Laminierte Seesedimente sind unschätzbare Informationsquellen zur Geschichte der Umwelt und des Klimas direkt aus der Lebenssphäre des Menschen. Ein exzellentes Beispiel dafür ist der Sihailongwan-Maarsee aus NE-China. In einem immer noch dicht bewaldeten Vulkangebiet gelegen, bieten seine Sedimente ein ungestörtes Abbild der Monsunvariationen über zehntausende von Jahren. Nur die letzten ca. 200 Jahre zeigen einen deutlichen lokalen anthropogenen Einfluss. Das Monsunklima der Region mit Hauptniederschlägen während des Sommers und extrem kalten Wintern unter dem Einfluss des Sibirischen Hochdrucksystems bildet die Voraussetzung für die Bildung von saisonal deutlich geschichteten Sedimenten (Warven), die in dem tiefen Maarsee dann auch überwiegend ungestört erhalten bleiben. Insbesondere die Auftauphase im Frühjahr bringt einen regelmässigen Sedimenteintrag in den See, der das Gerüst für eine derzeit bis 65.000 Jahre vor heute zurückreichende Warvenchronologie bildet. Für das letzte Glazial zeigen Pollenspektren aus dem Sihailongwan-Profil Vegetationsvariationen im Gleichklang mit bekannten klimatischen Variationen des zirkum-nordatlantischen Raumes (Dansgaard-Oeschger-Zyklen) zu dieser Zeit. Der Einfluss dieser Warmphasen auf das Ökosystem See war jedoch sehr unterschiedlich. So sind die Warven aus den Dansgaard-Oeschger (D/O) Zyklen 14 bis 17 mit extrem dicken Diatomeenlagen (hauptsächlich Stephanodiscus parvus/minutulus) denen vom Beginn der spätglazialen Erwärmung zum Verwechseln ähnlich, während Warven aus dem D/O-Zyklus 8 kaum Unterschiede zu überwiegend klastischen Warven aus kalten Interstadialen aufweisen. Gradierte Ereignislagen mit umgelagertem Bodenmaterial sind deutliche Hinweise auf ein Permafrost-Regime während der Kaltphasen. Auch während des Spätglazials treten deutliche klimatische Schwankungen auf, die der in europäischen Sedimentarchiven definierten Gerzensee-Oszillation und der Jüngeren Dryas zeitlich exakt entsprechen. Das frühe Holozän ist von einer Vielzahl Chinesischer Paläoklima-Archive als Phase mit intensiverem Sommermonsun bekannt. Überraschenderweise sind die minerogenen Fluxraten im Sihailongwan-See während des frühen Holozäns trotz dichter Bewaldung des Einzugsgebietes sehr hoch. Sowohl Mikrofaziesanalysen der Sedimente als auch geochemische Untersuchungen deuten auf remoten Staub als Ursache dieses verstärkten klastischen Eintrags hin. Der insbesondere in den letzten Jahrzehnten zunehmende Einfluss des Menschen zeigt sich in den Sedimenten des Sihailongwan-Maarsees vor allem in einem wiederum zunehmenden Staubeintrag und einer Versauerung im Einzugsgebiet. Der anthropogene Einflusss auf die lokale Vegetation ist immer noch gering.
In der nächsten Phase der Biodiversitäts Exploratorien sollen Experimente dabei helfen die Effekte verschiedener Landnutzungskomponenten auf Ökosysteme zu ermitteln. 'Common garden' Experimente werden genutzt, um die Umweltheterogenität zu minimieren, die ansonsten interessante Effekte verschleiert. Wir planen Grasnarben, die von n = 42 Plots der Biodiversitäts Exploratorien entnommen werden, in einem 'common garden' auszubringen wo die Intensität der Mahd und der Düngung manipuliert werden soll. In den nächsten drei bis 15 Jahren werden die Veränderungen in den Pflanzen- und Bakteriengemeinschaften auf den Grasnarben verfolgt. Hierfür wird die Zusammensetzung und Diversität der Pflanzen und Bakterien (next-generation 16S rRNA gene amplicon sequencing) ermittelt. Zusätzlich werden noch 3D-Modelle der Pflanzengemeinschaften, die durch multispektrale Information ergänzt werden, erstellt (PlantEye F500, Phenospex, Heerlen, The Netherlands). Diese Modelle erlauben die Errechnung von Parametern, die ganze Pflanzengemeinschaften charakterisieren. Änderungen in den Pflanzen- und Bakteriengemeinschaften werden mit der Landnutzung der Plots in den vergangenen Jahren ins Verhältnis gesetzt. Wir erwarten, dass Gemeinschaften, die aus verschiedenen Plots stammen, aber die gleiche Landnutzung erfahren in Ihrer Zusammensetzung und Diversität konvergieren; Gemeinschaften aus den gleichen Plots, die aber unterschiedliche Landnutzung erfahren, sollten divergieren. Das Projekt nutzt das Vorwissen zu den einzelnen Plots in Bezug auf Landnutzung und Artenzusammensetzung, liefert neuartige Daten für die Biodiversitäts Exploratorien, und stellt einen unabhängigen und neuartigen Beitrag zu der Frage, wie Landnutzug Ökosysteme beeinflusst, dar.
