowie die Entsorgung gefährlicher Substanzen in stillgelegten Bergwerken. Die größte Gefahr bei jeder dieser Nutzungsarten ist der Kontakt mit Grund- oder Oberflächenwasser. Er bewirkt eine unkontrollierte Lösung des Salzgesteins, was im schlimmsten Fall zur Flutung oder zum Einsturz unterirdischer Infrastrukturen führt. Insbesondere entlang von Kaliflözen können sich kavernöse Strukturen schnell ausbreiten, da Kalisalze eine wesentlich höhere Löslichkeit besitzen als Steinsalz. Ihr chemisches Verhalten ist jedoch komplex, weshalb bisherige Modelle diese hochlöslichen Zwischenschichten vernachlässigen. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es daher, die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen räumlich und zeitlich zu beschreiben und damit die Möglichkeiten zur Gefahrenprävention bei der Nutzung von Salzlagerstätten zu verbessern. Die Bildung kavernöser Strukturen ist ein Zusammenspiel chemischer und hydraulischer Prozesse. Zunächst wird daher mithilfe eines geochemischen Reaktionsmodells systematisch untersucht, welche Lösungs- und Fällungsreaktionen beim Kontakt von Wasser und Kalisalz auftreten. Die Ergebnisse zeigen, dass nur ein Teil der Minerale gelöst wird, wodurch sich eine poröse, schwammartige Struktur bildet. Mit zunehmender Aufsättigung der Lösung treten verschiedene Sekundärminerale auf, deren Anzahl und Art vom Ausgangsgestein abhängen. Felddaten belegen dabei eine Korrelation zwischen Sättigungsgrad und Abstand vom Kavernenzentrum, wo die Lösung ein- und austritt. Anschließend wird das Reaktionsmodell mit einem Strömungs- und Transportcode gekoppelt und um einen neuartigen Ansatz namens "interchange" ergänzt. Dieser ermöglicht den Austausch von Lösung und Gestein zwischen Bereichen unterschiedlicher Porosität und Mineralogie, und damit letztlich das Wachstum der kavernösen Struktur. In mehreren Szenarienanalysen werden Kavernenform, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Mineralogie systematisch untersucht und dabei auch heterogene Kaliflöze betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass grundsätzlich vier Fälle zu unterscheiden sind, wobei in der Natur häufig Mischformen auftreten. Die Klassifizierung erfolgt auf Basis der dimensionslosen Kennzahlen Péclet und Damköhler und ermöglicht eine erste Abschätzung des Gefahrenpotentials. In Zukunft kann das Modell auf beliebige Feldbeispiele angewandt und mithilfe von Messdaten kalibriert werden. Die vorliegende Arbeit liefert ein reaktives Transportmodell, mit dem die Ausbreitung kavernöser Strukturen entlang von Kaliflözen erstmals räumlich und zeitlich beschrieben werden kann. Auch Mächtigkeit und Zusammensetzung der Übergangszone zwischen Kavernenzentrum und unberührtem Salzgestein können damit bestimmt werden. Letzteres ist insbesondere im Kalibergbau von Bedeutung, um natürliche kavernöse Strukturen rechtzeitig zu lokalisieren und damit das Risiko für eine Flutung von Bergwerken zu verringern. Auch bei der Herstellung von Speicherkavernen und der Einlagerung gefährlicher Substanzen im Salzgestein können die Modelle zu einer besseren Gefahrenprävention beitragen. Sie ermöglichen Prognosen über Beschaffenheit und Ausbreitungsverhalten kavernöser Strukturen, wodurch sowohl potentielle Gefahren, wie der Verlust von Dichtigkeit oder Stabilität, als auch geeignete Gegenmaßnahmen besser abschätzbar werden.

Description: The geomagnetic main field is vital for live on Earth, as it shields our habitat against the solar wind and cosmic rays. It is generated by the geodynamo in the Earth’s outer core and has a rich dynamic on various timescales. Global models of the field are used to study the interaction of the field and incoming charged particles, but also to infer core dynamics and to feed numerical simulations of the geodynamo. Modern satellite missions, such as the SWARM or the CHAMP mission, support high resolution reconstructions of the global field. From the 19th century on, a global network of magnetic bservatories has been established. It is growing ever since and global models can be constructed from the data it provides. Geomagnetic field models that extend further back in time rely on indirect observations of the field, i.e. thermoremanent records such as burnt clay or volcanic rocks and sediment records from lakes and seas. These indirect records come with (partially very large) uncertainties, introduced by the complex measurement methods and the dating procedure. Focusing on thermoremanent records only, the aim of this thesis is the development of a new modeling strategy for the global geomagnetic field during the Holocene, which takes the uncertainties into account and produces realistic estimates of the reliability of the model. This aim is approached by first considering snapshot models, in order to address the irregular spatial distribution of the records and the non-linear relation of the indirect observations to the field itself. In a Bayesian setting, a modeling algorithm based on Gaussian process egression is developed and applied to binned data. The modeling algorithm is then extended to the temporal domain and expanded to incorporate dating uncertainties. Finally, the algorithm is sequentialized to deal with numerical challenges arising from the size of the Holocene dataset. The central result of this thesis, including all of the aspects mentioned, is a new global geomagnetic field model. It covers the whole Holocene, back until 12000 BCE, and we call it ArchKalmag14k. When considering the uncertainties that are produced together with the model, it is evident that before 6000 BCE the thermoremanent database is not sufficient to support global models. For times more recent, ArchKalmag14k can be used to analyze features of the field under consideration of osterior uncertainties. The algorithm for generating ArchKalmag14k can be applied to different datasets and is provided to the community ss an open source python package.

