Remote Sensing Methods to Investigate Boundary-layer Structures relevant to Air Pollution in Cities

Simultaneous surface-based remote sensing with optical (Ceilometer) and acoustic (Sodar) methods allows the diurnal variation of the structure of the atmospheric boundary layer to be deduced with high temporal resolution. Primarily the convective boundary layer, the nocturnal stable surface layer, and the residual layer can be identified from the measured vertical profiles of aerosol concentration and thermal fluctuations. The ability of the two remote sensing techniques is shown in different examples from two different locations and two seasons. The impact on urban air quality assessment is addressed.     

Surface Fluxes and Characteristics of Drying Semi-Arid Terrain in West Africa

This study examines the seasonal cycle of the components of the surface energy balance in the Volta basin in West Africa as part of the GLOWA-Volta project. The regional climate is characterized by a strong north–south gradient of mean annual rainfall and the occurrence of pronounced dry and wet seasons within one annual cycle, causing a strong seasonal variation in the natural vegetation cover. The observations are conducted with a combined system, consisting of a Large Aperture Scintillometer (LAS) for areally averaged sensible heat flux, radiometers and sensors for soil heat flux. For comparisons the eddy-covariance (EC) method providing the fluxes of momentum, sensible and latent heat is utilized as well. The measurements of a seasonal cycle in 2002/2003 were gathered including the rapid wet-to-dry transition after the wet season at two locations in Ghana, one in the humid tropical southern region and one in the northern region. A direct comparison and the energy balance closure of the two methods are investigated for daytime and nighttime separately. An attempt is made to understand and explain the differences between the two methods and the closure of energy budget found for these. It is found that the two systems correspond well during daytime. During nighttime the LAS seems to perform more realistically than the EC system. Considering the fact that a LAS system is much easier to use in the climate conditions of the Volta basin, it is concluded that the LAS approach is very suitable in this type of climate conditions. Surface conductances are estimated by rearranging the Penman–Monteith equation and compared to a Jarvis-type model optimised for savannah conditions. It is found that temperature dependence should be included in the conductance formulation in contrast to earlier findings. Based on the findings the gathered dataset can be used for further model studies of the climate and environment of West Africa.     

Meltwater pulses in the northern North Atlantic: retrodiction and forecast by numerical modelling

Changes in sea surface salinity, especially by sudden meltwater pulses, are the most effective process to modify the circulation in the Greenland–Iceland–Norwegian (GIN) seas. With “Sensitivity and Circulation of the Northern North Atlantic” (SCINNA), a three-dimensional ocean general circulation model, several experiments addressing the possible effects of meltwater inputs of different intensities were carried out. The experiments used (a) the last glacial maximum (LGM) reconstruction based on oxygen isotopes data from sediment cores and (b) the modern conditions of the GIN seas for their initial states. Meltwater inputs from Europe as recorded during the last deglaciation succeeding the LGM change the circulation pattern drastically. These pulses can push the high-salinity inflow from the northeast Atlantic away from Europe over to the southern coast of Iceland, thus allowing the low-salinity meltwater to spread all over the GIN seas. As a result, the deepwater formation in this region can be turned off and the circulation system shifts from the normal cyclonal-antiestuarine into an anticyclonal-estuarine mode. On the contrary, meltwater pulses originating from Greenland due to global warming mainly intensify the East Greenland Current without altering the overall circulation and temperature/salinity patterns significantly because they chiefly enhance the salinity minimum off the Greenland coast.     

The CO2 climate response problem a statistical approach

Summary The anthropogenic increase of the atmospheric carbon dioxide (CO₂) concentration leads to a global warming of the atmospheric surface layer, whereas the stratosphere is cooled. This greenhouse effect postulated by a number of climate models (on a physical basis) can be conditionally verified by statistical multiple regression techniques. In this study the following climatic time series are used (all data yearly averages): northern hemisphere mean temperatures near surface 1781–1980 (alternatively since 1851 or 1881) and corresponding stratospheric data 1958–1983, sea surface temperatures 1856–1980, northern hemisphere or global average, alternatively, and the global mean sea level fluctuations 1881–1980. In order to account for an appropriate part of explained variance, volcanic and solar forcing parameters are implied and the data are low-pass filtered suppressing variations of the period rangeT < 10 years. Based on the recently assessed preindustrial CO₂ concentration of c. 280 ppm and the Mauna Loa value of c. 344 ppm in 1984 this industrial CO₂ increase reveals a northern hemisphere temperature increase near surface of c. (.7±.1) K (average and standard deviation of all statistical regression runs), statistically significant at the 95% level. A CO₂ doubling (300 to 600 ppm) leads to a statistically derived signal of (3.1±.6) K, satisfactorily congruent with the results of most of the (deterministic) climate models: c. (3±1.5)K. A stratospheric cooling trend in recent time may be existent but is highly non-significant. Similarly, the SST data do not allow to evaluate a significant CO₂ signal to noise ratio. In contrast to that the observed long-term global mean sea level increase (9.3 cm) can be predominantly attributed to the CO₂ effect (99.9% level).