The aim of this project is to co-estimate models of the core and ionosphere magnetic fields, with the longer-term view of building a 'comprehensive' model of the Earths magnetic field. In this first step we would like to take advantage of the progresses made in the understanding of the ionosphere by global M-I-T modelling to better separate the core and ionospheric signals in satellite data. The magnetic signal generated in the ionosphere is particularly difficult to handle because satellite data provide only information on a very narrow local time window at a time. To get around this difficulty, we would like to apply a technique derived from assimilation methods and that has been already successfully applied in outer-core flow studies. The technique relies on a theoretical model of the ionosphere such as the Upper Atmosphere Model (UAM), where statistics on the deviations from a simple background model are estimated. The derived statistics provided in a covariance matrix format can then be use directly in the magnetic data inversion process to obtain the expected core and ionospheric models. We plan to apply the technique on the German CHAMP satellite data selected for magnetically quiet times. As an output we should obtain a model of the ionospheric magnetic variation field tailored for the selected data and a core-lithosphere field model where possible leakage from ionospheric signals are avoided or at least reduced. The technique can in theory be easily extended to handle the large-scale field generated in the magnetosphere.
Anthropogene Umweltveränderung beeinflussen die Phänologie und genetische Diversität von Pflanzen, mit weitreichenden Konsequenzen für ökologische Lebensgemeinschaften und die Evolution. Langzeitdaten solcher Veränderungen sind jedoch selten. Herbarien bieten die seltene Möglichkeit für Langzeitstudien über Phänologie und genetische Diversitätsveränderungen, vor allem da neue genomische Hochdurchsatzmethoden neuerdings auch eine Analyse historischer Proben von Nicht-Modellarten erlauben. Wir schlagen ein Forschungsprojekt vor, dass die Langzeitperspektiven von Herbarien mit den Stärken der Biodiversitätsexploratorien verbinden und die Phänologie und genetische Diversität heutiger Pflanzen in der Biodiversitätsexploratorien mit der von historischen Belegen der gleichen Arten aus den gleichen Regionen vergleichen soll. Wir werden uns auf frühblühende Pflanzen im Laubwald-Unterwuchs konzentrieren, da diese Arten eine deutliche, zeitlich begrenzte Blühperiode haben, und somit besonders geeignet zur Untersuchung phänologischer Veränderungen, sowie des Einflusses der Waldnutzung auf die Phänologie, sein sollten. Unser Projekt wird Feldbeobachtungen mit dem Studium naturwissenschaftlicher Sammlungen und cutting-edge Methoden der Herbariumgenomik verbinden um (1) eine umfassende Untersuchung der Blühphänologie aller frühblühenden Pflanzenarten in Wald-EPs durchzuführen und den Einfluss der Waldnutzung auf die Blühphänologie zu testen, sowie (2) mehrere grosse Herbaria nach Belegen der gleichen Pflanzenarten aus den gleichen Regionen zu durchsuchen, um langfristige Trends in der Blühphänologie, sowie den Einfluss des Klimas auf die Phänologie zu testen und die aktuellen Phänologie daten in einen historischen Kontext stellen zu können. Darüberhinaus wollen wir eine neue genomische Hochdurchsatzmethode zur Untersuchung historischer Herbarbelege, hyRAD-hybridization capture using RAD probes, etablieren und austesten, und (4) diese Methode dann dazu verwenden, um die genetische Diversität der heutigen Pflanzen im Laufwaldunterwuchs mit der ihrer Vorfahren aus den gleichen Regionen zu vergleichen. Unser Projekt wird die erste umfassende Unterschung von Pflanzenphänologie, sowie die erste Analyse der genetischen Diversität von Waldpflanzen in den Biodiversitätsexploratorien beinhalten. Vor allem bietet es erstmals eine Langzeitperspektive, und den ersten Versuch eines Vergleichs heutiger mit historischer Biodiversität in den Biodiversitätsexploratorien.