Description: Das geomagnetische Hauptfeld ist essenziell für das Leben auf der Erde, da es unseren Lebensraum gegen den Sonnenwind und kosmische Strahlung abschirmt. Es wird vom Geodynamo im Erdkern erzeugt und zeigt eine komplexe Dynamik auf unterschiedlichen Zeitskalen. Globale Modelle des Magnetfelds werden zur Studie der Wechselwirkung von einströmenden geladenen Teilchen genutzt, aber auch um Kerndynamiken zu untersuchen und um sie in numerische Simulationen des Geodynamos einzuspeisen. Moderne Satellitenmissionen, wie SWARM und CHAMP, stützen hochauflösende Rekonstruktionen des globalen Felds. Seit dem 19. Jahrhundert wird ein globales Netzwerk von magnetischen Observatorien aufgebaut. Es wächst stetig und globale Modelle können aus den Daten, die es liefert, konstruiert werden. Geomagnetische Feldmodelle, die weiter in der Zeit zurückreichen, basieren auf indirekten Beobachtungen des Felds, d.h. auf thermoremanenten Daten, wie gebrannten Tonen oder vulkanischen Gesteinen, und auf Sedimentdaten aus Seen und Meeren. Diese indirekten Beobachtungen werden mit (teilweise sehr hohen) Unsicherheiten geliefert, die aus den komplexen Datierungs- und Messmethoden resultieren. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Modellierungsmethode für das globale geomagnetische Feld während des Holozäns, welche die Unsicherheiten berücksichtigt und realistische Schätzungen für die Verlässlichkeit des Modells liefert. Dabei werden lediglich thermoremanente Daten betrachtet. Diesem Ziel wird sich zunächst genähert, indem ein Schnappschuss-Modell konstruiert wird, um die unregelmäßige räumliche Verteilung der Daten und die nichtlineare Beziehung zwischen Daten und Magnetfeld zu untersuchen. In einem Bayesianischen Rahmen wird ein auf Gaussprozessen basierender Algorithmus entwickelt und zunächst auf diskretisierte Daten angewendet. Dieser Algorithmus wird dann um eine zeitabhängige Komponente ergänzt und erweitert, um Datierungsfehler zu berücksichtigen. Zuletzt wird der Algorithmus sequenzialisiert, um mit numerischen Herausforderungen umzugehen, die aufgrund der Größe des Holozän-Datensatzes bestehen. Das zentrale Ergebnis dieser Arbeit, welches alle genannten Aspekte beinhaltet, ist ein neues globales geomagnetisches Feldmodell. Es deckt das gesamte Holozän ab, bis ins Jahr 12000 BCE, und wir nennen es ArchKalmag14k. Bei Betrachtung der Unsicherheiten, die gemeinsam mit dem Modell ermittelt werden, wird deutlich, dass die thermoremanente Datenbasis nicht ausreicht, um globale Modelle vor dem Jahr 6000 BCE zu stützen. Für jüngere Zeiträume kann ArchKalmag14k genutzt werden, um Merkmale des Erdmagnetfelds unter Berücksichtigung der a posteriori Unsicherheiten zu analysieren. Der Algorithmus, mit dem ArchKalmag14k erzeugt wurde, kann auf weitere Datensätze angewendet werden und wird als quelloffenes python-Paket zur Verfügung gestellt.

Description: Climate change and human-driven eutrophication promote the spread of harmful cyanobacteria blooms in lakes worldwide, which affects water quality and impairs the aquatic food chain. In recent times, sedimentary ancient DNA-based (sedaDNA) studies were used to probe how centuries of climate and environmental changes have affected cyanobacterial assemblages in temperate lakes. However, there is a lack of information on the consistency between sediment-deposited cyanobacteria communities versus those of the water column, and on the individual role of natural climatic changes versus human pressure on cyanobacteria community dynamics over multi-millennia time scales. Therefore, this thesis uses sedimentary ancient DNA of Lake Tiefer See in northeastern Germany to trace the deposition of cyanobacteria along the water column into the sediment, and to reconstruct cyanobacteria communities spanning the last 11,000 years using a set of molecular techniques including quantitative PCR, biomarkers, metabarcoding, and metagenome sequence analyses. The results of this thesis proved that cyanobacterial composition and species richness did not significantly differ among different water depths, sediment traps, and surface sediments. This means that the cyanobacterial community composition from the sediments reflects the water column communities. However, there is a skewed sediment deposition of different cyanobacteria groups because of DNA alteration and/or deterioration during transport along the water column to the sediment. Specifically, single filament taxa, such as Planktothrix, are poorly represented in sediments despite being abundant in the water column as shown by an additional study of the thesis on cyanobacteria seasonality. In contrast, aggregate-forming taxa, like Aphanizomenon, are relatively overrepresented in sediment although they are not abundant in the water column. These different deposition patterns of cyanobacteria taxa should be considered in future DNA-based paleolimnological investigations. The thesis also reveals a substantial increase in total cyanobacteria abundance during the Bronze Age which is not apparent in prior phases of the early to middle Holocene and is suggested to be caused by human farming, deforestation, and excessive nutrient addition to the lake. Not only cyanobacterial abundance was influenced by human activity but also cyanobacteria community composition differed significantly between phases of no, moderate, and intense human impact. The data presented in this thesis are the first on sedimentary cyanobacteria DNA since the early Holocene in a temperate lake. The results bring together archaeological, historical climatic, and limnological data with deep DNA-sequencing and paleoecology to reveal a legacy impact of human pressure on lake cyanobacteria populations dating back to approximately 4000 years.