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Zusammenfassung Der anthropogen bedingte Anstieg der atmosphärischen Kohlendioxid-(CO₂-)Konzentration führt zu einer Erwärmung der bodennahen Luftschicht, während die Stratosphäre abgekühlt wird. Dieser Glashauseffekt, von zahlreichen Klimamodellierungen (auf physikalischer Basis) postuliert, kann auf statistischem Weg durch multiple Regressionsrechnungen bedingt verifiziert werden. Die vorliegende Studie basiert auf den folgenden Klima-Zeitreihen (alle Daten in Form von Jahresmittelwerten): nordhemisphärische Mitteltemperatur in Bodennähe 1781–1980 (alternativ seit 1851 bzw. 1881) und in der Stratosphäre 1958–1983, Meeresoberflächentemperatur 1956–1980, nordhemisphärisch bzw. global gemittelt, und mittlere globale Meeresspiegelschwankungen 1881–1980. Um einen angemessenen Teil erklärter Varianz zu erfassen, wurden vulkanische und solare Parameter mit einbezogen und eine Tiefpaßfilterung mit Unterdrückung des PeriodenbereichsT < 10 Jahre zugrunde gelegt. Auf der Basis des kürzlich abgeschätzten vorindustriellen CO₂-Konzentrationswertes von ca. 280 ppm und dem Mauna Loa Wert des Jahres 1984 von ca. 344 ppm entspricht dieser industrielle CO₂-Anstieg einer Erhöhung der bodennahen nordhemisphärischen Mitteltemperatur von ca. (0.7±0.1) K (Mittelwert und Standardabweichung aller Regressionsrechnungen), was einen auf dem 95%-Niveau signifikanten Temperaturanstieg darstellt. Eine CO₂-Verdoppelung (300 auf 600 ppm) führt, ebenfalls auf statistischem Weg, zu einem Temperatursignal von (3.1±0.6) K, in befriedigender Übereinstimmung mit den meisten der (deterministischen) Klimamodelle: ca. (3±1.5) K. In der Stratosphäre könnte in letzter Zeit ein Abkühlungstrend aufgetreten sein, der aber höchst insignifikant ist. Auch die SST-Daten erlauben keine signifikanten Schätzungen des Signal-Rausch-Verhältnisses. Im Gegensatz dazu kann der langfristige Trend des globalen Meeresspiegelanstiegs (9.3 cm) weitgehend dem CO₂-Effekt zugeschrieben werden (99.9%-Signifikanzniveau).

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With 7 Figures     

Trondhjemites,tonalites and diorites in the South Portuguese Zone and their relations to the vulcanites and mineral deposits of the Iberian Pyrite Belt

In the South Portuguese Zone close associations of diorites, tonalites and trondhjemites occur north of the Pyrite Belt. The period of their emplacement is Pre-Carboniferous and not, as has generally been assumed, Variscanpostorogen. The trondhjemitic intrusive suite and the Lower Carboniferous spilite-keratophyre association are related through their comagmatic derivation. Both series share sodium dominance, low concentrations of large-ion lithophile elements, indicators of a water-rich original magma and a deficient scorification of the element potential, which was acummulated in the sulphide and manganese deposits of the Pyrite Belt through post-volcanic hydrothermal processes. The mineralogically and geochemically primitive composition of both plutomtes and vulcanites, their mode of eruption from acid to basic facies as well as their position in the orogenic process indicate that they represent products of a successively proceeding partial melting of subducting oceanic crust. The trondhjemitic intrusives are the initialites in the magmatic-orogenic development.