Soil organic matter (SOM) controls large part of the processes occurring at biogeochemical interfaces in soil and may contribute to sequestration of organic chemicals. Our central hypothesis is that sequestration of organic chemicals is driven by physicochemical SOM matrix aging. The underlying processes are the formation and disruption of intermolecular bridges of water molecules (WAMB) and of multivalent cations (CAB) between individual SOM segments or between SOM and minerals in close interaction with hydration and dehydration mechanisms. Understanding the role of these mediated interactions will shed new light on the processes controlling functioning and dynamics of biogeochemical interfaces (BGI). We will assess mobility of SOM structural elements and sorbed organic chemicals via advanced solid state NMR techniques and desorption kinetics and combine these with 1H-NMR-Relaxometry and advanced methods of thermal analysis including DSC, TGADSC- MS and AFM-nanothermal analysis. Via controlled heating/cooling cycles, moistening/drying cycles and targeted modification of SOM, reconstruction of our model hypotheses by computational chemistry (collaboration Gerzabek) and participation at two larger joint experiments within the SPP, we will establish the relation between SOM sequestration potential, SOM structural characteristics, hydration-dehydration mechanisms, biological activity and biogechemical functioning. This will link processes operative on the molecular scale to phenomena on higher scales.
Die Erforschung von Artbildungs- und Anpassungsprozessen ist zentral, um zu verstehen, wie Biodiversität entsteht und auf wechselnde Umweltbedingungen reagiert.. Ein idealer Ort für solche Studien ist das Südpolarmeer: Es beherbergt eine reiche und hochgradig endemische Fauna. Neuere Studien zeigen, dass viele benthische Arten aus Gruppen von genetisch distinkten Kladen bestehen, die als früher übersehene Arten pleistozänen Ursprungs interpretiert werden. Diese kryptischen Arten können durch molekulare Methoden (z. B. DNA-Barcoding) und z.T. auch durch morphologische Analysen unterschieden werden. Es wird angenommen, dass die Artbildung per Zufall erfolgte, als ehemals große Populationen während glazialer Maxima in kleinen allopatrischen Refugien isoliert wurden, wo sie starker genetischer Drift ausgesetzt waren. Alternative Artbildungsmodelle wurden bislang wegen fehlender molekularer Methoden kaum erforscht. Studien aus anderen Ökosystemen zeigen, dass ökologische Artbildung, d.h. Aufspaltungsereignisse durch unterschiedliche Selektion, ein naheliegendes alternatives Artbildungsmodell ist. In dem hier vorgestellten Projekt sollen erstmals hochauflösende genomische Methoden zusammen mit morphologischen Analysen benutzt werden, um konkurrierende Artbildungsmodelle für das Südpolarmeer zu testen. Als Fallstudie sollen hierfür Muster genetischer Drift und Selektion in einer besonders erfolgreichen Gruppe benthischer Arten des Südpolarmeeres untersucht werden, den Asselspinnen (Pycnogonida). Aufbauend auf vorangehenden Studien sollen genomische Muster neutraler und nicht neutraler Marker bei zwei Artkomplexen untersucht werden: Colossendeis megalonyx und Pallenopsis patagonica. Diese beiden Artkomplexe von Asselspinnen sind aufgrund mehrerer Merkmale hervorragende Modelle für die Themen dieses Antrages: 1) Es existieren zahlreiche genetisch divergente kryptische Arten, 2) erste morphologische Unterschiede wurden gefunden, 3) die weite Verbreitung der Vertreter sowohl auf dem antarktischen Kontinentalschelf als auch in weniger von den Vereisungen betroffenen subantarktischen Regionen, 4) ihre geringe Mobilität. Sollte eine durch genetische Drift bedingte allopatrische Artbildung in glazialen Refugialpopulationen der Hauptantrieb der Evolution sein, ist zu erwarten, dass Zufallsfixierung neutraler Allele und Signaturen von Populations-Bottlenecks in stark vereisten Gebieten am höchsten sind. Wenn andererseits natürliche Selektion der Hauptantrieb der Artbildung war, so sind starke Signaturen von Selektion auf Geno- und Phänotyp zu erwarten. Diese sollte am stärksten bei sympatrischen Arten sein (Kontrastverstärkung). Die Variation entlang von Genomen soll untersucht werden, um das Ausmaß zufälliger bzw. nicht zufälliger Variation einzuschätzen. Das vorgeschlagene Projekt wird ein wichtiger erster Schritt einer systematischen Erforschung der relativen Bedeutung von genetischer Drift und Selektion für die Evolution im Südpolarmeer sein.