Description: Der Klimawandel und die vom Menschen verursachte Eutrophierung fördern die Ausbreitung schädlicher Cyanobakterienblüten in Seen weltweit, was die Wasserqualität und die aquatische Nahrungskette beeinträchtigt. In jüngster Zeit wurden sedimentäre DNA (sedaDNA)-Studien verwendet, um zu untersuchen, wie sich klimatische- und menschliche Umweltveränderungen von Jahrhunderten auf Cyanobakteriengemeinschaften in Seen ausgewirkt haben. Jedoch fehlen bislang Informationen, wie repräsentativ die im Sediment abgelagerten Cyanobakterien und deren DNA für die Gemeinschaften der Wassersäule sind, sowie zur individuellen Rolle natürlicher klimatischer Veränderungen gegenüber dem menschlichen Einflusses auf die Dynamik von Cyanobakterien über Zeitskalen von Jahrtausenden. Daher wurde in dieser Arbeit sedimentäre alte DNA (sedaDNA) des Tiefen Sees in Nordostdeutschland verwendet, um die Ablagerung von Cyanobakterien entlang der Wassersäule in das Sediment zu verfolgen. Ein Hauptteil dieser Arbeit bildete jedoch die Rekonstruktion von Cyanobakteriengemeinschaften der letzten 11.000 Jahre, unter Verwendung einer Reihe von molekularen Techniken, darunter quantitative PCR, Biomarker, Metabarcoding und Metagenom-Sequenzanalysen. Die Ergebnisse dieser Arbeit beweisen, dass die Cyanobakterien-Zusammensetzung und der Artenreichtum zwischen verschiedenen Wassertiefen, Sedimentfallen und Oberflächensedimenten nicht signifikant unterschiedlich ist. Das bedeutet, dass die Zusammensetzung der Cyanobakteriengemeinschaften aus den Sedimenten die Gemeinschaften der Wassersäule widerspiegelt. Aufgrund von DNA-Veränderungen und/oder -Abbau während des Transports entlang der Wassersäule zum Sediment kommt es jedoch zu einer verzerrten Sedimentablagerung verschiedener Cyanobakterien Arten. Insbesondere sind filamentose Arten wie Planktothrix in Sedimenten schlecht vertreten, obwohl sie, laut Ergebnissen einer zusätzlichen Studie dieser Arbeit zur Saisonalität von Cyanobakterien, in der Wassersäule reichlich vorhanden sind. Im Gegensatz dazu sind aggregatbildende Arten wie Aphanizomenon in Sedimenten relativ gesehen überrepräsentiert, obwohl sie in der Wassersäule relativ selten vorkommen. Diese unterschiedlichen Muster zur Sedimentablagerung verschiedener Cyanobakterien Arten sollten in zukünftigen DNA-basierten paläolimnologischen Untersuchungen berücksichtigt werden. Die Dissertation zeigt auch eine deutliche Zunahme der Cyanobakterien Abundanz während der Bronzezeit, die in vorhergehenden Phasen des frühen und mittleren Holozäns nicht erkennbar war. Dies ist wahrscheinlich durch menschliche Landwirtschaft, Entwaldung und übermäßige Nährstoffzufuhr in den See verursacht worden. Nicht nur die Abundanz von Cyanobakterien wurde durch menschliche Aktivitäten beeinflusst, sondern auch die Zusammensetzung von deren Gemeinschaften, die sich signifikant zwischen Phasen unterscheidet, die durch keinen, moderaten, und intensiven menschlichen Einfluss gekennzeichnet sind. Die in dieser Dissertation präsentierten Daten sind die ersten zu sedimentärer Cyanobakterien-DNA seit dem frühen Holozän eines Sees der gemäßigte Klimazone. Die Ergebnisse vereinen archäologische, historische, klimatische und limnologische Daten mit hochaufgelöster und Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung und belegen, dass der menschliche Einfluss auf Cyanobakteriengemeinschaften in Seen etwa 4000 Jahre zurückreicht.

Description: Gas hydrates are ice-like crystalline compounds made of water cavities that retain various types of guest molecules. Natural gas hydrates are CH4-rich but also contain higher hydrocarbons as well as CO2, H2S, etc. They are highly dependent of local pressure and temperature conditions. Considering the high energy content, natural gas hydrates are artificially dissociated for the production of methane gas. Besides, they may also dissociate in response to global warming. It is therefore crucial to investigate the hydrate nucleation and growth process at a molecular level. The understanding of how guest molecules in the hydrate cavities respond to warming climate or gas injection is also of great importance. This thesis is concerned with a systematic investigation of simple and mixed gas hydrates at conditions relevant to the natural hydrate reservoir in Qilian Mountain permafrost, China. A high-pressure cell that integrated into the confocal Raman spectroscopy ensured a precise and continuous characterization of the hydrate phase during formation/dissociation/transformation processes with a high special and spectral resolution. By applying laboratory experiments, the formation of mixed gas hydrates containing other hydrocarbons besides methane was simulated in consideration of the effects from gas supply conditions and sediments. The results revealed a preferential enclathration of different guest molecules in hydrate cavities and further refute the common hypothesis of the coexistence of hydrate phases due to a changing feed gas phase. However, the presence of specific minerals and organic compounds in sediments may have significant impacts on the coexisting solid phases. With regard to the dissociation, the formation damage caused by fines mobilization and migration during hydrate decomposition was reported for the first time, illustrating the complex interactions between fine grains and hydrate particles. Gas hydrates, starting from simple CH4 hydrates to binary CH4—C3H8 hydrates and multi-component mixed hydrates were decomposed by thermal stimulation mimicking global warming. The mechanisms of guest substitution in hydrate structures were studied through the experimental data obtained from CH4—CO2, CH4—mixed gas hydrates and mixed gas hydrates—CO2 systems. For the first time, a second transformation behavior was documented during the transformation process from CH4 hydrates to CO2-rich mixed hydrates. Most of the crystals grew or maintained when exposed to CO2 gas while some others decreased in sizes and even disappeared over time. The highlight of the two last experimental simulations was to visualize and characterize the hydrate crystals which were at different structural transition stages. These experimental simulations enhanced our knowledge about the mixed gas hydrates in natural reservoirs and improved our capability to assess the response to global warming.

