ALBERT

Description: Many geoscientific measurements exhibit significant variability induced by ocean tides that can, if uncorrected, degrade the quality of observations. Thus, tidal variability is usually reduced on the observation level with the help of background models. The barotropic ocean tide model TiME has been refined to improve this correction process. Major upgrades include updating the bathymetric data, improving the energy dissipation mechanisms, and including the effect of self-attraction of the ocean water and its loading on the solid Earth. These refinements allowed reducing the open ocean root-mean-square deviation from geodetic data by over 70% for the main lunar M2 tide, corresponding to an accuracy on the 80%-level with respect to the mean signal. The model operates independently of empirical satellite altimetry data, so this high relative accuracy also extends to partial tides with minor amplitude, where altimetry-constrained models are less accurate. TiME’s forcing module was augmented by degree-3 spherical harmonic functions and barometric and wind stress acceleration induced by the atmosphere, which enabled the simulation of additional tidal subgroups at the same accuracy level. For degree-3 tides, it could be shown that their gravimetric fingerprints on the level of only 100 pm/s2 can be identified in superconducting gravimeters and agree with the modelling results. This level is close to the threshold of gravimetric detectability and emphasizes TiME’s accuracy for the smallest tidal signals. As a result of these simulations, the TiME22 ocean tide atlas, which comprises 57 partial ocean tides, has been compiled and is provided in Stokes coefficients for terrestrial and satellite gravimetric applications. Many minor ocean tides from this collection are not included in data-constrained ocean tide atlases. Therefore, they are usually only linearly estimated or completely neglected for gravimetric applications. It is shown for several cases that TiME22 minor tide solutions can improve the accuracy of the tidal correction for geodetic techniques, including satellite and terrestrial gravimetry. More precisely, the model validation conducted within this thesis recommends the utilization of hybrid tidal atlases comprised of altimetry data-constrained ocean tide models for large-signal tides and unconstrained solutions, such as TiME22, for minor tides. The results confirm that purely hydrodynamic ocean tide models can reliably predict tidal variability in cases where empirical data is so sparse or of such low precision that tidal solutions cannot be adequately constrained. This line of argumentation extends to paleo-ocean tides, where direct observations are impossible, and information can only be extracted by archeological or geological sea-level markers. Within this thesis, TiME is employed to predict paleo tide levels, which indicate the possible height deviation of sea-level markers from the mean sea level at that time. Tidal levels are simulated with dense temporal sampling since the Last Glacial Maximum. The predicted levels (e.g., the mean high water) compare well to available observations and other paleo tidal simulations and represent the first data set with truly-global coverage that allows for interpretation of paleo sea level data.

Description: Viele geowissenschaftliche Messungen weisen erhebliche gezeitenbedingte Schwankungen auf, die, wenn sie nicht korrigiert werden, die Qualität der Beobachtungen beeinträchtigen können. Daher wird die Gezeitenvariabilität in der Regel auf der Beobachtungsebene mit Hilfe von Hintergrundmodellen korrigiert. Das barotrope Gezeitenmodell TiME wurde weiterentwickelt, um diesen Korrekturprozess zu verbessern. Die wichtigsten Verbesserungen beinhalten verfeinerte Energiedissipationsmechanismen, die Aktualisierung der Bathymetrie und die Einbeziehung des Effekts der Selbstanziehung des Ozeans und dessen Auflast auf die feste Erde. Durch diese Neuerungen war es möglich, die mittlere quadratische Abweichung der gezeiteninduzierten Meeresspiegelanomalie im offenen Ozean von geodätischen Daten um über 70% für die wichtigste Mondgezeit M2 zu verringern. Dies entspricht einer Genauigkeit von 80% in Bezug auf das mittlere Gezeitensignal. Das Modell arbeitet unabhängig von empirischen Satellitenaltimetriedaten, so dass sich diese hohe relative Genauigkeit auch auf partielle Gezeiten mit geringerer Amplitude erstreckt. Das Antriebsmodul von TiME wurde durch Grad-3 Kugelflächenfunktionen und atmosphärisch induzierte Beschleunigungen ergänzt. Dadurch ist die Simulation von zusätzlichen Partialtiden mit konstanter relativer Genauigkeit möglich. Für Grad-3 Gezeiten konnte gezeigt werden, dass ihre gravimetrischen Signaturen mit einer Amplitude von nur 100 pm/s2 in supraleitenden Gravimetern identifiziert werden können und mit den Modellierungsergebnissen übereinstimmen. Dieses Signallevel liegt nahe an der Schwelle der gravimetrischen Nachweisbarkeit und stellt die Genauigkeit von TiME für die kleinsten Gezeitensignale heraus. Als Ergebnis dieser Simulationen wurde der TiME22 Gezeitenatlas erstellt, der 57 Partialtiden enthält. Dieser Atlas enthält viele kleinere Ozeangezeiten, die in datengestützten Ozeangezeitenatlanten nicht enthalten sind. Es wird für mehrere Fälle gezeigt, dass TiME22-Lösungen für kleinere Gezeiten die Gezeitenkorrektur geodätischer Prozesse, einschließlich Satelliten- und terrestrischer Gravimetrie, verbessern können. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse, dass rein hydrodynamische Gezeitenmodelle die Gezeitenvariabilität in Fällen zuverlässig vorhersagen können, in denen Beobachtungen so rar oder von so geringer Genauigkeit sind, dass keine präzise empirische Vorhersage möglich ist. Diese Argumentation erstreckt sich auch auf die Gezeiten im Paläo-Ozean, wo direkte Beobachtungen unmöglich sind und Informationen nur durch archäologische oder geologische Meeresspiegelmarker gewonnen werden können. TiME wird im Rahmen dieser Arbeit zur Vorhersage von Paläo-Gezeitenpegeln eingesetzt, die die Höhenabweichung von Meeresspiegelmarkern vom damaligen mittleren Meeresspiegel angeben. Die Gezeitenpegel wurden in engem zeitlichen Raster seit dem letzten glazialen Maximum simuliert. Die Ergebnisse stimmen gut mit den verfügbaren Beobachtungen und anderen Paläo-Gezeitensimulationen überein und liefern den ersten derartigen Datensatz mit globaler Abdeckung. Dieser ermöglicht die Interpretation von Meeresspiegelmarkern und kann für Paläo-Meeresspiegelstudien verwendet werden.

Description: The current western margin of the South American continent is an active subduction orogeny, which is famous for the ’Andean-type’ subduction. The Andes orogeny extends more than 6000 km along the margin. The Central Andes is governed by plateau-style deformation and the subduction of the Nazca plate below Chile and western Argentina, which has caused drastic crustal shortening and thickening, magmatism and periodical back-arc lithosphere and lower crust delamination. The deformation is also influenced by the periodical dip angle variations of the Nazca plate. However, the interaction zone between the overriding plate and the subducting Nazca slab is still enigmatic. In my dissertation, I use earthquake multi-scale full waveform inversion (FWI) to image the crust and upper mantle structure providing new robust images to resolve the interactions between the slab and the Central Andean plateau. First, I performed FWI using 117 earthquakes to investigate the seismic structure for the northern Central Andes which cover the normal-dip subduction zone from southern Peru to central Chile, proceeding from long period data (40–80 s) over several steps down to 12–60 s. In this study, the subducting Nazca slab is clearly imaged in the upper mantle, with dip-angle variations from the north to the south. Bands of low velocities in the crust and mantle wedge indicate intense crustal partial melting and hydration of the mantle wedge beneath the frontal volcanic arc, respectively. They are also linked to the vigorous dehydration from the subducting Nazca plate and intermediate-depth seismicity within the slab. These low-velocity bands are interrupted at 19.8 –21 S, both in the crust and uppermost mantle with an absence of active volcanoes, hinting at the lower extent of crustal partial melting and hydration of the mantle wedge, associated with the weak dehydration from the Nazca plate. The variation of lithospheric high-velocity anomalies below the backarc from north to south allows insight into the evolutionary foundering stages of the Central Andes. An extended high-velocity layer at lithospheric depths beneath the southern Altiplano suggests underthrusting of the leading edge of the Brazilian Shield following the removal of the autochthonous lithosphere. In contrast, a steeply westward dipping high-velocity block and low-velocity lithospheric uppermost mantle beneath the southern Puna plateau hints at the ongoing lithospheric delamination. Second, I took advantage of 134 events to perform FWI and started from even longer period data 60- 120 s to 12-100 s. In this study, a new seismic velocity model for the southern Central Andes is derived, covering the Pampean flat and adjacent Payenia steep subduction segments. Strong focused crustal low-velocity anomalies indicate partial melts in the Payenia segment along the volcanic arc, whereas weaker low-velocity anomalies covering a wide zone in Pampean possibly indicate remnant melts in the past. Thinning and tearing of the flat Nazca slab below the Pampean is inferred by gaps in the high-velocity slab along the inland projection of the Juan-Fernandez-Ridge. A high-velocity anomaly in the upper mantle below the flat slab is interpreted as a relic Nazca slab segment, which indicates an earlier slab break-off during the flattening process, triggered by the buoyancy of the Juan-Fernandez-Ridge. In Payenia, large-scale low-velocity anomalies atop and below the re-steepened Nazca slab are associated with the re-opening of the mantle wedge and sub-slab asthenospheric flow, respectively.

