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Modeled environmental data-layers and changes predicted under RCP2.6, 4.5 and 8.5 for the deep Atlantic Ocean

The data layers provided show current values for seawater temperature, pH, calcite and aragonite saturation (%), oxygen concentration, and particulate organic carbon (POC) flux to the seafloor at different depths (500, 1000, 2000, 3000, and 4000m) at the present day (1951-2000) and changes in these variables expected between 2041-2060 and 2081-2100 under different RCP scenarios. The data layers were generated following the methods described in Levin et al. (2020). In short, in 2019, we obtained the present day and future ocean projections for the different years which were compiled from all available data generated by Earth Systems Models as part of the Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5 (CMIP5) to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Three Earth System Models, including GFDL‐ESM‐2G, IPSL‐CM5A‐MR, and MPI‐ESM‐MR were collected and multi-model averages of temperature, pH, O2 , export production at 100-m depth (epc100), carbonate ion concentration (co3), and carbonate ion concentration for seawater in equilibrium with aragonite (co3satarg) and calcite (co3satcalc) were calculated. The epc100 was converted to export POC flux at the seafloor using the Martin curve (Martin et al., 1987) following the equation: POC flux = export production*(depth/export depth)0.858. The export depth was set to 100 m, and the water depth using the ETOPO1 Global Relief Model (Amante and Eakins, 2008). Seafloor aragonite and calcite saturation were computed by dividing co3 by co3satarg and co3satcalc. All variableswere reported as the inter-annual mean projections between 1951-2000, 2041-2060, and 2081-2100. The data for calcite and aragonite saturation can be found in Morato et al. (2020).

Visualisierung mikrobieller Gemeinschaften auf marinem Mikroplastik: Identifikation, Interaktionen und Auswirkungen

Marines Mikroplastik (MMP) ist eine zunehmende anthropogene Verschmutzung in den Meeren. Der Einfluss auf marine Tiere, durch Verfangen und verschlucken von Plastikmüll, ist bekannt. Aber der Einfluss von MMP auf Mikroorganismen, wie Bakterien, Archaeen und Protisten, die die Basis der Nahrungsnetze bilden, ist kaum verstanden. Auf Grund der besonderen Eigenschaften von MMP, kann es als neues Habitat und als Transportmittel für bestimmte u.a. auch gesundheitsgefährdende Mikroorganismen dienen, die über lange Distanzen bis in entlegene Regionen transportiert werden können. Darüber hinaus kann MMP das Zusammenleben von Mikroorganismen in enger Nachbarschaft ermöglichen und die Stoffwechselwege vieler verschiedener Verbindungen beeinflussen. Um den Einfluss von MMP und ihrer assoziierten Mikroorgansimen auf marine Ökosysteme zu verstehen, müssen wir die Zusammensetzung und Interaktionen von mikrobiellen Gemeinschaften auf MMP identifizieren und ihre globale Ausbreitung untersuchen. Ich möchte die Diversität und die räumliche Verteilung von mikrobiellen Gemeinschaften auf MMP charakterisieren. Proben von MMP wurde bereits von meinem Gastinstitut in verschiedenen Meeresregionen (Atlantik, Pazifik, Indischer Ozean) gesammelt. Mein Ziel ist es: 1) zu identifizieren, welche Mikroorganismen auf MMP vorkommen; 2) die lokale Verteilung und Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft auf MMP und in Experimenten auf Bioplastikpartikeln zu untersuchen; 3) zu verstehen, welche Mikroorganismen am stärksten mit der Polymer Oberfläche assoziiert sind; 4) herauszufinden, ob es charakteristische Mikrobiome auf MMP in verschiedenen Meeresregionen gibt und 5) zu untersuchen, welche Mikroorganismen MMP abbauen können. Die Chancen für die erfolgreiche Durchführung des vorgeschlagenen Projekts ist hoch, da präperierte Proben bereits in meinem Gastlabor vorhanden sind, an denen die innovative Mikroskopiertechnik namens CLASIFISH (Combinatorial Labelling and Spectral Imaging Fluorescence In Situ Hybridization) angewandt werden kann. Diese Methode ermöglicht es viele verschiedene Mikroorganismen und ihre räumliche Verteilung auf einem Plastikpartikel schnell und präzise zu identifizieren. Ich möchte diese Methode an Proben aus dem Atlantik und Pazifik anwenden, sowie Mikroben identifizieren, die im offenen Ozean Plastik abbauen. Zusätzlich möchte ich Inkubationsexperimente mit Bakterienkulturen, die bereits auf Plastik identifiziert wurden und in meinem Gastinstitut zur Verfügung stehen, auf Bioplastikpartikeln durchführen. Mit diesen Experimenten möchte ich herausfinden, wie sich mikrobielle Gemeinschaften auf Bioplastik über die Zeit entwickeln und ob bzw. wie diese Mikroben Plastik abbauen. Für diese Inkubationsexperimente möchte ich FISH, CLASIFISH, scanning electron microscopy sowie metagenomische und metatranscriptomische Ansätze verwenden.

