ALBERT

Description: In this paper, we present a detailed evaluation of cross wavelet analysis of bivariate time series. We develop a statistical test for zero wavelet coherency based on Monte Carlo simulations. If at least one of the two processes considered is Gaussian white noise, an approximative formula for the critical value can be utilized. In a second part, typical pitfalls of wavelet cross spectra and wavelet coherency are discussed. The wavelet cross spectrum appears to be not suitable for significance testing the interrelation between two processes. Instead, one should rather apply wavelet coherency. Furthermore we investigate problems due to multiple testing. Based on these results, we show that coherency between ENSO and NAO is an artefact for most of the time from 1900 to 1995. However, during a distinct period from around 1920 to 1940, significant coherency between the two phenomena occurs.

Description: We study the inference of long-range correlations by means of Detrended Fluctuation Analysis (DFA) and argue that power-law scaling of the fluctuation function and thus long-memory may not be assumed a priori but have to be established. This requires the investigation of the local slopes. We account for the variability characteristic for stochastic processes by calculating empirical confidence regions. Comparing a long-memory with a short-memory model shows that the inference of long-range correlations from a finite amount of data by means of DFA is not specific. We remark that scaling cannot be concluded from a straight line fit to the fluctuation function in a log-log representation. Furthermore, we show that a local slope larger than α=0.5 for large scales does not necessarily imply long-memory. We also demonstrate, that it is not valid to conclude from a finite scaling region of the fluctuation function to an equivalent scaling region of the autocorrelation function. Finally, we review DFA results for the Prague temperature data set and show that long-range correlations cannot not be concluded unambiguously.

Description: Linear methods of dimensionality reduction are useful tools for handling and interpreting high dimensional data. However, the cumulative variance explained by each of the subspaces in which the data space is decomposed may show a slow convergence that makes the selection of a proper minimum number of subspaces for successfully representing the variability of the process ambiguous. The use of nonlinear methods can improve the embedding of multivariate data into lower dimensional manifolds. In this article, a nonlinear method for dimensionality reduction, Isomap, is applied to the sea surface temperature and thermocline data in the tropical Pacific Ocean, where the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) phenomenon and the annual cycle phenomena interact. Isomap gives a more accurate description of the manifold dimensionality of the physical system. The knowledge of the minimum number of dimensions is expected to improve the development of low dimensional models for understanding and predicting ENSO.

Description: We develop the theory of cyclic Markov chains and apply it to the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) predictability problem. At the core of Markov chain modelling is a partition of the state space such that the transition rates between different state space cells can be computed and used most efficiently. We apply a partition technique, which divides the state space into multidimensional cells containing an equal number of data points. This partition leads to mathematical properties of the transition matrices which can be exploited further such as to establish connections with the dynamical theory of unstable periodic orbits. We introduce the concept of most and least predictable states. The data basis of our analysis consists of a multicentury-long data set obtained from an intermediate coupled atmosphere-ocean model of the tropical Pacific. This cyclostationary Markov chain approach captures the spring barrier in ENSO predictability and gives insight also into the dependence of ENSO predictability on the climatic state.

Description: Dates of Cruise: 15.09. to 18.09.2003 Projects: BASEWECS and Student course in physical oceanography; Port Calls: Warnemünde (15.09. and 18.09.2003)

Description: Dates of Cruise: 07.07. - 09.07.2003 Projects: BASEWECS and Student course in physical oceanography; Port Calls: Warnemünde, 07.07.-08.07.2003

Description: The impact by freshwater and marine mesozooplankton on phytoplankton particle size and stoichiometry was studied. Additionally, zooplankton d15N were determined as an inidicator of trophic level. Mesocosm studies, using logarithmically scaled zooplankton density gradients, were performed at three locations (lake Schoehsee, the marine Hopavagen lagoon, Norway, and Kiel Fjord) in August 2000, July 2001 and September 2002. In two of the three studies (Schoehsee, Hopavagen), zooplankton shifted phytoplankton size structure predictably to small or large species, respectively, with freshwater zooplankton (copepods, Daphnia) being complementary in their impact. Stoichiometrically, both Daphnia and marine copepods increased the carbon to nutrient ratios (C:P or C:N) of POM, indicative of phytoplankton nutrient limitation. Yet, while the depletion of P in freshwater POM was due to its retention in ‘new’ Daphnia biomass (numerical increase), the mechanism for marine copepods was different: copepods triggered the growth of nanoflagellates via a a trophic cascade (‘copepods-ciliates-nanoflagellates’), which increased at the expense of their intracellular nitrogen pool. Measurements of zooplankton d15N showed that differences were large between Daphnia and freshwater copepods (3.2 to 4.8‰), while negligible between marine copepods and the appendicularian Oikopleura dioica. Moreover, stable isotope analysis revealed different patterns of d15N enrichment for cruising versus stationary suspension feeding copepods, and also traced the (indirect) transfer of isotopically ‘light’ nitrogen from diazotrophic cyanobacteria to zooplankton.