Description: Gashydrate sind eisähnliche, kristalline Verbindungen bestehend aus Wasserkäfigen, in denen verschiedene Arten von Gastmolekülen eingeschlossen sind. Natürliche Gashydrate sind CH4-reich, enthalten aber auch höhere Kohlenwasserstoffe sowie CO2, H2S usw. Sie sind stark von den lokalen Druck- und Temperaturbedingungen abhängig. Aufgrund ihres hohen Energiegehalts werden natürliche Gashydrate zur Produktion von Methangas kontrolliert zersetzt. Sie können sich aber auch als Reaktion auf die globale Erwärmung zersetzen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Hydratnukleation und des Wachstumsprozesses auf molekularer Ebene zu verstehen. Es ist auch von großer Bedeutung zu klären, wie die Gastmoleküle in den Hydratkäftigen auf die Erderwärmung oder die Gasinjektion antworten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer systematischen Untersuchung von einfachen und gemischten Gashydraten unter Bedingungen, die für die natürlichen Hydratvorkommen im Qilian Mountain Permafrost, China, relevant sind. Eine in die konfokale Raman-Spektroskopie integrierte Hochdruckzelle gewährleistet eine präzise und kontinuierliche Charakterisierung der Hydratphase während des Bildungs-/Dissoziations-/Umwandlungsprozesses mit hoher örtlicher und spektraler Auflösung. Anhand von Laborversuchen wurde der Entstehungsprozess von gemischten Gashydraten unter Berücksichtigung der Auswirkungen unterschiedliches Gaszufuhr und Sedimenten simuliert. Die Ergebnisse zeigten eine bevorzugte Einlagerung verschiedener Gastmoleküle in die Hydratkäfige und widerlegen die gängige Hypothese der Bildung koexistierender Hydratphasen aufgrund einer sich ändernden Gasphase. Das Vorhandensein bestimmter Mineralien und organischer Verbindungen in Sedimenten kann ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die koexistierenden festen Phasen haben. Bezüglich der Hydratzersetzung konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals über die Formationsschädigung durch Feinkornmobilisierung und -migration beim Hydratabbau berichtet werden, was die komplexen Wechselwirkungen zwischen feinen Sedimentkörnern und Hydratpartikeln verdeutlicht. Gashydrate, angefangen von einfachen CH4-Hydraten über binäre CH4-C3H8-Hydrate bis hin zu Mehrkomponenten-Mischhydraten, wurden durch thermische Stimulation zersetzt, um die Reaktion auf die globale Erwärmung nachzuahmen. Die Mechanismen der Substitution der Gasmoleküle in Hydratstrukturen wurden anhand der experimentellen Daten von CH4-CO2-, CH4-Mischgashydraten und Mischgashydraten-CO2-Systemen untersucht. Erstmals wurde ein zweites Umwandlungsverhalten während des Umwandlungsprozesses von CH4-Hydraten zu CO2-reichen Mischhydraten dokumentiert. In den meisten Fällen wird das Modell des Schrumpfenden Kerns (Shrinking-core-model) unterstützt, während in einigen anderen Fällen die Kristalle mit konstanter Geschwindigkeit umwandelten. Der Höhepunkt der beiden letzten experimentellen Simulationen war die Visualisierung und Charakterisierung von Hydratkristallen, die sich in verschiedenen strukturellen Übergangsstadien befanden. Diese experimentellen Simulationen erweiterten unser Wissen über gemischte Gashydrate in natürlichen Lagerstätten und verbesserten unsere Fähigkeit, die Reaktion auf die globale Erwärmung zu bewerten.

Description: Seismology, like many scientific fields, e.g., music information retrieval and speech signal pro- cessing, is experiencing exponential growth in the amount of data acquired by modern seismo- logical networks. In this thesis, I take advantage of the opportunities offered by "big data" and by the methods developed in the areas of music information retrieval and machine learning to predict better the ground motion generated by earthquakes and to study the properties of the surface layers of the Earth. In order to better predict seismic ground motions, I propose two approaches based on unsupervised deep learning methods, an autoencoder network and Generative Adversarial Networks. The autoencoder technique explores a massive amount of ground motion data, evaluates the required parameters, and generates synthetic ground motion data in the Fourier amplitude spectra (FAS) domain. This method is tested on two synthetic datasets and one real dataset. The application on the real dataset shows that the substantial information contained within the FAS data can be encoded to a four to the five-dimensional manifold. Consequently, only a few independent parameters are required for efficient ground motion prediction. I also propose a method based on Conditional Generative Adversarial Networks (CGAN) for simulating ground motion records in the time-frequency and time domains. CGAN generates the time-frequency domains based on the parameters: magnitude, distance, and shear wave velocities to 30 m depth (VS30). After generating the amplitude of the time-frequency domains using the CGAN model, instead of classical conventional methods that assume the amplitude spectra with a random phase spectrum, the phase of the time-frequency domains is recovered by minimizing the observed and reconstructed spectrograms. In the second part of this dissertation, I propose two methods for the monitoring and characterization of near-surface materials and site effect analyses. I implement an autocorrelation function and an interferometry method to monitor the velocity changes of near-surface materials resulting from the Kumamoto earthquake sequence (Japan, 2016). The observed seismic velocity changes during the strong shaking are due to the non-linear response of the near-surface materials. The results show that the velocity changes lasted for about two months after the Kumamoto mainshock. Furthermore, I used the velocity changes to evaluate the in-situ strain-stress relationship. I also propose a method for assessing the site proxy "VS30" using non-invasive analysis. In the proposed method, a dispersion curve of surface waves is inverted to estimate the shear wave velocity of the subsurface. This method is based on the Dix-like linear operators, which relate the shear wave velocity to the phase velocity. The proposed method is fast, efficient, and stable. All of the methods presented in this work can be used for processing "big data" in seismology and for the analysis of weak and strong ground motion data, to predict ground shaking, and to analyze site responses by considering potential time dependencies and nonlinearities.

