Der Anstieg des Meeresspiegels im Zuge des anthropogenen Klimawandels ist ein aktuelles Thema mit hoher gesellschaftlicher Relevanz. Um den künftigen Meeresspiegelanstieg zuverlässig prognostizieren zu können, ist es erforderlich, kurzfristige Meeresspiegelschwankungen, die dem Tempo des anthropogenen Klimawandels entsprechen, im Detail zu verstehen. Ebenso wichtig ist es, die grundlegenden Mechanismen hinter den niedriger-frequenten Meeresspiegelschwankungen zu verstehen, die den kurzfristigen Schwankung unterliegen. Solche Informationen können aus Intervallen der Erdgeschichte gewonnen werden, die der nahen Zukunft vergleichbare klimatische Rahmenbedingungen aufweisen. Vor diesem Hintergrund befasst sich dieses Projekt mit der Rekonstruktion kurzfristiger (auch für den aktuellen Klimawandel relevanten) Meeresspiegelschwankungen unter erdgeschichtlich wärmeren klimatischen Rahmenbedingungen. Der Untersuchungszeitraum umfasst das späte Pliozän bis frühe Pleistozän (3.35 bis 2.05 Mio Jahre, Marine Isotopenstadien MG1 bis 78), da dieser Zeitabschnitt alle klimatischen Rahmenbedingungen abdeckt, die für das Verständnis des fortschreitenden Klimawandels von Bedeutung sind. Verlässliche, quantitative Rekonstruktionen des Meeresspiegels sollen durch einen neuen, innovativen geochemischen Ansatz basierend auf Sauerstoffisotopen, Mg/Ca Verhältnissen und 'clumped isotopes' erzeugt werden. Hierzu werden Proben benthischer Foraminiferen aus dem östlichen äquatorialen Pazifik untersucht (ODP Site 849). Im Vergleich zur eher konventionellen Sauerstoffisotopen- und Mg/Ca-Methode macht dieser neue integrierte Ansatz einen weiteren notwendigen Schritt hin zu einer möglichst zuverlässigen Meeresspiegelrekonstruktion. Der vorgeschlagene Ansatz wird es erlauben, die Diskrepanzen aktuell verfügbarer Paläo-Meeresspiegelrekonstruktionen, die mehr als 500.000 Jahre zurückreichen, zu erklären. Darüber hinaus wird es durch die hohe zeitliche Auflösung erstmals möglich, die interne Struktur eines Glazials aus dem späten Pliozän/frühen Pleistozän mit der vergleichsweise gut verstandenen internen Anatomie spätpleistozäner Glaziale zu vergleichen.
Wissenschaftler sowie Politiker erwägen die regionale Verwendung von Marine Cloud Brightening (RegMCB) als mögliche Solar Radiation Management Technologie um die Erderwärmung durch anthropogene Treibhausgase gezielt zu verlangsamen. Während theoretische Arbeiten bezeugen, dass dieser Ansatz prinzipiell einen kühlenden Effekt im Klimasystem erzeugen kann, verbleiben enorme Unsicherheiten bezüglich der Wirksamkeit und der potentiellen Auswirkungen dieses Ansatzes. Dennoch werden erste MCB Feldexperimente in Australien bereits durchgeführt und sind auch in anderen Ländern in der Planung.Der aufhellende Effekt in marinen Wolken durch die kontinuierliche Emission von Seesalz in die untere Troposphäre ist bis heute nur hinreichend verstanden. Der Grad der Wirksamkeit dieser Technologie basiert hauptsächlich auf entweder hoch-aufgelösten Modellrechnungen, welche räumlich und zeitlich stark eingeschränkt sind, oder auf globalen Klimamodellrechnungen, welche auf stark vereinfachten Annahmen über den Ausstoß von Seesalzpartikeln basieren. Diese Lücke zwischen bisher verwendeten Modellansätzen werden wir innerhalb dieses Forschungsantrags schließen. Mit Hilfe von Simulationen von möglichen MCB Strategien innerhalb des Kalifornischen Stratocumulus Wolkendecks, werden wir den Wirksamkeitsgrad dieser Technologie unter realistischen Annahmen quantifizieren, und gleichzeitig potentielle Auswirkungen auf der regionalen Skala identifizieren und quantifizieren können.Innerhalb dieses Projektes werden wir eine vereinfachte Version von ICON-HAM, einem Klimamodell