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Zusammenfassung In der Südportugiesischen Zone treten nördlich des Pyritgürtels enge Vergesellschaftungen von Dioriten, Tonaliten und Trondhjemiten auf. Der Zeitraum ihrer Platznahme ist päkarbonisch und nicht, wie bisher allgemein angenommen, variszisch-postorogen. Die trondhjemitische Intrusivsequenz und die unterkarbonische Spilit-Keratophyr-Assoziation sind in weiten Bereichen durch komagmatische Herkunft verbunden. Gemeinsamkeiten beider Abfolgen sind ihre Na-Dominanz, die niedrigen Gehalte an gro\ionigen Elementen, die Anzeichen für ein wasserreiches Ausgangsmagma und die mangelhafte Verschlackung des Elementpotentials, das in den Sulfid- und Manganlagerstätten des Pyritgürtels während postvulkanischer, hydrothermaler Proze\e angereichert wurde. Die mineralogisch wie geochemisch primitive Zusammensetzung sowohl der Plutonite wie der Vulkanite, ihr Eruptionsmodus von saurer zu basischer Fazies sowie ihre Position im orogenen Ablauf deuten darauf hin, da\ sie die Produkte einer sukzessiv fortschreitenden Aufschmelzung subduzierender, ozeanischer Kruste darstellen. Die trondhjemitischen Intrusiva sind die Initialite innerhalb der magmatisch-orogenen Entwicklung.

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Résumé Dans la zone sud du Portugal, il existe, au nord de la ceinture pyriteuse, des associations étroites de diorites, de tonalites et de trondhjémites. Leur mise en place date de la période pré-carbonifère et non, comme on l'avait généralement admis jusqu'à présent, de la période varisque post-orogénique. Le faisceau intrusif trondhjémitique et l'association spilite-kératophyre du Carbonifère inférieur sont liés par une origine comagmatique. Les points communs des deux successions sont leur dominante sodique, les faibles teneurs en éléments à gros ions, les indices d'un magma de départ aquifère et la scorification réduite du potentiel d'éléments qui, dans les gisements de sulfure et de manganèse de la ceinture pyriteuse a été enrichi par des processus post-volcaniques et hydrothermaux. La composition primitive, tant minéralogique que géochimique, de la plutonite comme de la vulcanite, leur mode d'éruption qui va du type acide au type basique, ainsi que leur position dans le processus orogénique indiquent qu'il s'agit de produits successifs de la fusion partielle d'une croûte océanique en voie de subduction. Les intrusions trondhjémitiques représentent le stade initial dans l'évolution orogéno-magmatique.

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Lamellar nigerite in Zn-rich spinel from the Falun deposit,Sweden

Lamellar nigerite is found in Zn-rich spinel from a sample that contains chiefly anthophyllite + spinel + cordierite, lesser amounts of quartz and chlorite, as well as sphalerite, pyrite, pyrrhotite, and galena, and rare cassiterite and rutile. Nigerite can be described as interlayering of spinel-like (R²⁺Al₂O₄) and nolanite-like ((Sn, Ti)Al₄O₈) structures. In nigerite, the spinel-like part is also compositionally related to spinel, but in the nolanite-like part only the structural analogy exists. Stoichiometric assumptions that relate the anhydrous cation sum to the amount of R⁴⁺ cations present, allow Fe³⁺ estimates from microprobe analyses, and a representative analysis gives the following anhydrous formula: Mg_1.30Fe _0.65 ²⁺ Zn_3.03Mn_0.03Al_11.65Fe _0.35 ³⁺ Sn_0.32Ti_0.18O₂₄.The nigerite is Zn-rich with a Zn ratio (Zn/(Zn+Mg+ Fe²⁺)) of about 0.59, and the Sn ratio (Sn/(Sn+Ti)) that ranges from about 0.63 to 0.41. The Fe³⁺ content in these samples ranges from 0.35 to 0.52 (24 oxygen basis).Textures suggest that the nigerite could have formed by the breakdown of R ₂ ²⁺ (Sn, Ti)O₄ and R²⁺Al₂O₄ spinel components during more complex reactions. An experimental investigation of the MgAl₂O₄-Mg₂SnO₄ join indicates that the solubility of Mg₂SnO₄ component in spinel over the T interval 500 to 900° C is about 0.5 to 3.0 mole %. This, coupled with the increased solubility expected from the presence of Ti, gives good agreement with the 2.4 to 2.6 mole % R ₂ ²⁺ (Sn, Ti)O₄ component in spinel that is estimated to be the maximum necessary to form the compositions and amounts of observed nigerite.     