Description: Humankind and their environment need to be protected from the harmful effects of spent nuclear fuel, and therefore disposal in deep geological formations is favoured worldwide. Suitability of potential host rocks is evaluated, among others, by the retention capacity with respect to radionuclides. Safety assessments are based on the quantification of radionuclide migration lengths with numerical simulations as experiments cannot cover the required temporal (1 Ma) and spatial scales (〉100 m). Aim of the present thesis is to assess the migration of uranium, a geochemically complex radionuclide, in the potential host rock Opalinus Clay. Radionuclide migration in clay formations is governed by diffusion due to their low permeability and retarded by sorption. Both processes highly depend on pore water geochemistry and mineralogy that vary between different facies. Diffusion is quantified with the single-component (SC) approach using one diffusion coefficient for all species and the process-based multi-component (MC) option. With this, each species is assigned its own diffusion coefficient and the interaction with the diffuse double layer is taken into account. Sorption is integrated via a bottom-up approach using mechanistic surface complexation models and cation exchange. Therefore, reactive transport simulations are conducted with the geochemical code PHREEQC to quantify uranium migration, i.e. diffusion and sorption, as a function of mineralogical and geochemical heterogeneities on the host rock scale. Sorption processes are facies dependent. Migration lengths vary between the Opalinus Clay facies by up to 10 m. Thereby, the geochemistry of the pore water, in particular the partial pressure of carbon dioxide (pCO2), is more decisive for the sorption capacity than the amount of clay minerals. Nevertheless, higher clay mineral quantities compensate geochemical variations. Consequently, sorption processes must be quantified as a function of pore water geochemistry in contact with the mineral assemblage. Uranium diffusion in the Opalinus Clay is facies independent. Speciation is dominated by aqueous ternary complexes of U(VI) with calcium and carbonate. Differences in the migration lengths between SC and MC diffusion are with +/-5 m negligible. Further, the application of the MC approach highly depends on the quality and availability of the underlying data. Therefore, diffusion processes can be adequately quantified with the SC approach using experimentally determined diffusion coefficients. The hydrogeological system governs pore water geochemistry within the formation rather than the mineralogy. Diffusive exchange with the adjacent aquifers established geochemical gradients over geological time scales that can enhance migration by up to 25 m. Consequently, uranium sorption processes must be quantified following the identified priority: pCO2 〉 hydrogeology 〉 mineralogy. The presented research provides a workflow and orientation for other potential disposal sites with similar pore water geochemistry due to the identified mechanisms and dependencies. With a maximum migration length of 70 m, the retention capacity of the Opalinus Clay with respect to uranium is sufficient to fulfill the German legal minimum requirement of a thickness of at least 100 m.

Description: Ziel der Dissertation ist es, die Migration des geochemisch komplexen Radionuklids Uran im potenziellen Wirtsgestein Opalinuston zu bewerten. In Tonformationen wird die Radionuklidmigration aufgrund der geringen Durchlässigkeit von Diffusion bestimmt und durch Sorption verzögert. Beide Prozesse hängen stark von der Porenwassergeochemie und Mineralogie ab, die zwischen verschiedenen Fazies variieren. Die Diffusion wird mit dem Einkomponenten- (SC) und Mehrkomponentenansatz (MC) quantifiziert. Nach dem SC-Ansatz wird ein Diffusionskoeffizient für alle Spezies verwendet, wohingegen mit der MC-Option individuelle Werte zugewiesen und die Interaktion mit der diffusen Doppelschicht berücksichtigt wird. Die Sorption ist mit Hilfe mechanistischer Oberflächenkomplexierungsmodelle und Kationenaustausch integriert. Die Durchführung reaktiver Transportsimulationen mit dem Code PHREEQC ermöglicht die Quantifizierung der Uranmigration, d. h. Diffusion und Sorption, in Abhängigkeit der Mineralogie und Porenwassergeochemie für die Wirtsgesteinsskala. Sorptionsprozesse sind faziesabhängig. Die Migrationslängen variieren um bis zu 10 m zwischen den Fazies aufgrund von Unterschieden in der Porenwassergeochemie. Dabei ist insbesondere der Partialdruck des Kohlendioxids (pCO2) entscheidender für die Sorptionskapazität als die Menge an Tonmineralen. Allerdings kompensieren höhere Tonmineralmengen geochemische Schwankungen. Folglich müssen Sorptionsprozesse in Abhängigkeit der Porenwassergeochemie quantifiziert werden. Urandiffusion ist faziesunabhängig. Die Speziation wird durch aquatische ternäre Komplexe von U(VI) mit Kalzium und Karbonat dominiert. Die Unterschiede in den Migrationslängen zwischen SC- und MC-Diffusion sind mit +/-5 m vernachlässigbar. Die Anwendung des MC-Ansatzes hängt stark von der Qualität und Verfügbarkeit der zugrunde liegenden Daten ab. Diffusionsprozesse können also mit dem SC-Ansatz unter Verwendung experimentell ermittelter Diffusionskoeffizienten quantifiziert werden. Haupteinflussfaktor auf die Porenwassergeochemie ist das hydrogeologische System und nicht die Mineralogie. Der diffusive Austausch mit den angrenzenden Aquiferen hat über geologische Zeiträume geochemische Gradienten geschaffen, die die Migration um bis zu 25 m verlängern können. Folglich müssen Sorptionsprozesse nach der identifizierten Priorität quantifiziert werden: pCO2 〉 Hydrogeologie 〉 Mineralogie. Die ermittelten Abhängigkeiten dienen als Orientierung für andere potenzielle Endlagerstandorte mit ähnlicher Porenwassergeochemie. Mit einer maximalen Migration von 70 m reicht das Rückhaltevermögen des Opalinustons gegenüber Uran aus, um die deutsche gesetzliche Mindestanforderung von 100 m Mächtigkeit zu erfüllen.