Description: Am nördlichen Harzrand zwischen Benzingerode und Heimburg (Sachsen-Anhalt) konnten bei archäologischen Ausgrabungen mehrere bis zu 100 m lange Aufschlüsse in pleistozänen und holozänen Sedimenten des Hellbach-Schwemmfächers bearbeitet werden. Über pleistozänen Sedimenten eines ca. 2 km breiten Schwemmfächers mit Eiskeilpseudomorphosen, Kryoturbationserscheinungen sowie zentimetermächtigen Lösslagen, sind verschiedene holozäne Kolluvien, Auesedimente und Bodenbildungen auf einem kleineren, ca. 200 m breiten Schwemmfächer abgelagert worden bzw. entstanden. Stellenweise vorhandene Schwarzerdereste sowie mit schwarzem Bodenmaterial gefüllte Pfosten- und Vorratsgruben unterschiedlicher vorgeschichtlicher Epochen deuten auf eine relativ weite Verbreitung von spätpleistozänen und frühholozänen Schwarzerden in der Region hin. Im Auenbereich finden sich an der Basis der holozänen Kolluvien Reste von schwarzen, humosen, stark tonigen Horizonten mit einem lössähnlichen Sediment im Liegenden. Ob es sich hierbei um in situ gebildete Schwarzerden bzw. Schwarze Auenböden oder um anthropogene, durch Brandwirtschaftsweisen geschaffene, schwarze Horizonte handelt, ist noch unklar. Holzkohle aus dem schwarzen Horizont konnte auf rund 5.500 v. Chr. datiert werden. Das lössähnliche Sediment im Liegenden ergab OSL-Alter von ca. 5.910 v. Chr. (7,9 ± 0,5 ka). Nach Ende dieser Stabilitätsphase kam es zu einer oder mehreren größeren Überflutungen des damaligen Auenbereichs. In dieser Aktivitätsphase wurde der schwarze Horizont gekappt und zunächst mit Grobmaterial, später von einer meist 10-20 cm mächtigen feinmaterialreichen, dunkelbraunen Sedimentschicht überlagert. Diese Schicht bildete für längere Zeit die Oberfläche, enthält kaiserzeitliche Funde in situ und wird im Hangenden von gröberen Sedimenten und mächtigen, zweiphasigen mittelalterlichen Auelehmen abgedeckt. Rinnen im jüngsten Auelehm enthalten ziegel- und kalksteinreichen Schotter und repräsentieren vermutlich den letzten Lauf des Hellbachs vor seiner Begradigung in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Nach den vorliegenden Befunden ist ein Zusammenhang zwischen den einzelnen fluvialen Aktivitätsphasen und der Besiedlung und Wirtschaftsweise im Einzugsgebiet des Hellbaches sehr wahrscheinlich, kann jedoch nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden.

Description: research

Description: Im östlichen Niedersachsen und westlichen Sachsen-Anhalt wurden in den letzten Jahrzehnten in zwei großen Untersuchungskampagnen mächtige quartäre Ablagerungen beobachtet und dokumentiert. Die Elster-zeitlichen Anteile dieser Ablagerungen sind Gegenstand dieser Veröffentlichung. Ablagerungen der ältesten Vereisung aus diesem Gebiet wurden schon vor über 100 Jahren beschrieben. Im Helmstedter Braunkohlerevier waren über lange Zeit über mächtigen Vorschütt-Schmelzwassersanden zwei Elster-Grundmoränen aufgeschlossen. Stillwasserbildungen verschiedenster Ausbildung waren Zeugen des periglaziären Geschehens in diesem Raum. Am Ende des Pleniglazials kamen in kleinen Seen limnische Sedimente zur Ablagerung, die Hinweise auf mehrere Spätelster-Interstadiale lieferten. Im Zuge einer sehr umfangreichen ingenieurgeologischen Erkundung im nur wenige Kilometer entfernten Allertal bei Morsleben wurden dort einige Jahre später zahlreiche Kernbohrungen niedergebracht und intensiv geologisch dokumentiert und beprobt. Die erbohrten Ablagerungen ähneln den Elster-zeitlichen Sedimenten aus dem Tagebau Schöningen, sind jedoch durch zahlreiche Subrosionssenken noch mächtiger. Hierdurch lassen sich auch mehrere kleine Oszillationen zu Beginn der Überfahrung durch das Elster-Inlandeis nachweisen. An einer Stelle im Allertal ist zudem relativ sicher eine jüngste dritte Elster-Grundmoräne nachweisbar. Die periglazären Bildungen kamen hier in einem eher fluviatil geprägten Milieu zur Ablagerung, das auch die Erhaltung sicher zuordnenbarer Spätelster-Interstadiale behinderte. Eine Korrelation der beobachteten Ablagerungen mit denen anderer Räume ist bisher nur regional, nicht jedoch überregional möglich.