Der Klimawandel ist ein globales Phänomen. Erhöhte Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre führen zu globalen Veränderungen des Klimas. Auf lokaler Ebene können Betroffenheiten entstehen. Es ist eine besondere Herausforderung, ausgehend von globalen Klimaveränderungen auf lokale Folgen, z. B. für die Wasserstraßen, zu schließen. In KLIWAS1 wird mit Hilfe einer Kette von Modellen das Klimaänderungssignal Schritt für Schritt auf kleinere räumliche Skalen übertragen. Am Anfang stehen verschiedene Emissionsszenarien die mögliche Zukünfte beschreiben. Ausgehend von diesen Emissionsszenarien wird der Klimawandel über globale Klimamodelle, regionale Klimamodelle und Abflussmodelle bis hin zu den Wirkmodellen bis zur lokalen Ebene der Wasserstraße transferiert. Kein Modell in dieser Kette repräsentiert die Natur perfekt. Die Ergebnisse jedes Modells basieren auf Annahmen und sind mit Unsicherheiten behaftet. Im Verlauf der Modellkette summieren sich die Unsicherheiten auf. Am Ende der Modellkette ist die Bandbreite der möglichen Folgen eines Klimawandels auf lokaler Ebene sehr groß. Für die deutschen Küstengebiete der Nord- und Ostsee einschließlich der Ästuare ist es aufgrund dieser Unsicherheiten schwierig, konkrete Aussagen zu den lokalen Auswirkungen und möglichen Betroffenheiten zu machen. Eine Möglichkeit mit diesen Unsicherheiten umzugehen sind Sensitivitätsstudien. Die wichtigsten physikalischen Parameter im Ästuar sind Wasserstand, Strömungsgeschwindigkeit, Salzgehalt, Temperatur und Schwebstoffgehalt. Wie sich diese Parameter in einem Ästuar entwickeln, ist abhängig von den Randbedingungen. Die Randbedingungen werden durch die Haupteinflussfaktoren Meeresspiegel in der Nordsee, Abfluss, Wind und Topographie bestimmt, die sich direkt oder indirekt durch die Folgen eines Klimawandels verändern können. Für die Sensitivitätsstudien werden die genannten Haupteinflussfaktoren, die die Randbedingungen dieser Studien bilden, einzeln und in Kombination variiert. Auf diese Weise können Aussagen darüber getroffen werden, wie sich im Ästuar Wasserstand, Strömung, Salzgehalt und Schwebstoffe an die veränderten Randbedingungen (Folgen des Klimawandels) anpassen. Dadurch ist es möglich, festzustellen, unter welchen Bedingungen ein Schwellenwert überschritten wird, der eine Betroffenheit auslöst. Gleichzeitig tragen diese Szenarien zum Prozessverständnis des physikalischen Systems Ästuar bei. Sensitivitätsstudien liefern klare Wenn-Dann-Aussagen. Für eine zeitliche Zuordnung können die Ergebnisse der Sensitivitätsstudien über die jeweils verwendeten Haupteinflussfaktoren mit den aktuellen Klimaszenarien in Beziehung gesetzt werden. (Text gekürzt)
Seit den 1930er-Jahren wurde im Raum Duisburg/Wesel der Steinkohlenbergbau auch unter dem Rheinstrom und seinen Vorländern betrieben. In Duisburg befindet sich das Bergwerk Walsum, dessen regelmäßiger Förderbetrieb im Jahr 1936 aufgenommen wurde. Die maximale Jahresförderung von ca. 3,4 Mio. t Steinkohle erbrachte die Zeche mit knapp 4.600 Beschäftigten im Jahr 1984. Als Folge des Untertagebaus traten im Bereich Walsum (Rhein-km 793 bis 798) Geländesenkungen von bis zu 9 m auf, die durch eine Anpassung der Bauwerke und durch Sohlaufhöhungen im Hauptstrom kompensiert wurden. Im Bereich der Rheinaue ist nun allerdings eine Ausuferung bereits ab mittleren Abflüssen zu beobachten. Diese lokalen Veränderungen der Abflussdynamik und des Sedimenttransportvermögens bergen die Gefahr von Anlandungen im Hauptstrom, welche die Sicherheit und Leichtigkeit des Schiffsverkehrs negativ beeinflussen können. Die Auswertung aktueller Peildaten lässt Anlandungstendenzen im Streckenbereich zwischen Walsum und Stapp erkennen. Mitte 2008 wurde, entgegen der ursprünglichen Planung, der Bergbau im Grubenfeld Walsum eingestellt und die Zeche stillgelegt. Der Beschluss zur Stilllegung war für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Anlass, Prognosen