Description: Methane is an important greenhouse gas contributing to global climate change. Natural environments and restored wetlands contribute a large proportion to the global methane budget. Methanogenic archaea (methanogens) and methane oxidizing bacteria (methanotrophs), the biogenic producers and consumers of methane, play key roles in the methane cycle in those environments. A large number of studies revealed the distribution, diversity and composition of these microorganisms in individual habitats. However, uncertainties exist in predicting the response and feedback of methane-cycling microorganisms to future climate changes and related environmental changes due to the limited spatial scales considered so far, and due to a poor recognition of the biogeography of these important microorganisms combining global and local scales. With the aim of improving our understanding about whether and how methane-cycling microbial communities will be affected by a series of dynamic environmental factors in response to climate change, this PhD thesis investigates the biogeographic patterns of methane-cycling communities, and the driving factors which define these patterns at different spatial scales. At the global scale, a meta-analysis was performed by implementing 94 globally distributed public datasets together with environmental data from various natural environments including soils, lake sediments, estuaries, marine sediments, hydrothermal sediments and mud volcanos. In combination with a global biogeographic map of methanogenic archaea from multiple natural environments, this thesis revealed that biogeographic patterns of methanogens exist. The terrestrial habitats showed higher alpha diversities than marine environments. Methanoculleus and Methanosaeta (Methanothrix) are the most frequently detected taxa in marine habitats, while Methanoregula prevails in terrestrial habitats. Estuary ecosystems, the transition zones between marine and terrestrial/limnic ecosystems, have the highest methanogenic richness but comparably low methane emission rates. At the local scale, this study compared two rewetted fens with known high methane emissions in northeastern Germany, a coastal brackish fen (Hütelmoor) and a freshwater riparian fen (Polder Zarnekow). Consistent with different geochemical conditions and land-use history, the two rewetted fens exhibit dissimilar methanogenic and, especially, methanotrophic community compositions. The methanotrophic community was generally under-represented among the prokaryotic communities and both fens show similarly low ratios of methanotrophic to methanogenic abundances. Since few studies have characterized methane-cycling microorganisms in rewetted fens, this study provides first evidence that the rapid and well re-established methanogenic community in combination with the low and incomplete re-establishment of the methanotrophic community after rewetting contributes to elevated sustained methane fluxes following rewetting. Finally, this thesis demonstrates that dispersal limitation only slightly regulates the biogeographic distribution patterns of methanogenic microorganisms in natural environments and restored wetlands. Instead, their existence, adaption and establishment are more associated with the selective pressures under different environmental conditions. Salinity, pH and temperature are identified as the most important factors in shaping microbial community structure at different spatial scales (global versus terrestrial environments). Predicted changes in climate, such as increasing temperature, changes in precipitation patterns and increasing frequency of flooding events, are likely to induce a series of environmental alterations, which will either directly or indirectly affect the driving environmental forces of methanogenic communities, leading to changes in their community composition and thus potentially also in methane emission patterns in the future.…

Description: Methan ist ein wichtiges Treibhausgas, das zum globalen Klimawandel beiträgt. Bedeutend für das globale Methanbudget sind unter anderem natürliche und wiedervernäßte Moore. Methanogene Archaeen (Methanogene) und Methan-oxidierende Bakterien (Methanotrophe) sind die biogenen Produzenten und Konsumenten von Methan. Daher nehmen sie global, und speziell in Mooren, eine Schlüsselrolle für das Methanbudget ein. Eine Vielzahl von Studien hat die Verteilung, Vielfalt und Zusammensetzung dieser Mikroorganismen in einzelnen Lebensräumen untersucht. Es bestehen jedoch Unsicherheiten in der Vorhersage, wie sie auf den globalen Wandel und auf die damit verbundenen Umweltveränderungen reagieren werden. Diese Unsicherheiten basieren unter anderem auf bislang fehlenden biogeographischen Untersuchungen, die globale und lokale Skalen kombinieren, und auf einem unzureichenden Verständnis dazu, ob und welche Umweltfaktoren speziell methanogene Gemeinschaften beeinflussen. Zudem gibt es trotz der Bedeutung von Projekten zur Moorwiedervernässung für das regionale und globale Treibhausgasbudget nahezu keine Untersuchungen zur Zusammensetzung und Verbreitung von methanogenen und methanotrophen Gemeinschaften in degradierten wiedervernäßten, eutrophen Niedermooren. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, unser Verständnis zur Reaktion der am Methanbudget beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften auf den globalen Wandel und auf die damit einhergehenden Umweltänderungen zu verbessern. Die Arbeit untersucht daher zum einen die biogeographischen Muster methanogener Gemeinschaften und die ihnen zugrunde liegenden Umweltfaktoren auf verschiedenen räumlichen Skalen. Auf globaler Ebene wurde eine Meta-Analyse durchgeführt, die auf 94 global verteilten, öffentlichen Sequenzdatensätzen sowie den dazugehörigen Umweltdaten aus verschiedenen natürlichen Ökosystemen basiert. Hierzu gehören Böden, Seesedimente, Ästuare, marine Sedimente, hydrothermale Sedimente und Schlammvulkane. In Kombination mit einer globalen biogeographischen Karte zur Verbreitung methanogener Archaeen konnte diese Arbeit zeigen, dass biogeographische Muster von Methanogenen existieren. Terrestrische Ökosysteme zeigen zudem eine höhere Diversität als marine Ökosysteme. Ästuare, Übergangszonen zwischen marinen und terrestrischen/ limnischen Ökosystemen, weisen die größte methanogene Diversität bei jedoch vergleichsweise geringen Methanemissionen auf. Methanoculleus und Methanosaeta (Methanothrix) sind die am häufigsten nachgewiesenen Taxa in marinen Lebensräumen, während Methanoregula in terrestrischen Ökosystemen dominiert. Auf lokaler Ebene wurden in dieser Arbeit zwei wiedervernässte, eutrophe Niedermoore im Nordosten Deutschlands verglichen, das von der Ostsee beeinflusste „Hütelmoor“ und das Durchströmungsmoor „Polder Zarnekow“. Beide Moore sind durch hohe Methanemissionen infolge