Description: The Critical Zone (CZ) is the thin, near-surface zone of terrestrial Earth, extending from the canopy of trees to the groundwater table. Within this system, coupled chemical, biological, physical, and geological processes operate together to support life at the Earth's surface. A major consideration in Critical Zone research is quantitatively predicting mass transfer fluxes between different compartments like soil, bedrock, water and biomass, and evaluating the influence of environmental forces on mass transfer. Elements (e.g., Li, Mg, Ca, Sr) concentrations and their isotopes have been widely employed to quantify mass transfer. Critical Zone processes, including primary mineral dissolution, secondary mineral formation, adsorption/desorption, biological recycling, are generally associated with different fractionation factors for a specific isotopic system. Therefore, measured isotope ratios along with concentrations could fingerprint the reaction pathways and magnitude of Critical Zone processes. In this study, I have chosen the stable isotopes of Lithium (Li) and Magnesium (Mg) isotope tools to investigate Critical Zone processes. Mg and Li constitute nutritive and non-nutritive elements, respectively, Conventwald (the Black Forest, south Germany) was chosen as the research site as this site has been intensively monitored. By comprehensive sampling (including plant tissues, soil, bedrock, saprolite,subsurface flow, groundwater, creek water and wet precipitation samples), Critical Zone processes encompassing different time scales were investigated, e.g. how rock was converted into soil, how water chemistry evolves from precipitation to runoff and how biomass recycle nutritive elements. In addition, effort was made to balance Li, Mg isotope budgets at the catchment scale. The Mg isotopic composition (the 26Mg/24Mg ratio expressed as δ26Mg in permil) is similar between soil and regolith samples, and is higher than that of bedrock. This was attributed to preferential dissolution of amphibole and formation of secondary minerals during pedogenesis. Mg hosted in neoformed secondary minerals accounts for ~ 50% of total Mg in the soil as calculated by mass balance. Water samples did not show seasonal variability, despite large variation in dissolved Mg concentration. Subsurface flow samples have similar δ26Mg values to the regolith exchangeable fraction at the respective sampling depths. Groundwater and creek water also show δ26Mg values that are identical to those of the exchangeable fraction in the deep regolith. I suggest that cation-exchange processes in the regolith buffer δ26Mg of creek water at our study site. To further explore this hypothesis, adsorption and desorption experiments using soil samples from our study site were carried out. The results showed negligible Mg isotope fractionation during adsorption-desorption, supporting our hypothesis that water δ26Mg is in equilibrium of corresponding exchangeable δ26Mg in this study site. The large pool of Mg in the exchangeable fraction of the deep regolith (〉3 m) is isotopically light and presents most likely the Mg residue in soil water that entered the exchangeable pool after secondary mineral II formation - a process which often favours heavy Mg isotopes. The exchangeable fraction in the shallow regolith (0-3 m depth) shows a strong imprint of biological cycling. Plant uptake of Mg starts from ~3m, which drives the exchangeable δ26Mg more negative towards the surface, but super-imposed on this the plant-recycled isotopically-heavy Mg is returned to the soil, enriching the exchangeable fraction of the top ~1.5m of soil in heavy Mg isotopes. Mg isotopes thus provide an exact depth image of the geogenic (weathering) and the organic (bio-cycled) nutrient cycle. At the catchment scale, dissolved Mg exported by creek water relative to the total export of solute and particulate Mg is 41 ±11% as calculated by an isotope balance equation. Li isotopes show different behaviour in the Critical Zone as compared to Mg isotopes. Li fluxes calculation show that wet precipitation and plant uptake have negligible impact on Li cycling in the catchment. Therefore, the 7Li/6Li ratio (expressed as δ7Li in permil) is a good tracer for abiotic weathering. Both subsurface flow and creek water show seasonal variation in δ7Li, while groundwater exhibits negligible δ7Li variation. Along with measurement of bedrock, bulk regolith, clay- sized fraction, vegetation and the exchangeable fraction of regolith, I suggest that δ7Li variation in different water reservoirs indicate different chemical evolution pathways. δ7Li in shallow subsurface flow (0-15 cm) become more positive with increasing Li concentration, and a binary mixing process could be identified with two endmembers being throughfall and pre-event soil solution. During rainfall events, dilute precipitation (enriched in 6Li) flushed old, concentrated soil solution (enriched in 7Li) retained in the soil matrix, and thus a mixing pattern was seen in 1/Li-δ7Li space. Groundwater exhibits negligible δ7Li variation despite Li concentration and groundwater table