Variscan molasse in the Saar-Nahe Basin (W-Germany), Upper Carboniferous and Lower Permian

The Saar-Nahe Basin is a Permocarboniferous molasse basin within the Variscan orogenic chains. Surface access is possible in an area of 100×40 km just south of the Rheinisches Schiefergebirge. Below a thick Mesozoic cover the basin has a total extension of about 300×100 km. 4.1 km Upper Carboniferous and 1.6 km Lower Rotliegend grey fluviolacustrine deposits and additional 1.8 km Upper Rotliegend red alluvial deposits were accumulated.The depositional environments of the Upper Carboniferous to Lower Rotliegend beds, known from surface outcrops and 20 wells, are alluvial only along the northwestern margin of the basin, but braided and meandering fluvial, deltaic and lacustrine within the basin. Coal to a considerable amount only developed in the Westfalian.Paleocurrent data indicate a sediment transport from the northern Rhenohercynicum (Hunsrück) during the Westfalian. They delivered lithic arenites, which found a depocenter S of the Saar-Nahe Basin as it is exposed today. In the Stefanian a sediment transport from the southern Moldanubicum (Schwarzwald, Vosges and Massif Central) became active. The depocenter of the basin shifted to the NE and gradually approached the Rheinisches Schiefergebirge, disconnected from it by the South-Hunsrück Fault. During the late Lower Rotliegend the intense subsidence of the basin ceased. Simultaneously, arcosic arenites with an increasing total and K-feldspar content were provided (a tendency which even enhanced with the beginning of the Upper Rotliegend).A tectonic deformation at the end of the Westfalian induced uplift and gentle folding. After a peneplenization of its beds and a loss of strata of up to 1500 m in places, Stefanian and Lower Rotliegend were deposited discordantly above.At the beginning of the Upper Rotliegend, tectonic activities formed a central anticline together with magmatism (rhyolitic intrusives and explosives as well as melaphyr lavas) and a short-distanced style of alluvial sedimentation. In the post-Rotliegend further narrowing of the basin initiated a southward thrusting of the Saarbrücken Anticline on to the Buntsandstein; together with this the South-Hunsrück Fault became steeper and partly overturned.The stratigraphic section from Namurian to Lower Rotliegend was studied in detail; Upper Rotliegend may stand as an overview.

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Zusammenfassung Das Saar-Nahe-Becken ist ein permokarbones Molasse-Becken innerhalb der variskischen Gebirgszüge. Von übertage her ist es auf einer Fläche von 100×40 km unmittelbar südlich des Rheinischen Schiefergebirges zugänglich. Unter einer bedeutenden mesozoischen Überdeckung aber hat das Becken eine Ausdehnung von insgesamt 300×100 km. In diesem wurden 4,1 km mächtiges Oberkarbon und 1,6 km mächtiges Unterrotliegend in grauer fluviolakustriner Fazies und schließlich 1,8 km rotes alluviales Oberrotliegend abgesetzt.Die oberkarbonen bis unterrotliegenden Schichten zeigen nach Oberflächenaufschlüssen und 20 Bohrungen nur entlang des Hunsrücks in geringem Umfang alluvialen Sedimenteintrag. Im Becken dagegen ist das Sedimentationsmilieu verzweigt und mäandrierend fluviatil, deltaisch und lakustrin. Kohle wurde nur im Westfal in größerem Umfang gebildet.Messungen zur Paläoströmung weisen im Westfal einen Sedimenttransport aus dem nördlich gelegenen Rhenohercynicum (Rheinisches Schiefergebirge) nach. Dieses lieferte gesteinsbruchstückreiche Sande, die in einem Depozentrum südlich des heute übertage aufgeschlossenen Saar-Nahe-Beckens abgelagert wurden. Im Stefan erlangte ein Sedimenttransport aus dem Moldanubicum (Schwarzwald, Vogesen und Zentralmassiv) an Bedeutung. Das Depozentrum des Beckens wanderte nach NE und näherte sich allmählich dem Rheinischen Schiefergebirge, das seit jener Zeit von diesem durch die Hunsrück-Südrandstörung getrennt ist. Während des späten Unterrotliegend nahm die intensive Absenkung des Beckens allmählich ab. Gleichzeitig wurden feldspatreiche Sande mit zunehmendem Gesamt-und K-Feldspat-Gehalt geliefert (diese Tendenz wurde zu Beginn des Oberrotliegend eher noch verstärkt).Ende Westfal wurde das Becken nachweislich herausgehoben und sanft gefaltet. Nach einer Einebnung der Schichten, was stellenweise zu einem Schichtverlust von bis zu 1500 m führte, folgten diskordant darüber Stefan und Unterrotliegend.Mit Beginn des Oberrotliegend schufen erneute tektonische Bewegungen eine zentrale Aufwölbung. Dies war mit vulkanischer Aktivität (rhyolitische Intrusiva und Explosiva sowie Melaphyr-Laven) verbunden und hatte nun kleinräumigen alluvialen Sedimentationsstil in jetzt kleineren Teilbecken zur Folge. Später, nach dem Rotliegend, schuf die weitere Einengung des Saar-Nahe-Beckens eine südwärts gerichtete Aufschiebung des Saarbrücker Hauptsattels auf den Buntsandstein; hierbei wurde auch das Einfallen der Hunsrück-Südrandstörung steiler, teilweise sogar überkippt.Der stratigraphische Abschnitt vom Beginn des Namur bis Ende Unterrotliegend wurde im Detail untersucht; das Oberrotliegend ist als Übersicht dargestellt.