Langfristige Veränderungen von Ozeangezeiten – Prozessverständnis und Vorhersagen

Langfristige Veränderungen von Gezeiten zählen zu den bemerkenswertesten Facetten der Ozeandynamik. Zur Entschlüsselung dieser Signale wird im vorliegenden Projekt ein mehrschichtiger Modellierungsansatz auf globalen und regionalen Skalen entwickelt, der Meeresspiegelvariationen, Veränderungen der ozeanischen Dichtestruktur und Migrationsbewegungen von antarktischem Schelfeis in klassische Gezeitensimulationen einflechtet. Die Reaktion primärer Partialtiden auf diese Antriebsmechanismen wird in einer ersten Ausbaustufe von ~1970 bis 2015 erarbeitet, wobei hochauflösende barokline (3D) Simulationen im Nordostatlantik und um Australien rigoros in globale barotrope (2D) Vorwärtsläufe eingebettet werden. Die Validierung der Simulationsergebnisse gegenüber robusten und großräumigen Gezeitentrends aus Wasserstandsbeobachtungen legt den Grundstein für konkrete Projektionen von Ozeangezeiten bis zum Jahr 2100 unter Annahme realistischer Emissionsszenarien. Veränderte Randbedingungen in globalen und regionalen Gezeitenläufen einhergehend mit Meeresspiegelanstieg, Ozeanerwärmung und ausdünnendem Schelfeis werden hierzu in konsistenter Weise aus gekoppelten Klimamodellen abgeleitet. Erweiterte barokline und globale Sensitivitätsexperimente liefern einen Überblick über Küstenabschnitte, in denen mit nennenswerten Gezeitenentwicklungen durch großflächige Veränderungen der Dichtestruktur zu rechnen ist. Neben dem reinen Prozessverständnis soll auch Augenmerk auf die Abschätzung von Unsicherheiten der numerisch modellierten Tidenvariabilität in den kommenden Dekaden gelegt werden. Das Projekt ebnet in seiner Gesamtheit den Weg für eine verlässlichere Quantifizierung von säkularen Gezeitensignalen in Anwendungsbereichen (z.B. Küstenschutz) und der Ozeanographie nahestehenden Wissenschaftsdisziplinen.

Sauerstoffabnahme im Ozean: Implikationen für die N2O Produktion und die Atmosphäre