fluctuations, which most likely reflects a buffering effect of deep exchangeable pool. This interpretation is similar to the one I offer to explain the invariance of δ26Mg in groundwater. The only difference is that isotope fractionation occurs during Li exchange, as groundwater is ~ 4 ‰ heavier than the corresponding exchangeable pool δ7Li, while negligible fractionation is observed for Mg isotopes. In creek water samples, δ7Li covaried with proportion of Li remaining in the solution. This fractionation could be attributed to Li incorporation or adsorption to secondary minerals during downstream transport, favouring 6Li. Surprisingly, despite the heavy δ7Li exported in dissolved form, saprolite and soil are almost isotopically identical to bedrock. A reservoir or flux enriched in 6Li is missing. Several potential factors are discussed to account for this isotope imbalance and the potential reservoir or fluxes are listed. As separated clay-sized fraction from soil is enriched in 6Li, it is likely that fine particulates that are preferentially exported by subsurface flow could be the missing flux. In summary, contrasting Mg and Li recycling regimes were observed in this research. As anticipated, Mg was more involved in biological recycling compared to Li. Primary minerals in the bedrock showed homogenous δ7Li but heterogeneous δ26Mg, III and therefore preferential dissolution of hornblende induced δ26Mg variation in the weathering regolith but not for δ7Li. The biggest difference between δ7Li and δ26Mg variation is seen in water samples: subsurface flow, groundwater and creek water showed negligible seasonal variation in δ26Mg, but this is not the case for δ7Li. I attribute the invariance of water δ26Mg to the buffering effect of exchangeable pool. By contrast, only groundwater exhibited invariant δ7Li. While this might also reflect the buffering effect of exchangeable pool, large δ7Li variability in subsurface flow and creek water requires different explanations. Two-endmember mixing and further Li incorporation into secondary minerals were put forward to explain δ7Li variation in subsurface flow and creek water respectively. For both elements, secondary mineral formation is the most important process fractionating isotopic composition of water at this study site

Description: Die kritische Zone (Englisch: Critical Zone, CZ) ist die dünne, oberflächennahe Schicht der festen Erde, die sich von den Baumwipfeln bis zum Grundwasserspiegel erstreckt. Innerhalb dieser Zone wirken gekoppelte chemische, biologische, physikalische und geologische Prozesse zusammen, und schaffen dadurch die Bedingungen für Leben auf der Erdoberfläche. In der Erforschung der kritischen Zone sind die quantitative Berechnung des Massentransportflusses zwischen den verschiedenen Komponenten Boden, Grundgestein, Wasser und Biomasse, sowie die Messung von Umwelteinflüssen auf den Massentransport wesentliche Aspekte. Zur Quantifizierung dieses Massentransports wurden häufig Elementkonzentrationen (z.B. von Li, Mg, Ca, Sr) und deren stabile Isotope eingesetzt. Grundsätzlich sind mit den Prozessen in der kritischen Zone, zu denen die Auflösung von Primärmineralen, Bildung von Sekundärmineralen, Adsorption und Desorption und biologisches Recycling gehören, verschiedene Fraktionierungsfaktoren für bestimmte stabile Isotopensysteme verbunden. Daher können die gemessenen Isotopenverhältnisse zusammen mit den Konzentrationen einen Nachweis über Reaktionswege und Ausmaßder Prozesse in der kritischen Zone liefern. In dieser Studie habe ich zur Untersuchung von Prozessen in der kritischen Zone die Systeme der stabilen Isotope von Magnesium (Mg) und Lithium (Li) ausgewählt, wobei Mg als ein Nährstoff für Pflanzen gilt, während Li kaum aufgenommen wird. Das Untersuchungsgebiet Conventwald (Schwarzwald, Süddeutschland) wurde ausgewählt, da dort bereits intensive Beobachtungen durchgeführt wurden. Eine umfassende Beprobung einschließlich Pflanzengewebe, Boden, unverwittertes Gestein, Saprolith, unterirdischer Wasserfluss, Grundwasser, Bachwasser und Niederschlagswasser ermöglicht die Untersuchung von Prozessen in der kritischen Zone. Prozesse in dieser Zone laufen auf verschiedenen Zeitskalen ab, wie beispielsweise die Umwandlung von Gestein in Boden, die Änderung der Wasserchemie vom Niederschlag zum Abfluss oder das Nährstoffrecycling der Biomasse. Zusätzlich zu diesen Untersuchungen habe ich ermittelt, ob ein Gleichgewicht der Isotopenhaushalte von Li und Mg im Einzugsgebiet besteht. Die Isotopenzusammensetzung der stabilen Isotope des Mg (das Verhältnis 26Mg/24Mg wird ausgedrückt durch δ26Mg in Promille) ist ähnelt sich in Boden- und Regolithproben aber ist höher als im unverwitterten Gestein. Dies kann auf die bevorzugte Auflösung von Amphibol und die Bildung von Sekundärmineralen während der Verwitterung zurückgeführt werden. Das in den ausgefällten Sekundärmineralen enthaltene Mg macht in der Massenbilanz etwa 50% des gesamten Mg im Boden aus. In den Wasserproben zeigen sich keine saisonalen Schwankungen, obwohl die Konzentration des gelösten Mg stark variiert. Proben aus dem Bodenwasser weisen