mit einer umfassenden Parametrisierung der Aerosolmikrophysik inklusive Strahlungskopplung und Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen, entwickeln und verifizieren. Unser Modellansatz beinhaltet die volle Komplexität ICON-HAMs für Seesalzgrößenverteilungen während alle anderen Aerosolspezien mit konstanten Hintergrundkonzentrationen vorgeschrieben werden. Diese Modellversion wird wir mithilfe von Beobachtungen des Kalifornischen Stratocumulus Wolkendecks verifiziert werden. Das Kalifornische Deck ist eins der vier subtropischen Stratocumulusregionen weltweit und ist im Vergleich zu den anderen Decks am umfassendsten vermessen und verstanden. Innerhalb von RegMCB werden wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen welche uns helfen werden den Wirksamkeitsgrad und die Grenzen dieser Technologie zu quantifizieren. Innerhalb dieses Antrages werden erstmals Simulationen durchgeführt welche auf realistischen MCB Szenarien basieren und die nötige Komplexität beinhalten Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen korrekt abzubilden. Gleichzeitig tragen die hier vorgeschlagenen Arbeiten zu einer Verbesserung unseres Verständnisses und der Repräsentation von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in marinen Stratocumuli allgmein bei.
Der anthropogene Wassernutzung und der Klimawandel können drastische negative Auswirkungen auf die Ökosysteme der Seen haben. Das auffälligste Beispiel für die Fragilität der Binnengewässer ist die 'ökologische Katastrophe des Jahrhunderts' vom Aralsee. Die Folgen der Austrocknung des Aralsees sind bis heute nicht vollständig geschätzt. Eine neue Erkenntnis des Projektteams, die für die geplante Studie von zentraler Bedeutung ist, war die Entdeckung der meromiktischen (permanenten) Schichtung, die sich im größten verbleibenden Meeresbecken, dem Großen Aral, zu entwickeln begann. Unsere Beobachtungen im Zeitraum 2015-2018 weisen darauf hin, dass der See sich in einer Übergangsphase der 'Meromiktisierung' befindet, die durch die Wasserregulierung in den einströmenden Flüssen und durch klimabedingte Änderungen des regionalen Wasserhaushalts beschleunigt wird. Ein solcher Übergang deutet auf akute Änderungen im biogeochemischen Regime hin. Einige von ihnen, beispielsweise ein rascher Anstieg der Methankonzentration im See, wurde vom Projektteam bereits registriert. Um die Mechanismen der Meromiktisierung zu quantifizieren und ihre Auswirkungen auf die regionalen Skalen zu bewerten, schlagen wir vor, eine Reihe von Feldforschungsmethoden, wie Überwachung des Schichtens und des Sauerstoffregimes, direkte Schätzungen der mikrobiellen Aktivität, Methankonzentration und Emissionen sowie turbulenter Stoffübertragung über die Wassersäule, stabile Isotopenuntersuchungen des Wasserhaushaltes anzuwenden, ergänzt durch Modellierung und Daten aus Fernerkundung. Die gegenwärtige Situation im Großen Aral ermöglicht es, beispiellose Veränderungen des Ökosystems des Sees zu verfolgen, die durch die größten Bedrohungen für die Binnengewässer der Welt verursacht wurden: der zunehmende Wasserverbrauch und die klimabedingte Veränderung des Wasserbudgets. Eine zeitnahe und detaillierte Untersuchung der Transformationen im Ökosystem vom Großen Aral würde somit zu einem 'Worst-Case' -Szenario für andere große abflusslosen Seen in Trockengebieten darstellen, die von denselben anthropogenen Treibern bedroht sind. Als Ergebnis dieses Projekts wird eine Quantifizierung des derzeitigen Mischungsregimes im Großen Aral sowie eine Einschätzung der zukünftigen Tendenz beim saisonalen bis mehrjährigen Mischungsverhältnissen und deren Auswirkungen auf Biogeochemie, insbesondere Methanproduktion und Biodiversität, erwartet.