der Wiedervernässung charakterisiert. Einhergehend mit unterschiedlichen geochemischen Bedingungen und unterschiedlicher Nutzungshistorie weisen diese beiden wiedervernässten Standorte in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche methanogene und methanotrophe Gemeinschaften auf lokaler Ebene auf. Zudem ist die Gruppe der Methanotrophen innerhalb der prokaryotischen Gemeinschaften jeweils unterrepräsentiert und beide Moore zeigen ein vergleichbar niedriges Verhältnis von Methanotrophen im Vergleich zu Methanogenen. Diese Arbeit liefert erste Hinweise darauf, dass die schnelle und erfolgreiche Wiederbesiedlung durch Methanogene in Kombination mit einer offenbar schlecht etablierten methanotrophen Gemeinschaft zu den erhöhten Methanflüssen in beiden Mooren nach Wiedervernässung beiträgt. Abschließend zeigt diese Arbeit, dass eine eingeschränkte Migration („dispersal limitation“) die biogeographischen Verteilungsmuster von Methanogenen in natürlichen Ökosystemen kaum beeinflusst. Stattdessen werden Vorkommen und Anpassung von methanogenen Gemeinschaften vor allem durch den selektiven Druck verschiedener Umweltbedingungen reguliert. Die Umweltparameter Salzgehalt, pH-Wert und Temperatur wurden dabei als wichtigste Faktoren identifiziert, die die Verbreitung methanogener Gemeinschaften global bzw. speziell in terrestrischen Standorten beeinflussen. Es ist daher wahrscheinlich, dass prognostizierte Klimaveränderungen wie steigende Temperatur, Änderungen der Niederschlagsmuster und zunehmende Häufigkeit von Überschwemmungsereignissen zu Änderungen in der Zusammensetzung methanogener Gemeinschaften führen, die möglicherweise auch die Methanemissionsmuster beeinflussen werden.…

Description: The Arctic region is especially impacted by global warming as temperatures in high latitude regions have increased and are predicted to further rise at levels above the global average. This is crucial to Arctic soils and the shallow shelves of the Arctic Ocean as they are underlain by permafrost. Perennially frozen ground is a habitat for a large number and great diversity of viable microorganisms, which can remain active even under freezing conditions. Warming and thawing of permafrost makes trapped soil organic carbon more accessible to microorganisms. They can transform it to the greenhouse gases carbon dioxide, methane and nitrous oxide. On the other hand, it is assumed that thawing of the frozen ground stimulates microbial activity and carbon turnover. This can lead to a positive feedback loop of warming and greenhouse gas release. Submarine permafrost covers most areas of the Siberian Arctic Shelf and contains a large though unquantified carbon pool. However, submarine permafrost is not only affected by changes in the thermal regime but by drastic changes in the geochemical composition as it formed under terrestrial conditions and was inundated by Holocene sea level rise and coastal erosion. Seawater infiltration into permafrost sediments resulted in an increase of the pore water salinity and, thus, in thawing of permafrost in the upper sediment layers even at subzero temperatures. The permafrost below, which was not affected by seawater, remained ice-bonded, but warmed through seawater heat fluxes. The objective of this thesis was to study microbial communities in submarine permafrost with a focus on their response to seawater influence and long-term warming using a combined approach of molecular biological and physicochemical analyses. The microbial abundance, community composition and structure as well as the diversity were investigated in drill cores from two locations in the Laptev Sea, which were subjected to submarine conditions for centuries to millennia. The microbial abundance was measured through total cell counts and copy numbers of the 16S rRNA gene and of functional genes. The latter comprised genes which are indicative for methane production (mcrA) and sulfate reduction (dsrB). The microbial community was characterized by high-throughput-sequencing of the 16S rRNA gene. Physicochemical analyses included the determination of the pore water geochemical and stable isotopic composition, which were used to describe the degree of seawater influence. One major outcome of the thesis is that the submarine permafrost stratified into different so-called pore water units centuries as well as millennia after inundation: (i) sediments that were mixed with seafloor sediments, (ii) sediments that were infiltrated with seawater, and (iii) sediments that were unaffected by seawater. This stratification was reflected in the submarine permafrost microbial community composition only millennia after inundation but not on time-scales of centuries. Changes in the community composition as well as abundance were used as a measure for microbial activity and the microbial response to changing thermal and geochemical conditions. The results were discussed in the context of permafrost temperature, pore water composition, paleo-climatic proxies and sediment age. The combination of permafrost warming and increasing salinity as well as permafrost warming alone resulted in a disturbance of the microbial communities at least on time-scales of centuries. This was expressed by a loss of microbial abundance and bacterial diversity. At the same time, the bacterial community of seawater unaffected but warmed permafrost was mainly determined by environmental and climatic conditions at the time of sediment deposition. A stimulating effect of warming was observed only in seawater unaffected permafrost after millennia-scale inundation, visible through increased microbial abundance and reduced amounts of substrate. Despite submarine exposure for centuries to millennia, the community of bacteria in submarine permafrost still generally resembled the community of terrestrial permafrost. It was dominated by phyla like Actinobacteria, Chloroflexi, Firmicutes, Gemmatimonadetes and Proteobacteria, which can be active under freezing conditions. Moreover, the archaeal communities of both study sites were found to harbor high abundances of marine and terrestrial anaerobic methane oxidizing archaea (ANME). Results also suggested ANME populations to be active under in situ conditions at subzero temperatures. Modeling showed that potential anaerobic oxidation of methane (AOM) could mitigate the release of almost all stored or microbially produced methane from thawing submarine permafrost. Based on the findings presented in this thesis, permafrost warming and thawing under submarine conditions as well as permafrost warming without thaw are supposed to have marginal effects on the microbial abundance and community composition, and therefore likely also on carbon mobilization and the formation of methane. Thawing under submarine conditions even stimulates AOM and thus mitigates the release of methane.