ähnliche δ26Mg Werte wie die austauschbare Fraktion des Regoliths in den jeweiligen Beprobungstiefen auf. Im Grund- und Bachwasser sind die δ26Mg Werte ebenfalls identisch mit der austauschbaren Fraktion des tiefen Regoliths. Vermutlich puffern Kationenaustauschprozesse im Regolith das δ26Mg des Bachwassers an unserem Untersuchungsstandort. Um diese Hypothese zu untersuchen, wurden Adsorptions- und Desorptionsexperimente an Bodenproben durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine vernachlässigbare Mg Isotopenfraktionierung während Adsorption und Desorption. Das stützt unsere Hypothese, dass sich das δ26Mg des Wassers im Gleichgewicht mit dem zugehörigen austauschbaren δ26Mg befindet. Der große Mg Pool in der austauschbaren Fraktion des tiefen Regoliths (〉3 m) ist isotopisch leicht und stellt höchstwahrscheinlich die Mg Rückstände im Bodenwasser dar, die nach der Sekundärmineralbildung in den austauschbaren Pool gelangten – ein Prozess, der häufig schwere Mg Isotope bevorzugt. Die austauschbare Fraktion des flachen Regoliths (0-3 m) zeigt deutliche Spuren des biologischen Kreislaufs. In ~3 m Tiefe beginnt die Mg Aufnahme durch Pflanzen, wodurch das austauschbare δ26Mg zur Oberfläche hin negativer wird. Durch die Zurückführung von isotopisch schwerem Mg in den Boden wird dieses Signal überlagert, so dass die austauschbare Fraktion in den oberen ~1.5m des Bodens mit schweren Mg Isotopen angereichert wird. Daher liefern Mg Isotope ein exaktes Tiefenprofil des geogenen (Verwitterung) und organischen (biologisches Recycling) Nährstoffkreislaufs. In der Größenordnung des Einzugsgebiets beträgt der Export von gelöstem Mg durch das Bachwasser im Verhältnis zum Gesamtexport von gelösten und partikulärem Mg 41 ± 11%, berechnet mit einer Isotopen Massenbilanz. Die stabilen Isotope des Li Isotope zeigen ein anderes Verhalten in der kritischen Zone als Mg. Die Berechnung der Li Flüsse zeigt, dass Niederschlag und Pflanzenaufnahme einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Li Kreislauf im Einzugsgebiet haben. Daher ist das 7Li/6Li Verhältnis (ausgedrückt durch δ7Li in Promille) ein guter Indikator für abiotische Verwitterung. Der Fluss von sowohl Bodenwasser als auch Abfluss zeigt saisonale Schwankungen in δ7Li, wobei im Grundwasser die δ7Li Schwankungen vernachlässigbar sind. Zusammen mit den Messungen von Proben des unverwitterten Gesteins, Regoliths, der tongroßen Fraktion, Vegetation und der austauschbaren Fraktion des Regoliths nehmen wir an, dass die δ7Li Schwankungen in verschiedenen Wasserreservoiren unterschiedliche chemische Entwicklungswege aufzeigen. Im Bodenwasser (0-15 cm) wird δ7Li mit zunehmender Li Konzentration höher; ein binärer Mischungsprozess mit den zwei Endgliedern - Baumkronendurchlass und Bodenlösung durch Wasser von vorherigen Niederschlagsereignissen - konnte bestimmt werden. Während Niederschlagsereignissen spült verdünnter Niederschlag (angereichert in 6Li) alte, konzentrierte Bodenlösung (angereichert in 7Li), die in der Bodenmatrix gespeichert ist, aus, wodurch ein Mischungsmuster im 1/Li-δ7Li Raum zu beobachten ist. Das Grundwasser weist trotz der Li Konzentrationen und Verändergen des Grundwasserspiegels vernachlässigbare Schwankungen von δ7Li auf, die wahrscheinlich auf eine Pufferwirkung des tiefen austauschbaren Pools zurückzuführen sind. Diese Interpretation ist ähnlich zu der, die ich zur Erklärung der Invariabilität von δ26Mg im Grundwasser gebe. Der einzige Unterschied ist, dass beim Austausch die Li Isotope fraktioniert werden, da das Grundwasser ~ 4 ‰ schwerer ist als der dazugehörige austauschbare δ7Li Pool, während die Isotopenfraktionierung für Mg vernachlässigbar ist. In Proben des Bachwassers kovariiert δ7Li mit dem Li Anteil, der in Lösung verbleibt. Diese Fraktionierung kann auf den Einbau von Li oder die Adsorption an Sekundärminerale während des Abwärtsflusses zurückgeführt werden, bei dem 6Li bevorzugt wird. Überraschenderweise sind Saprolith und Boden isotopisch nahezu identisch zum unverwitterten Gestein, obwohl schweres δ7Li in der gelösten Form exportiert wird. Um das Isotopenungleichgewicht zu erklären, fehlt ein Reservoir oder Fluss, der in 6Li angereichert ist. Einige potenzielle Faktoren, die dieses Ungleichgewicht erklären können, werden erörtert und potenzielle Reservoire und Flüsse aufgelistet. Es ist wahrscheinlich, dass der bevorzugte Transport von feinen Partikeln durch den unterirdischen Wasserfluss der fehlende Fluss ist, da die abgetrennte tongroße Fraktion des Bodens in 6Li angereichter ist. In dieser Studie wurden die gegensätzlichen Recycling-Regime Mg und Li untersucht. Mg ist im Vergleich zu Li wie erwartet stärker involviert in biologisches Recycling. Primärminerale im Grundgestein wiesen ein homogenes δ7Li, aber heterogenes δ26Mg auf, daher können wir annehmen, dass die bevorzugte Auflösung von Hornblende zu Variationen in δ26Mg, aber nicht in δ7Li führt. Der größte Unterschied der δ7Li und δ26Mg Schwankungen ist in den Wasserproben sichtbar: unterirdischer Wasserfluss, Grundwasser und Bachwasser zeigten vernachlässigbare saisonale Schwankungen in δ26Mg, was aber nicht für δ7Li zutrifft. Die Invariabilität von δ26Mg im Wasser führe ich auf den Puffereffekt des austauschbaren Pools zurück. Im Gegensatz dazu weist nur Grundwasser invariables δ7Li auf. Während das ebenfalls die Pufferwirkung des austauschbaren Pools reflektieren könnte, benötigt die große Variabilität in δ7Li im tiefen Wasserfluss und Bachwasser andere Erklärungen. Als Erklärung für diese Variabilität wurde ein binärer Mischungsprozess und weiterer Einbau von Li in Sekundärminerale vorgeschlagen. Für beide Elemente ist die Sekundärmineralbildung der wichtigste Prozess, der für die Fraktionierung der Isotope in den Wassern am Untersuchungsstandort verantwortlich ist. de