Die Mission CIRRUS-HL – Zirren in hohen Breiten nutzt das Forschungsflugzeug HALO gemeinsam mit Modellen und Satelliten, um die Nukleation, den Lebenszyklus und die Klimawirkung von Eiswolken in hohen Breiten, einer Region mit massiven anthropogenen Klimaänderungen, genauer zu bestimmen. InhaltSchnellste und massivste anthropogen verursachte Änderungen der Erdoberflächentemperatur finden in hohen Breiten statt. Hier führen Eiswolken im Winter zu einem großen positiven Strahlungsantrieb. Direkte Messungen der mikrophysikalischen Eigenschaften von Eiswolken und ihrer Variabilität sind jedoch unvollständig und Eisanzahlkonzentrationen werden in Klimamodellen nicht adäquat repräsentiert, dies schränkt die Aussagekraft von Klimamodellen in hohen Breiten deutlich ein. Die Messkampagne CIRRUS-HL, in den letzten 6 Jahren die einzige HALO Messkampagne mit in situ Wolken-Instrumentierung nutzt neuere Wolkensonden gemeinsam mit umfangreichen Spurengas-, Aerosol- und Strahlungs-Messungen um die Nukleation, den Lebenszyklus und die Klimawirkung von Eiswolken in hohen Breiten genauer zu bestimmen. Die Flugzeugmessungen werden begleitet von Messaktivitäten von Bodenstationen und Satelliten, und liefern Daten für Prozessmodelle und die Evaluierung von globalen Klimamodellen. Die CIRRUS-HL Mission ist eingebunden in einen internationalen Verbund an Messaktivitäten in der Arktis und besitzt als Alleinstellungsmerkmal einen Fokus auf Eiswolken. Von Oktober bis Dezember 2020 werden in Nordeuropa und Kanada 20 Flüge mit dem Forschungsflugzeug HALO, stationiert in Oberpfaffenhofen und Keflavik, Island, durchgeführt, um die Eigenschaften von Eiswolken genau zu vermessen, die sich in verschiedenen dynamischen Regimes wie zum Beispiel Frontensystemen oder orographisch induzierten Hebungen von Luftmassen gebildet haben. Eigenschaften von Zirren, die sich entweder unterhalb von 238 K in situ homogen oder heterogen gebildet haben, oder die ihren Ursprung in einer flüssigen oder Mischphasen-Wolke bei Temperaturen oberhalb von 238 K haben werden differenziert. Die CIRRUS-HL Mission liefert 1.) einen neuen Datensatz der mikrophysikalischen Eigenschaften von Eiswolken in hohen Breiten zur Verbesserung des Prozessverständnisses der Eisnukleation und zum Vergleich mit Satellitenbeobachtungen und Klimamodellen, 2.) neue Einblicke in den Transport von Aerosolen in hohe Breiten und ihre Prozessierung in Mischphasen- und Eiswolken und 3.) umfassende Beobachtungen von Strahlungseigenschaften von Eiswolken in hohen Breiten im Frühwinter. Der umfangreiche Datensatz zu Eiswolken dient dazu, das Verständnis der Rolle von arktischen Zirren im Klimasystem zu erhöhen.