Description: research

Description: Der Rodderberg bei Bonn ist der nördlichste Teil des Osteifel-Vulkanfeldes aus dem Pleistozän. Seine mehrphasige Entstehungsgeschichte ist verzahnt mit den fluviatilen Sedimenten des Rheins und den äolischen Sedimenten aus den Eiszeiten. Die dort aufgeschlossenen Gesteine Basalt, Löß und vulkanthermisch beeinflusster Löß erlauben den Vergleich von Magnetisierungen von Materialien etwa gleichen Alters, aber unterschiedlicher Zusammensetzung und Geschichte. Die von der lokalen Erdmagnetfeld-Richtung deutlich abweichende flache Magnetisierungsrichtung der Basaltproben ist durch Blitzschlag verursacht worden und stellte sich als Beispiel von Blitzschlag-Magnetisierung heraus. Aus der Verteilung der Deklination der Magnetisierung konnte die Einschlagstelle der Blitze in etwa 5 m vom Probenprofil ermittelt werden. Eine aeromagnetische Vermessung des Rodderberges hat neue Hinweise zu seiner Struktur ergeben: Die Anomalie erstreckt sich von NNW nach SSE, der magnetisch wirksame Teil der Vulkanstruktur beschränkt sich auf den Bereich innerhalb des topographisch erkennbaren Kraters. Der umlaufende Schlacke-Aschewall ist magnetisch nicht erkennbar. Unterschiede der Anomalieform aus Messungen am Boden und in 35 m Höhe (Aeromagnetik) legen den Schluss nahe, dass die magnetisch wirksame Kraterstruktur einen flachgründigen Körper aus pyroklastischem Material anzeigt. Mit einigem Abstand darunter ist weiterer Basalt zu erwarten. Mit dem Rodderberg scheint uns die Natur einen Vulkan zu liefern, der am Beginn von phreatomagmatischen Erscheinungen geprägt war, dessen zweite Hälfte seiner lang währenden Genese aber die eines mehr klassischen Vulkans war.

Description: research

Description: Geowissenschaftliche Untersuchungen bei Kallmünz in der südöstlichen Fränkischen Alb (Bayern) erbrachten paläobotanische Proben für Pollen- und Holzkohleanalyse. Die Auswertung gibt Hinweise auf die Vegetationszusammensetzung zu verschiedenen Zeiten des Holozäns. Intensive Landschaftsnutzung setzt spätestens in der Bronzezeit ein. In der römischen Periode und im Mittelalter können ausgeprägtere und großflächigere Eingriffe belegt werden. Für paläoökologische Forschung in Karstgebieten ist die Anwendung der Holzkohleanalyse von besonderem Nutzen, da palynologische Methoden aufgrund der Moorarmut nur begrenzt anwendbar sind.

Description: research

Description: In den Lössdeckschichten des Steinbruchs Mainz-Weisenau (Heidelberger Zement AG) sind im Hangenden des letztinterglazialen Bodens drei Altwürmhumuszonen aufgeschlossen (Mosbacher Humuszonen). Auf der Grundlage einer detaillierten Profilbeschreibung erfolgte eine lückenlose Entnahme von Sedimentproben zur Untersuchung der Molluskenfaunen. Die Aussage des Fossilberichts wird durch die Anwesenheit von verlagerten Sedimenten unter und zwischen den Humuszonen und die Möglichkeit einer sekundären Einmischung von Schalenmaterial beeinträchtigt. Dennoch lässt der Fossilbericht nach dem letzten Interglazial drei Wärmeschwankungen erkennen, die mit den Humuszonen korrelierbar sind. In den Sedimenten zwischen Eemboden und unterer Humuszone sowie zwischen mittlerer und oberer Humuszone wurden Reste kaltzeitlicher Faunen festgestellt, die auf Kälteperioden hinweisen. Der Bereich der unteren und, in geringerem Maße, der Bereich der mittleren Humuszone zeichnen sich durch die Anwesenheit von warmzeitlichen Faunenelementen aus (darunter ausgesprochene Waldarten), was auf einen mehr oder weniger hohen Grad an Wiederbewaldung schließen lässt. Es handelt sich dabei ausnahmslos um Waldarten, die sowohl in Laub- als auch in Nadelwaldbeständen auftreten können. Der Abschnitt zwischen unterer und mittlerer Humuszone und die obere Humuszone führen lediglich Steppen- und Waldsteppengesellschaften, die eng miteinander verzahnt sind. Der vorliegende Fossilbericht lässt sich gut mit den allgemein akzeptierten Vorstellungen über die Klimaentwicklung im frühen Würm vereinbaren, die sich aus Tiefsee- und Eisisotopenkurven ergeben haben. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt wird eine Parallelisierung der unteren und mittleren Humuszone von Mainz-Weisenau mit den beiden bewaldeten norddeutschen Interstadialen Amersfoort/ Brörup und Odderade sowie den beiden St-Germain-Interstadialen in Ostfrankreich für wahrscheinlich gehalten. Für die Korrelation der oberen Humuszone werden verschiedene Möglichkeiten diskutiert.