Description: Water is one of the most essential substances on Earth as it occurs in all three thermodynamic phases both in the atmosphere and the surface: solid water in terms of snow and ice grains, liquid water enclosed in-between ice crystals and leaves of vegetation, and gaseous water forming the water vapor in the atmosphere. The different phases of water control large amounts of the environmental energy cycle and a quantitative mapping on a global scale is of particular importance as it provides a valuable input to climate models and helps to understand underlying processes. The three phases of water show subtle differences in absorption shape in the optical range of the solar spectrum, so that a quantitative mapping requires high-resolution measurements of solar radiation reflected from Earth's surface. The technique of imaging spectroscopy provides such measurements, but has been almost entirely applied to small local scales based on airborne sensors. However, a new generation of orbital missions, including the Italian Hyperspectral Precursor of the Application Mission (PRISMA), NASA’s Earth Surface Mineral Dust Source Investigation (EMIT), the German Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP), ESA's Copernicus Hyperspectral Imaging Mission (CHIME), and NASA’s Surface Biology and Geology (SBG) designated observable, is expected to deliver high-resolution data both on a global scale and daily basis. This requests for independently applicable retrieval algorithms including a rigorous quantification of uncertainties. In this context, this thesis presents two new spectroscopic retrieval methods to quantify the three phases of water from space, which are aligned with future instrument characteristics, adapted to an increased atmospheric path as well as to a different ground sampling distance. Both algorithms use the optimal estimation formalism that assumes Gaussian error distribution and leverages prior knowledge as well as measurement noise in an inversion scheme that also produces posterior uncertainty estimates. The first method couples atmospheric radiative transfer simulations from the MODTRAN code to a surface reflectance model based on the Beer-Lambert law. A unique coupling of the 3D Hyperspectral Simulation of Canopy Reflectance (HySimCaR) model and the EnMAP end-to-end Simulation tool (EeteS) is exploited for a sensitivity analysis of estimated vegetation liquid water content. Furthermore, the retrieved values are validated with concurrent field measurements of canopy water content. The second algorithm is based on a simultaneous retrieval of atmosphere and surface state and exploits statistical relationships between reflectance spectra and additional surface parameters to estimate their most probable quantities. Retrieved snow and ice properties are investigated based on a sensitivity analysis and validated with laboratory and field measurements from the Greenland Ice Sheet. Finally, the applicability of the proposed methods to forthcoming spaceborne imaging spectrometers is demonstrated on the example of PRISMA cryosphere observations by providing retrieval maps of surface liquid water and ice grain size as well as associated retrieval uncertainties. The results from this thesis show that spaceborne imaging spectroscopy permits improved atmospheric water vapor estimations, facilitates a prediction of vegetation drought stress and wildfire potential, and contributes to the understanding of biophysical processes on Earth’s Ice Sheets in the context of climate change. Concurrently, three key aspects have been identified to be of particular importance for globally applicable retrieval algorithms: (i) considering topographic characteristics, such as surface slope and aspect as well as sky view factor and shadow fraction, (ii) integrating directional effects depending on illumination and observation conditions, (iii) accounting for mixed pixels by determining influences from background reflectance and fractional cover. Overall, this thesis demonstrates that upcoming launches of several imaging spectroscopy missions open new perspectives in regularly monitoring and mapping atmosphere and surface properties including the three phases of water on a global scale. These maps will provide a valuable input to the modeling of biological and physical processes that help to better understand climate change and to predict and adapt to its socioeconomic consequences.

