Optimal estimation retrieval of aerosol microphysical properties from SAGE II satellite observations in the volcanically unperturbed lower stratosphere

Stratospheric aerosol particles under non-volcanic conditions are typically smaller than 0.1 μm. Due to fundamental limitations of the scattering theory in the Rayleigh limit, these tiny particles are hard to measure by satellite instruments. As a consequence, current estimates of global aerosol properties retrieved from spectral aerosol extinction measurements tend to be strongly biased. Aerosol surface area densities, for instance, are observed to be about 40% smaller than those derived from correlative in situ measurements (Deshler et al., 2003). An accurate knowledge of the global distribution of aerosol properties is, however, essential to better understand and quantify the role they play in atmospheric chemistry, dynamics, radiation and climate. To address this need a new retrieval algorithm was developed, which employs a nonlinear Optimal Estimation (OE) method to iteratively solve for the monomodal size distribution parameters which are statistically most consistent with both the satellite-measured multi-wavelength aerosol extinction data and a priori information. By thus combining spectral extinction measurements (at visible to near infrared wavelengths) with prior knowledge of aerosol properties at background level, even the smallest particles are taken into account which are practically invisible to optical remote sensing instruments. The performance of the OE retrieval algorithm was assessed based on synthetic spectral extinction data generated from both monomodal and small-mode-dominant bimodal sulphuric acid aerosol size distributions. For monomodal background aerosol, the new algorithm was shown to fairly accurately retrieve the particle sizes and associated integrated properties (surface area and volume densities), even in the presence of large extinction uncertainty. The associated retrieved uncertainties are a good estimate of the true errors. In the case of bimodal background aerosol, where the retrieved (monomodal) size distributions naturally differ from the correct bimodal values, the associated surface area (A) and volume densities (V) are, nevertheless, fairly accurately retrieved, except at values larger than 1.0 μm2 cm−3 (A) and 0.05 μm3 cm−3 (V), where they tend to underestimate the true bimodal values. Due to the limited information content in the SAGE II spectral extinction measurements this kind of forward model error cannot be avoided here. Nevertheless, the retrieved uncertainties are a good estimate of the true errors in the retrieved integrated properties, except where the surface area density exceeds the 1.0 μm2 cm−3 threshold. When applied to near-global SAGE II satellite extinction measured in 1999 the retrieved OE surface area and volume densities are observed to be larger by, respectively, 20–50% and 10–40% compared to those estimates obtained by the SAGE~II operational retrieval algorithm. An examination of the OE algorithm biases with in situ data indicates that the new OE aerosol property estimates tend to be more realistic than previous estimates obtained from remotely sensed data through other retrieval techniques. Based on the results of this study we therefore suggest that the new Optimal Estimation retrieval algorithm is able to contribute to an advancement in aerosol research by considerably improving current estimates of aerosol properties in the lower stratosphere under low aerosol loading conditions

Entwicklung ertragssicherer Saflor-Stämme mit hohen Ölgehalten für den ökologischen Anbau

Zur Entwicklung ölreicher, krankheitstoleranter Saflor-Stämme wurde ein in der ehemaligen Thüringer Zuchtstation Bendeleben in den 1930er Jahren entwickelter Stamm (nur ca. 25 % Ölgehalt, aber gute Krankheitsresistenz) im Gewächshaus mit der spanischen Sorte ‚Sepasa’ (bis 46 % Ölgehalt, aber hohe Botrytisanfälligkeit) frei abblühen gelassen. Die Auskreuzung betrug ca. 50 %. Aus der im Feld als Einzelpflanzen angebauten F2-Generation wurden 550 ertragreiche Pflanzen geerntet und von jeder Pflanze an 30 Körnern der durchschnittliche Schalenanteil ermittelt. Pflanzen mit einem Schalenanteil < 40 % sind im Feld nachgebaut worden (ca. 50 Nummern, Einzelpflanzenanbau, 30 x 30 cm, 5,4 m² Anbaufläche/Nachkommenschaft). Je eine Pflanze mit hohem Kornertrag und niedrigem durchschnittlichen Schalenanteil aus jeder Parzelle wurde für den nächstjährigen Anbau ausgewählt und gleichzeitig das Restsaatgut der 14 besten Parzellen (homogen, frühreif, ertragreich) für eine exakte Ertragsprüfung verwendet. Die Ermittlung des Schalenanteils an Einzelkörnern und –pflanzen hat sich als schnelle und preiswerte Methode zur Einschätzung des Ölgehaltes erwiesen (ermittelte Korrelation zwischen Ölgehalt und Schalenanteil r = 0,88). Technisch ist die Trennung von Schale und Kern leicht durch kurzzeitiges Einquellen der Samen in Wasser zu erreichen. In den bisher fünfjährigen Ertragsprüfungen mit Stämmen aus der Kreuzung ‚Sepasa’ und Stamm ‚Bendeleben’ hat sich gezeigt, dass diese der Standardsorte ‚Sabina’ in günstigen Jahren mit sonnigem und trockenem Wetter während der Blüte ertraglich überlegen sein können. Sie wiesen gleichzeitig einen im Durchschnitt 30 % höheren Ölgehalt als ‚Sabina’ auf. Die Stämme waren in morphologischer Hinsicht bereits in der F4 weitgehend homogen, enthielten aber noch viele botrytrisanfällige Pflanzen, wie sich 2007 zeigte. In diesem Jahr mit starkem Infektionsdruck waren bei zwei Drittel aller angebauten Stämme und Einzelpflanzennachkommenschaften (EPN) gravierende Ertragseinbußen festzustellen. Immerhin wiesen 15 EPN aber durchgängig keine Ertragsminderung bei gleichzeitig höherem Ölgehalt als ‚Sabina’ auf. Es ist also durchaus möglich, durch Einkreuzung von südeuropäischen oder amerikanischen Stämmen, die sich durchgehend in eigenen Prüfungen als botrytisanfällig erwiesen haben, in angepasste Typen, botrytistolerante Formen mit hohen Ölgehalten zu entwickeln. Als einfachste Methode zur Selektion von dünnschaligen, ölreichen Typen aus spaltenden Populationen hat sich die Isolation von ca. 20 Blütenköpfchen einer Pflanze mit Crispac-Tüten mit Supermicrolochung und Bestimmung deren genetischen Status an Einzelkörnern aus nichtisolierten Köpfchen derselben Pflanze erwiesen. Der Samenansatz unter Isolation ist allerdings gering und die Keimfähigkeit der Samen niedrig. Andere Methoden, wie die Auslese von Einzelpflanzen mit niedrigem Schalenanteil oder die Anzucht von schalenlosen Kernen mit hohem Ölgehalt führten nur zu einem partiellen Erfolg, so dass in den Ertragsprüfungen nur 37,6 % Ölgehalt bei einem Stamm erreicht werden konnten. Die Probleme des Safloranbaus unter mitteleuropäischen Bedingungen sind mit der Entwicklung botrytistoleranter ölreicher Stämme nicht gelöst. Eine ausreichende Befruchtung ist in kühlen und feuchten Jahren nicht gegeben, weil Saflor zwingend auf die Bestäubung durch Insekten angewiesen ist. Es kommt zur Bildung einer größeren Anzahl parthenokarper (= hohler) Samen, wodurch der Ertrag und insbesondere der Ölgehalt deutlich sinken. Die Erhöhung der Selbstfertilität muss deshalb zukünftig ein wichtiges Zuchtziel sein