zur Stabilität der Stromsohle in dem betroffenen Rheinabschnitt zu erstellen und erforderlichenfalls geeignete Maßnahmen einzuleiten. Bereits Mitte der 1970er-Jahre hatte die WSV begonnen, die bergsenkungsbedingten Massenverluste der Stromsohle durch die Verklappung von Waschbergematerial zu kompensieren. Insgesamt wurden 13,8 Mio. t dieses Nebenprodukts der Steinkohlengewinnung im Zeitraum von 1976 bis 2008 im Stromabschnitt zwischen Rhein-km 793 und 808 eingebaut. In einigen Bereichen des Streckenabschnitts beträgt die Mächtigkeit dieser Waschbergeschichten mehrere Meter. Laboruntersuchungen belegen, dass Waschbergematerial andere Materialeigenschaften aufweist und sich in seinem Verwitterungsverhalten von natürlichem Rheinkies unterscheidet. Mobilisiertes Waschbergematerial unterliegt auf der Gewässersohle Zerfallsprozessen, mit der Tendenz, relativ schnell zwischen den deutlich härteren Kiesfraktionen zerrieben, in Suspension überführt und schließlich aus der Strecke ausgetragen zu werden. Die Untersuchungen der BAW konzentrierten sich in einem ersten Schritt auf die Ermittlung der durch die Bergsenkungen verursachten Auswirkungen auf die Morphologie der Stromsohle im Bereich von Duisburg bis Wesel. Dabei kam ein zweidimensionales Feststofftransportmodell (2D-FTM) zum Einsatz. Für diese hydromorphologischen Betrachtungen war im Vorfeld der Aufbau eines historischen Geländemodells erforderlich, welches den Vorlandzustand des Untersuchungsgebiets vor Beginn der Bergbautätigkeiten erfasst. Dieses Geländemodell wurde mit Hilfe topografischer Karten der Preußischen Landesaufnahme aus dem Jahr 1892 erstellt.
Im Gegensatz zu anderen landwirtschaftlichen Arten sind die im Weinbau verwendeten Sorten sehr alt, Riesling mindesten 500 Jahre, Spätburgunder mindestens 1000 Jahre. Reben werden vegetativ vermehrt und im Laufe der Zeit haben sich durch Mutationen bei traditionellen Sorten zahlreiche Spielarten entwickelt. Gelegentlich betreffen diese Veränderungen deutlich sichtbare Merkmale wie die Blattbehaarung oder die Beerenfarbe. So entstanden aus dem blauen Spätburgunder die Sorten Ruländer und Weißburgunder. Doch die meisten dieser genetischen Veränderungen bleiben unscheinbar, wie eine veränderte Beerengröße, Beerenstiellänge, Seitentriebbildung oder Säuregehalt der Früchte. Es sind jedoch gerade diese Veränderungen, die die Voraussetzungen für die Entwicklung neuer, den Belangen der Praxis besser angepasster Klone bildet. Diese erlauben des dem Winzer den für seine Produktionsziele besten Klon zu benutzen. So erfolgreich die deutsche Klonenselektion in den vergangenen 100 Jahren auch war, so gefährdet ist sie jedoch auch. Durch den Ersatz alter Weinberge, die noch nicht mit Klonen bepflanzt wurden, durch Klonen reine Bestände, verschwindet die genetische Vielfalt innerhalb alter traditioneller Sorten wie Riesling oder Burgunder. Damit reduziert sich gleichzeitig die Möglichkeit zur Entwicklung neuer Klone, die den Erfordernissen eines zunehmend kompetitiven globalen Marktes, gewachsen sind. Eine Erhaltung dieses Material ist daher dringend geboten. Zurzeit dürften weniger als 500ha der deutschen Rebfläche nicht mit Klonenmaterial bepflanzt sein. Viele dieser Weinberge stehen in sehr alten, schwer zugänglichen Steillagen an der Mosel und sind sowohl wegen ihres hohen Alters als auch ihrer geringen Wirtschaftlichkeit bedroht. Die Zahl nimmt durch Betriebsaufgaben und Flurbereinigungen ständig ab und damit auch die genetische Streubreite alter Sorten, wie Riesling. Zur Sicherung der genetischen Vielfalt innerhalb traditioneller deutscher Sorten sammelt das Fachgebiet in alten Rebanlagen phänotypisch interessant erscheinendes Material, testet es auf wirtschaftlich wichtige Viruserkrankungen und sichert gesundes Material in situ auf den Flächen des Fachgebiets bzw. denen von Partnerinstitutionen.
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