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Résumé Le bassin de Sarre-Nahe est un bassin molassique permocarbonifère inclus dans la chaîne orogénique varisque. Il affleure dans une aire de 100×40 Km située immédiatement au sud du Massif Schisteux Rhénan, et son extension totale sous la couverture mésozoïque est de 300×100 Km. L'accumulation comprend: 4,1 Km de Carbonifère supérieur, 1,6 Km de Rotliegende inférieur fluvio-lacustre, et 1,8 Km de Rotliegende supérieur alluvial rouge.Les couches d'âge carbonifère supérieur à Rotliegende inférieur, connues par les affleurements et par 20 sondages, ne montrent un caractère alluvial que dans un domaine restreint à la bordure nord-ouest du bassin, le long du Hunsrück. Dans le reste du bassin, le milieu de dépôt était fluviatile anastomosé, deltaïque et lacuste. Le charbon est présent en grande quantité, dans le Westphalien uniquement.L'examen des paléocourants indique un transport à partir de la zone rhéno-hercynienne (Hunsrück) pendant le Westphalien. Cet apport a fourni des arénites lithiques qui se sont accumulées dans une aire de sédimentation située au sud de la zone d'affleurement actuel du bassin de Sarre-Nahe. Au Stéphanien, l'apport significatif s'est effectué à partir de la zone moldanubienne, située au sud (Forêt Noire, Vosges et Massif Central). L'aire de dépôt s'est déplacée vers le nord-est en direction du Massif schisteux Rhénan, dont elle est séparée par la faille du Sud-Hunsrück. Vers la fin du Rotliegende inférieur, la forte subsidence du bassin a pris fin. Cet épisode est marqué par l'arrivée d'arénites comportant une teneur croissante en feldspath (tendance qui s'est renforcée au début du Rotliegende supérieur).A la fin du Westphalien, le bassin a été soulevé et légèrement plissé. Cette déformation a été suivie d'une pénéplanation, impliquant une érosion qui a pu enlever localement 1500 m de couches; le Stéphanien et le Rotliegende inférieur se sont ensuite déposés en dicordance.Au début du Rotliegende supérieur, de nouveaux mouvements tectoniques ont engendré un dôme central; ces mouvements se sont acompagnés de manifestations magmatiques (rhyolites intrusives et explosives, laves mélaphyriques) et d'une sédimentation de type alluvial proximal. Postérieurement au Rotliegende, un nouveau rétrécissement du bassin a provoqué le chevauchement vers le sud de l'anticlinal de Saarbrücken sur le grès bigarré; simultanément, la faille du Sud-Hunsrück s'est redressée et partiellement renversée.La série stratigraphique Namurien-Rotliegende inférieur a fait l'objet d'une étude détaillée et le Rotliegende supérieur d'un aperçu d'ensemble.

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