Transformación de los ecosistemas áridos para su uso agrícola en Baja California Sur, México. Un análisis desde la historia ambiental.

En este artículo se estudia la dedicación histórica de los ecosistemas áridos de Baja California Sur a diferentes tipos de agricultura. En esa aislada y árida región del noroeste mexicano, la agricultura, desconocida para sus habitantes indígenas, fue introducida por los jesuitas en el siglo XVIII a través de algunas familias que se establecieron en los ranchos asociados a las misiones. Basándose en el conocimiento indígena del medio ambiente y adaptando la cultura de regadío del Mediterráneo y de Oriente Medio, los rancheros aprovecharon integralmente los recursos naturales e hicieron un uso sustentable del agua y el suelo de los oasis donde se establecieron. Esto permitió la conservación de los frágiles ecosistemas locales y la construcción de un paisaje cultural original. El estilo de vida ranchero prevaleció hasta mediados del siglo XX y constituye el fundamento de la identidad regional. Desde finales del siglo XIX, la perforación de pozos permitió la extensión y diversificación de la agricultura. Pero el mayor impacto ecológico ocasionado por la sobreexplotación del agua y el suelo ocurrió entre 1950 y 1990. El deterioro ambiental de los ecosistemas áridos bajacalifornianos y sus consecuencias socioeconómicas demostraron que la región no era apta para la producción a gran escala de granos ni de plantas industriales exigentes en agua y causantes del agotamiento de suelos. Empleando el enfoque de la historia ambiental es posible identificar los principios que pueden permitir el desarrollo sustentable de la agricultura en la región, inspirándose en la relación de los rancheros con el ambiente.In this article we study how the arid ecosystems of lower southern California were opened to different kinds of agriculture. In this isolated and arid region modern forms of agriculture were unknown to the indigenous inhabitants and were only introduced in the 18th century by Jesuit missionaries and their accompanying ranchers. Based on indigenous knowledge of the local environment and on the adaptation of Mediterranean and Middle Eastern oases culture, the ranch society and economy developed efficient strategies that allowed them to enjoy the sustainable use of water, soil and other natural resources of the oases where they had established themselves, thereby maintaining these fragile ecosystems and building an original cultural landscape. From the last decades of the 19th century, however, the perforation of wells permitted the extension and diversification of agriculture. The greatest ecological disturbances were due to overuse of land and water between 1950 and 1990. The deterioration of the ecosystems and its dire socioeconomic consequences showed that the region was in no way suitable for large scale production of grain; while the high volume of water required by industrial plants caused soil exhaustion. Using an environmental historical approach, based on the ranchero relationship with the environment, one may identify the means and circumstances whereby agriculture in the region could have experienced sustainable development

The Atlantic Ocean surface microlayer from 50°N to 50°S is ubiquitously enriched in surfactants at wind speeds up to 13 m s−1

We report the first measurements of surfactant activity (SA) in the sea surface microlayer (SML) and in subsurface waters (SSW) at the ocean basin scale, for two Atlantic Meridional Transect from cruises 50°N to 50°S during 2014 and 2015. Northern Hemisphere (NH) SA was significantly higher than Southern Hemisphere (SH) SA in the SML and in the SSW. SA enrichment factors (EF = SASML/SASSW) were also higher in the NH, for wind speeds up to ~13 m s−1, questioning a prior assertion that Atlantic Ocean wind speeds >12 m s−1 poleward of 30°N and 30°S would preclude high EFs and showing the SML to be self-sustaining with respect to SA. Our results imply that surfactants exert a control on air-sea CO2 exchange across the whole North Atlantic CO2 sink region and that the contribution made by high wind, high latitude oceans to air-sea gas exchange globally should be reexamined