Description: Die globale Erwärmung beeinträchtigt die Arktische Region besonders stark. Im Vergleich zum globalen Mittel sind die Temperaturen in den hohen Breitengraden am stärksten gestiegen und werden voraussichtlich auch weiterhin am stärksten ansteigen. Das ist äußerst kritisch, da arktische Böden und die flachen Schelfgebiete des Arktischen Ozeans von Permafrost geprägt sind. Dieser mehrjährig gefrorene Boden ist ein Habitat für eine große Anzahl und Diversität von Mikroorganismen, die lebensfähig sind und auch unter gefrorenen Bedingungen aktiv sein können. Einerseits machen eine Erwärmung und das Tauen des Permafrosts gespeicherten organischen Kohlenstoff zugänglicher für die Mikroorganismen. Diese können den Kohlenstoff in die Treibhausgase Kohlenstoffdioxid, Methan und Distickstoffoxid umwandeln. Andererseits stimuliert das Tauen des gefrorenen Bodens die mikrobielle Aktivität und den Kohlenstoffumsatz. Das kann zu einem sich verstärkenden Rückkopplungsprozess aus Erwärmung und Freisetzung von Treibhausgasen führen. Submariner Permafrost umfasst den größten Teil des Ostsibirischen Arktisschelfs und enthält ein großes, wenn auch nicht quantifiziertes Kohlenstoffreservoir. Der submarine Permafrost wird jedoch nicht nur durch Veränderungen des Wärmehaushalts beeinflusst, sondern auch durch drastische Veränderungen in der geochemischen Zusammensetzung. Durch den holozänen Meeresspiegelanstieg und durch Küstenerosion wurde der unter terrestrischen Bedingungen gebildete Permafrost überflutet. Ein Eindringen von Meerwasser führte in den Permafrostsedimenten zu einem Anstieg der Porenwasser-Salinität und dadurch zum Tauen des Permafrosts in den oberen Schichten, sogar bei Temperaturen unter 0 °C. Tiefer liegende Permafrostsedimente, die (noch) nicht vom Meerwasser beeinflusst wurden, blieben eis-gebunden, aber begannen sich durch den Wärmestrom des Meerwassers zu erwärmen. Das Ziel dieser Dissertation war es, die mikrobiellen Gemeinschaften in submarinem Permafrost zu untersuchen. Der Fokus lag dabei auf der Reaktion der Gemeinschaften auf den Einfluss des Meerwassers und die Langzeiterwärmung. Die Arbeit nutzt dafür einen kombinierten Ansatz aus molekularbiologischen und physikochemischen Analysen. Die mikrobielle Abundanz, Gemeinschaftszusammensetzung und -struktur sowie die Diversität wurden in Sedimentbohrkernen zweier Standorte in der Laptew See untersucht, welche seit Jahrhunderten bis Jahrtausenden submarinen Bedingungen ausgesetzt waren. Die mikrobielle Abundanz wurde mit Hilfe von Zellzahlen und Kopienzahlen des 16S rRNA Gens sowie funktioneller Gene bestimmt, die kennzeichnend für die Methanproduktion (mcrA) und Sulfatreduktion (dsrB) sind. Die mikrobielle Gemeinschaft wurde mit Hilfe der Hochdurchsatz-Sequenzierung des 16S rRNA Gens charakterisiert. Physikochemische Analysen beinhalteten die Untersuchung der geochemischen Zusammensetzung der Porenwassers und der stabilen Wasserisotopen. Beide Zusammensetzungen wurden genutzt, um den Grad des Meerwassereinflusses auf die Permafrostsedimente zu beschreiben. Ein Hauptergebnis der Arbeit ist, dass sich submariner Permafrost sowohl nach Jahrhunderten als auch nach Jahrtausenden der Überflutung in verschiedene Schichten, sogenannte Porenwassereinheiten, unterteilen lässt: (i) Sedimente, die sich mit dem Meeresboden vermischt haben, (ii) Sedimente, die vom Meerwasser infiltriert wurden und (iii) Sedimente, die vom Meerwasser unbeeinflusst sind. Diese Schichtenbildung spiegelt sich erst nach jahrtausendelanger Überflutung auch in der mikrobiellen Gemeinschaftszusammensetzung wider, nicht jedoch nach Jahrhunderten. Änderungen sowohl in der Gemeinschaftszusammensetzung als auch in der Abundanz wurden als Maß für mikrobielle Aktivität und die mikrobielle Reaktion auf die sich ändernden thermischen und geochemischen Bedingungen genutzt. Die Ergebnisse wurden im Kontext von Permafrosttemperatur, Porenwasserzusammensetzung, paleoklimatischen Proxys und dem Sedimentalter diskutiert. Die Kombination aus Permafrosterwärmung und steigender Salinität, sowie die Permafrosterwärmung allein, resultierten auf Zeitskalen von Jahrhunderten in einer Störung der mikrobiellen Gemeinschaft. Dies drückte sich durch einen Verlust der mikrobiellen Abundanz und der bakteriellen Diversität aus. Gleichzeitig wurde die bakterielle Gemeinschaft im vom Meerwasser unbeeinflussten, aber erwärmten Permafrost hauptsächlich durch die Umweltbedingungen und das Klima zur Zeit der Sedimentablagerung geprägt. Ein stimulierender Einfluss der Erwärmung konnte im vom Meerwasser unbeeinflussten Permafrost erst nach jahrtausendelanger Überflutung beobachtet werden. Dies wurde durch einen Anstieg in der mikrobiellen Abundanz und einer Abnahme der organischen Substrate sichtbar. Obwohl die bakteriellen Gemeinschaften des Permafrostes submarinen Bedingungen für Jahrhunderte bis Jahrtausende ausgesetzt waren, unterschieden sie sich kaum von den Gemeinschaften im terrestrischen Permafrost. Die Gemeinschaft des submarinen Permafrosts wurde von Phyla wie Actinobacteria, Chloroflexi, Firmicutes, Gemmatimonadetes und Proteobacteria dominiert, welche auch unter gefrorenen Bedingungen aktiv sein können. Darüber hinaus enthielten die archaellen Gemeinschaften an beiden Standorten eine hohe Anzahl von marinen und terrestrischen anaerob methan-oxidierenden Archaeen (ANME), bei denen eine Aktivität unter in situ Bedingungen bei Minusgraden angenommen wird. Eine Modellierung zeigte, dass die anaerobe Oxidation von Methan (AOM) potenziell fast die gesamte Menge des gespeicherten und mikrobiell produzierten Methans in tauendem submarinem Permafrost reduzieren könnte. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass das Tauen von Permafrost unter submarinen Bedingungen sowie eine Erwärmung ohne Tauen marginale Effekte auf die Abundanz und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften und somit wahrscheinlich auch auf die Mobilisierung von Kohlenstoff in Form von Methan hat. Das Tauen unter submarinen Bedingungen stimuliert sogar AOM und reduziert somit den Ausstoß von Methan.