Extreme kurzfristige Meeresspiegeländerungen können schwerwiegendere Auswirkungen auf die Gesellschaft und Ökosysteme haben, als ein langsam ansteigender mittlerer Meeresspiegel. Wenn sich die Anzahl von Extremereignissen unter dem Einfluss anthropogener Klimaänderungen verändert, kann das grundlegende Konsequenzen auf die Abschätzung klimawandelbedingter Auswirkungen haben, und in der Folge auf geplante Anpassungsmaßnahmen. Südostasien ist eine der bevölkerungsreichsten Regionen der Welt, welche den Auswirkungen von Taifunen und extratropischen Zyklonen unterliegt. Gegenwärtig ist noch unklar, inwiefern externe Klimaantriebe die Häufigkeit und Intensität von extremen Ereignissen wie Sturmfluten und starken und/oder langanhaltenden Niederschlagsereignissen beeinflussen, und welche Rolle dabei die interne Variabilität der Klimaantriebe spielt. Im Projekt Asia-Floods werden atmosphärische Wettermuster identifiziert werden, welche zu küstennahen Überflutungen durch Sturmfluten und/oder durch extreme kontinentale Niederschläge in der Region Südostasien führen können. Dazu wird eine Reihe von vorhandenen globalen und regionalen Klimasimulationen unterschiedlicher räumlicher Auflösung untersucht werden, welche sowohl die letzten Dekaden als auch Simulationen über das letzte Jahrtausend und Zukunftsszenarien abdecken. Auf Basis dieser Simulationen wird ein statistischer Downscaling Ansatz angewendet werden, in welchem die großskaligen atmosphärischen Klimafaktoren in einen statistischen Zusammenhang zu (beobachteten) lokalen Klimafaktoren gebracht werden. Dazu werden Beobachtungsdatensätze von extremen Wasserständen und Niederschlagsereignissen verwendet werden. Nach der Kalibrierung dieser statistischen Modelle anhand gegitterter Beobachtungsdaten und meteorologischer Reanalysen, können diese auf vergangene und zukünftige globale und regionale Klimasimulationen angewendet werden, um Änderungen in der Anzahl von Extremereignissen abschätzen zu können. Die erzielten Ergebnisse auf Basis der Klimasimulationen der vergangenen Jahrhunderte werden u.a. mit anderen Projekten innerhalb dieses SPPs abgeglichen, um die Häufigkeit von Überflutungen in Proxydaten zu untersuchen. Im Falle der Szenario-Simulationen werden die Ergebnisse u.a. verwendet, um den Anstieg der durch küstennahe Überflutungen verursachten ökonomischen Kosten abzuschätzen.
Abrupte Erwärmungsereignisse gekoppelt an das Freisetzen von großen Mengen an Kohlendioxid in die Atmosphäre und die Ozeane treten vor allem im frühen Paläogen auf. Diese sogenannten 'Hyperthermals' zeigen viele der Eigenschaften des rezenten, menschengemachten Klimawandels, wie z.B. den schnellen Eintrag von organischem Kohlenstoff und eine rapide, globale Erwärmung. Diese Gemeinsamkeiten machen die 'Hyperthermals' zu einer häufig genutzten Analogie um die Mechanismen und Effekte von vergangenen Erwärmungsereignissen zu untersuchen und somit einen Test der vorhandenen, modellbasierten Vorhersagen durchzuführen. Weiterhin können diese Ereignisse genutzt werden, um aufzuzeigen, wie Ökosysteme mit dem schnellen Anstieg der CO2 Emissionen zurechtkommen. Neue Studien haben gezeigt, dass den periodisch wiederkehrenden 'Hyperthermals' des frühen Paläogen eine orbitale Steuerung des Kohlenstoffkreislaufes zugrunde liegt. Da dies ein zentraler Bestandteil des Klimasystems der Erde ist, sollten vergangenen Treibhausklimaten vergleichbare Mechanismen zugrunde liegen und daher 'Hyperthermals' auch in diesen auftreten. Bis zum heutigen Tag gibt es allerdings keine Studie, die das Auftreten von periodisch wiederkehrenden, orbital-gesteuerten 'Hyperthermals' außerhalb des frühen Paläogens belegt.Prinzipielle Fragestellung des vorliegenden Projektes ist daher, ob 'Hyperthermals' im Treibhausklima des Maastricht (späte Kreide) vorkommen oder nicht. Diese Frage soll durch die Erstellung von geochemischen Paläoklimaproxies für ein spezifisches Zeitintervall des Maastricht (67-68,5 Millionen Jahre) an zwei verschiedenen Kernen (IODP Site U1403 aus dem Atlantik und ODP Site 1210 aus dem Pazifik) erreicht werden. Datensätze, die im Rahmen dieses Projektes generiert werden, basieren auf der Geochemie benthischer Foraminiferen (Mg/Ca und stabile Isotope) und auf der Rekonstruktion des Karbonatgehaltes der untersuchten Sedimente unter Zuhilfenahme von wt Prozent CaCO3 Messungen und eines XRF Kernscanners. Je nach den gewonnenen Ergebnissen werden sich unterschiedlichen Erkenntnisse über die prinzipiellen Mechanismen aufzeigen, die einem Treibhausklima zugrunde liegen. Die so gewonnenen Informationen werden einen genauen Einblick in die Kontrollmechanismen von Treibhausklimaten ermöglichen und stellen darüber hinaus einen Test dar, ob 'Hyperthermals' eine gute Analogie für unser Verständnis der zukünftigen Klimaerwärmung und ihrer Auswirkungen sind. Zusätzlich werden die Daten einen Vergleich der grundlegenden Mechanismen hinter den auftretenden 'Hyperthermals' (wenn sie denn im Maastricht existieren) in zwei unterschiedlichen Treibhausklimaten erlauben: dem frühen Paläogen mit seinen bekannten 'Hyperthermals' und der späten Kreide.