Description: research

Description: Vorgestellt werden Untersuchungen zur holozänen Landschaftsentwicklung im Gebiet der Müritz, des größten Sees der Norddeutschen Tiefebene. Geomorphologische Untersuchungen zeigen für das Holozän bis zum Mittelalter eine im Wesentlichen aufwärts gerichtete Tendenz des Seespiegels (9500 BP: 57 m NN, 5400 BP: 61 m NN, AD 1100: 61 m NN, AD 1280: 62-63 m NN, nach AD 1300: 65 m NN, AD 1788: 63,5 m NN, heute: 62 m NN). Östlich des Sees wurden unter Wald große Flächen mit jungen anthropogenen Erosionsspuren nachgewiesen. Vier Pollendiagramme geben einen Überblick zur Vegetationsentwicklung auf verschiedenen Standorten und bei unterschiedlich starkem menschlichen Einfluß. Die bislang im Gebiet nachgewiesenen 401 archäologischen Fundplätze datieren überwiegend in das Neolithikum, die Bronzezeit und die Slawenzeit. Die Auswirkungen des Menschen auf den See und sein Umland sowie die Qualität der Befunde stehen im Mittelpunkt der Diskussion.

Description: research

Description: Glaziale Sedimente und Formen der tropischen Anden enthalten Paläoklima-Archive. Für die Jüngere Dryaszeit (Younger Dryas = YD) besteht eine kontroverse Diskussion bezüglich der Gletschervorstöße. Im Gebiet des Papallacta-Passes (Ostkordilleren in Ecuador) wird ein Gletschervorstoß durch Till und Moränen dokumentiert. Die glazialen Sedimente werden unter- und überlagert von Tephrahorizonten, Torf und anderen Sedimenten, die reich an organischem Material sind. Radiokarbon-Altersbestimmungen werden somit möglich. 29 14C-Alter zu diesem Gletschervorstoß publizierten Clapperton et al. (1997); weitere 29 14C-Alter werden hier vorgestellt. Die Daten belegen sowohl feuchte (=Gletschervorstoß) als auch trockene (= Gletscherabschmelzen) Klimabedingungen während der Jüngeren Dryaszeit. Unter Berücksichtigung der kalibrierten 14C-Alter ergibt sich ein Gletschervorstoß in der zweiten Hälfte der Jüngeren Dryaszeit und zu Beginn des Holozäns. An dem Beispiel wird belegt, daß die Interpretation der 14C-datierten Jüngere Dryaszeitlichen Gletschervorstöße mit größter Sorgfalt vorgenommen werden muß.

Description: research

Description: We computed high-resolution (1º latitude x 1º longitude) seasonal and annual nitrous oxide (N2O) concentration fields for the Arabian Sea surface layer using a database containing more than 2400 values measured between December 1977 and July 1997. N2O concentrations are highest during the southwest (SW) monsoon along the southern Indian continental shelf. Annual emissions range from 0.33 to 0.70 Tg N2O and are dominated by fluxes from coastal regions during the SW and northeast monsoons. Our revised estimate for the annual N2O flux from the Arabian Sea is much more tightly constrained than the previous consensus derived using averaged in-situ data from a smaller number of studies. However, the tendency to focus on measurements in locally restricted features in combination with insufficient seasonal data coverage leads to considerable uncertainties of the concentration fields and thus in the flux estimates, especially in the coastal zones of the northern and eastern Arabian Sea. The overall mean relative error of the annual N2O emissions from the Arabian Sea was estimated to be at least 65%.