Description: Wasser ist eine der wichtigsten Substanzen auf der Erde, da es in allen drei thermodynamischen Phasen sowohl in der Atmosphäre als auch auf der Oberfläche vorkommt: festes Wasser in Form von Schnee und Eiskörnern, flüssiges Wasser zwischen Eiskristallen und als Bestandteil von Pflanzenblättern sowie gasförmiges Wasser, das den Wasserdampf in der Atmosphäre bildet. Die verschiedenen Wasserphasen steuern große Teile des ökologischen Energiekreislaufes, so dass eine quantitative Kartierung auf globaler Ebene von besonderer Bedeutung ist. Sie leistet außerdem einen wertvollen Beitrag zur Klimamodellierung und hilft, die zugrunde liegenden Prozesse besser zu verstehen. Die drei Phasen des Wassers weisen feine Unterschiede in ihrer Absorptionsform im optischen Bereich des solaren Spektrums auf, so dass eine quantitative Bestimmung hochauflösende Messungen der von der Erdoberfläche reflektierten Sonnenstrahlung erfordert. Die Technik der abbildenden Spektroskopie liefert solche Messungen, wurde aber bisher fast ausschließlich auf der Grundlage von flugzeuggestützten Sensoren auf kleinen lokalen Skalen angewandt. Eine neue Generation von Weltraummissionen, darunter die italienische Hyperspectral Precursor of the Application Mission (PRISMA), die Earth Surface Mineral Dust Source Investigation (EMIT) der NASA, das deutsche Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP), die Copernicus Hyperspectral Imaging Mission (CHIME) der ESA und das NASA Surface Biology and Geology (SBG) Observable, soll jedoch hochauflösende Daten sowohl auf globaler Ebene als auch auf täglicher Basis liefern. Dies erfordert unabhängig anwendbare Kartierungsalgorithmen einschließlich einer präzisen Quantifizierung der Unsicherheiten. In diesem Zusammenhang werden in dieser Arbeit zwei neue spektroskopische Methoden zur Quantifizierung der drei Phasen von Wasser aus dem Weltraum vorgestellt, die auf die zukünftigen Instrumentencharakteristika abgestimmt sind und sowohl an einen längeren Weg der Strahlung durch die Atmosphäre als auch an eine andere räumliche Auflösung auf dem Erdboden angepasst sind. Beide Algorithmen verwenden den Formalismus der Maximum-a-posteriori-Schätzung, der von einer Gauß'schen Fehlerverteilung ausgeht und sowohl Vorwissen als auch Messrauschen in einem Inversionsschema nutzt, das zusätzlich a posteriori Unsicherheitsschätzungen liefert. Bei der ersten Methode werden atmosphärische Strahlungstransfersimulationen aus dem MODTRAN-Code mit einem auf dem Beer-Lambert-Gesetz basierenden Oberflächenreflexionsmodell gekoppelt. Eine einzigartige Kopplung des 3D Hyperspectral Simulation of Canopy Reflectance (HySimCaR) Systems und des EnMAP end-to-end Simulationstools (EeteS) wird für eine Sensitivitätsanalyse des geschätzten Flüssigwassergehalts von Vegetation genutzt. Außerdem werden die ermittelten Werte mit gleichzeitigen Feldmessungen des Wassergehalts von Vegetationskronen validiert. Der zweite Algorithmus basiert auf der simultanen Ermittlung des Zustands von Atmosphäre und Oberfläche und nutzt statistische Beziehungen zwischen Reflexionsspektren und zusätzlichen Oberflächenparametern, um deren wahrscheinlichste Größen zu schätzen. Die ermittelten Schnee- und Eiseigenschaften werden auf der Grundlage einer Sensitivitätsanalyse untersucht und mit Labor- und Feldmessungen vom grönländischen Eisschild validiert. Abschließend wird die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Methoden auf die kommenden weltraumgestützten abbildenden Spektrometer am Beispiel von PRISMA Aufnahmen von Schnee- und Eisflächen demonstriert, indem Karten von Flüssigwasser und Eiskorngröße sowie die damit verbundenen Unsicherheiten dargestellt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die weltraumgestützte abbildende Spektroskopie verbesserte Abschätzungen des atmosphärischen Wasserdampfs ermöglicht, die Vorhersage von Pflanzenstress und Waldbrandgefahr erleichtert und zum Verständnis der biophysikalischen Prozesse auf den Eisschilden der Erde im Zusammenhang mit dem Klimawandel beiträgt. Gleichzeitig werden drei Schlüsselaspekte identifiziert, die für global anwendbare Kartierungsalgorithmen von besonderer Bedeutung sind: (i) die Berücksichtigung topographischer Merkmale, wie z.B. Oberflächenneigung und -aspekt sowie Himmelslichtquotient und Schattenanteil, (ii) die Integration von Richtungseffekten in Abhängigkeit von Beleuchtungs- und Beobachtungsbedingungen, (iii) die Berücksichtigung von Mischpixeln durch die Bestimmung von Einflüssen der Hintergrundreflexion und des Bedeckungsgrades. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass die bevorstehenden Starts mehrerer abbildender Spektroskopiemissionen neue Perspektiven für die regelmäßige Überwachung und Kartierung von Atmosphären- und Oberflächeneigenschaften, einschließlich der drei Phasen des Wassers, auf globaler Ebene eröffnen. Diese Karten werden einen wertvollen Beitrag zur Modellierung biologischer und physikalischer Prozesse leisten, die zu einem besseren Verständnis des Klimawandels und zur Vorhersage und Anpassung an seine sozioökonomischen Folgen beiträgt. de