In jüngster Zeit wurde ein neuer Mechanismus zum Ozonabbau über besiedelten Gebieten in der wissenschaftlichen Gemeinschaft diskutiert, der vor einer zunehmenden Gefahr von niedrigem Ozon im Sommer in mittleren Breiten in der unteren Stratosphäre warnt. Der Ozonabbau soll durch erhöhte Mengen an Wasserdampf verursacht werden, die konvektiv in die Stratosphäre injiziert werden und zu durch Chlor bedingtem katalytischen Ozonverlust führen soll durch heterogene Reaktionen an binären Sulfat-Wasser-Aerosolen (H2SO4/H2O). Diese heterogenen Reaktionen werden durch erhöhte Mengen an Wasserdampf und niedrige Temperaturen beschleunigt. Vorausgesetzt, dass die Intensität und die Frequenz des konvektiv injizierten Wasserdampfes durch den anthropogenen Klimawandel in den nächsten Jahrzehnten ansteigen, ist mit einer Erhöhung der ultravioletten Strahlung (UV) auf der Erdoberfläche über besiedelten Gebieten zu rechnen. Die Details dieses neuen Ozonverlust-Mechanismus sind jedoch noch unklar, so dass eine genaue Quantifizierung des Ozonverlustes und seiner Sensitivität auf stratosphärischen Schwefel und Wasserdampf noch nicht möglich war. Ferner wurde im Rahmen von Climate-Engineering-Methoden, die Injektion von Sulfat-Aerosol in die Stratosphäre vorgeschlagen, um die globale Erderwärmung abzuschwächen. Dies könnte zusätzlich den Ozonabbau in der unteren Stratosphäre in mittleren Breiten verstärken. Motiviert durch diese Wissenslücken in unserem gegenwärtigen Verständnis von Ozonverlustprozessen in mittleren Breiten in der unter Stratosphäre, schlagen wir im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms 'Climate Engineering' ein Projekt vor, dass unter Bedingungen mit sowohl erhöhtem Wasserdampf als auch erhöhtem Sulfat-Aerosol den Ozonverlust analysiert. Unser Projekt basiert auf verschiedenen Simulationen mit dem drei-dimensionalen Chemie-Transport-Modell CLaMS mit dem Ziel die Details dieses neuen Ozonverlust-Mechanismus zu verstehen und zu quantifizieren. Ferner soll der mögliche Ozonverlustes unter Klima-Engineering-Bedingungen zuverlässig simulieren werden. Ein Algorithmus, der die Abhängigkeit des Ozonverlustes in mittleren Breiten von erhöhtem stratosphärischem Schwefel beschreibt, wird der Klima-Engineering-Community als Basis für weitere ökonomische Analysen zur Verfügung gestellt. Unsere Ergebnisse werden helfen zukünftige Entscheidungen über Klima-Engineering zu bewerten, um mögliche Risiken und Kosten für die Gesellschaft zu minimieren.
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