Description: Motional induction describes the induction of electric currents through charged particles moving perpendicular to an ambient magnetic field. A well-known device that uses motional induction to induce electric currents is the bicycle dynamo. The induction of electric currents in the ocean due to the motion of saltwater within the ambient geomagnetic field is, by contrast, lesser-known; this phenomenon is called the ocean-dynamo effect which indicates the similarity of both phenomena. The electromagnetic field signals emitted by ocean-dynamo induced electric currents are primarily sensitive to three factors: 1. the number of moving charged particles, 2. the magnetic field strength of the ambient field, and 3. the velocity with which the particles move perpendicular to said magnetic field. The amount of electrically charged particles in the seawater, a saline solution, is measured with the electrical seawater conductivity σ. σ is determined by the saline solution's chemical equilibrium, which in return is predominantly defined by the physical properties of seawater temperature and salinity. Thus, changes in the spatial distribution of seawater temperature and salinity cause changes in the spatial distribution of electrical seawater conductivity, which in return affect the ocean-dynamo signals. In theory, ocean-dynamo signals are therefore suitable for ocean observation applications. Out of all ocean-induced electromagnetic signals, signals induced by ocean tides play a unique role. The signatures of the periodic tidal flow are the only ocean-dynamo signals that have been successfully observed in magnetometer observations, space-borne and land-based. In addition to the proven measurability, the signals are also modelled with sufficient accuracy so that, on a global scale, observed tidal ocean-dynamo signatures agree well with model predictions. These two preconditions allow for an investigation of the relationship between ocean dynamics and tidal ocean-dynamo signals, a much-needed advancement towards practical ocean observation applications. In the past, sensitivity studies of tidal ocean-dynamo signals have focused mainly on changes on long time scales. By contrast, the present cumulative thesis examines the influence of ocean dynamics on tidal ocean-dynamo signals on short and intermediate time scales. In particular, it investigates the mechanisms and effects of ocean dynamics and recent seawater temperature and salinity changes on tidal ocean-dynamo signals. Furthermore, it investigates the detectability and measurability of short-term variations of said signals in magnetometer observations. Out of the presented three research studies, the first is a model-based characterization of tidal ocean-dynamo amplitude variations attributed to the El Niño/Southern Oscillation (ENSO). The study shows that tidal ocean-dynamo signal changes precede the onset of warm and cold ENSO phases and attributes these findings to the underlying oceanic processes. Furthermore, the study provides an assessment of the measurability of ENSO-induced tidal ocean-dynamo amplitude variations. The second study covers a time series analysis of modeled tidal ocean-dynamo amplitudes on a global scale. Here, the amplitudes were modeled based on existing oceanic seawater temperature and salinity observations. Based on the analysis of the underlying in-situ data, the study assesses recent developments in signal amplitudes to resolve a conflict between existing model-based sensitivity studies. Furthermore, the study identifies the heightened sensitivity of coastal tidal ocean-dynamo signals and provides a physical explanation for this fact. The third study focuses on local ocean phenomena and analyses time series of coastal island magnetometer observations. It presents evidence for seasonal amplitude variations and trends in amplitudes and phases of tidal ocean-dynamo signals. The advancements in the field contribute to the transition from retrospective or model-based analysis to an actual inference of the oceanic temperature and salinity dynamics from magnetometer observations.