N2O ist ein wichtiges Treibhausgas und seine atmosphärische Lebensdauer ist ausreichend lang, um in die Stratosphäre zu gelangen wo es an ozonabbauenden photochemische Reaktionen beteiligt ist (de Bie et al. 2002). Der Ozean ist eine bedeutende Quelle von N2O und macht etwa 35% der natürlichen Quellen aus. Die mikrobielle Produktion von N2O (NH4+-Oxidation, Nitrifizierer-Denitrifikation, Denitrifikation) wird weitgehend über die Konzentration von gelöstem Sauerstoff (DO) reguliert. Unterhalb einer bestimmten, aber ungenau definierten DO-Konzentration, findet deutlich erhöhte N2O Produktion statt. Die Hinweise auf sinkende DO-Konzentrationen im Ozean häufen sich und dies wird zu einer erhöhten ozeanischen N2O Produktion und somit zu einer erhöhten N2O-Emission in die Atmosphäre führen. Bevor dies geschieht ist entscheidend, dass wir 1) die aktuellen N2O Bedingungen im Ozean identifizieren (d.h. N2O-Verteilung, Produktion und Produktionswege) und 2) bestimmen, wie sich die N2O Bedingungen unter verschiedenen Szenarien zukünftiger DO-Konzentrationen ändern werden. Für Punkt 1 werden Arbeiten im nordöstlichen tropischen Atlantik durchgeführt, da dort DO-Konzentrationen herrschen, die für den größten Teil des Ozeans charakteristisch sind. Für Punkt 2 werden wir Arbeit in zwei extremen Sauerstoffminimumzonen (OMZ) durchzuführen (im südöstlichen tropischen Pazifik und in einem low oxygen eddy im nordöstlichen tropischen Atlantik), wo die DO-Konzentrationen wesentlich niedriger sind als im Großteil des Ozeans. In beiden Regionen werden wir: 1) N2O-Konzentrationen messen; 2) del15N, del18O und 15N Site Preference von N2O messen, um die relative Bedeutung, die die verschiedenen Produktionswege von N2O an der Gesamtkonzentration haben, zu bestimmen; 3) N2O-Produktionsraten für jeden der verschiedenen Produktionswege mittels der 15N-Tracer-Technik bestimmen. Zusätzliche Molekularanalysen werden helfen, die verschiedenen N2O-produzierenden Organismen zu charakterisieren und zu quantifizieren. Um die Auswirkungen zu studieren, die eine erhöhte N2O-Produktion im Ozean (als Folge der abnehmenden DO-Konzentration) für die Atmosphäre hat, ist es wichtig, dass wir die Faktoren die den Gasaustausch von N2O beeinflussen, besser verstehen. Mittels der Eddy-Kovarianz-Technik werden wir N2O Flüsse aus dem Meer direkt messen und mit physikalischen, chemischen und biologischen Parametern vergleichen.

Integrative Kartierung und Priorisierung von Schutzgebieten im Atlantik - Leitlinien für die Abwägung von Naturschutzprioritäten mit wirtschaftlichen und rechtlichen Interessen auf Hoher See, Vorhaben: Nahrungsnetzstruktur, Biodiversität und Ökosystemleistung des Zooplanktons

Wie prägen kohärente Luftströmungen den Einfluss des Golfstroms auf die großskalige atmosphärische Zirkulation der mittleren Breiten?

Über dem Nordatlantik und Europa wird die Variabilität der großräumigen Wetterbedingungen von quasistationären, langandauernden und immer wiederkehrenden Strömungsmustern â€Ì sogenannten Wetterregimen â€Ì geprägt. Diese zeichnen sich durch das Auftreten von Hoch- und Tiefdruckgebieten in bestimmten Regionen aus. Verlässliche Wettervorhersagen auf Zeitskalen von einigen Tagen bis zu einigen Monaten im Voraus hängen von einer korrekten Darstellung der Lebenszyklen dieser Strömungsregime in Computermodellen ab. Um das zu erreichen müssen insbesondere Prozesse, die günstige Bedingungen zur Intensivierung von Tiefdruckgebieten aufrecht erhalten, und Prozesse, die den Aufbau von stationären Hochdruckgebieten (blockierende Hochs) begünstigen, richtig wiedergegeben werden. Aktuelle Forschung deutet stark darauf hin, dass Atmosphäre-Ozean Wechselwirkungen, insbesondere entlang des Golfstroms, latente Wärmefreisetzung in Tiefs, und Kaltluftausbrüche aus der Arktis dabei eine entscheidende Rolle spielen. Dennoch mangelt es an grundlegendem Verständnis wie solche Luftmassentransformationen über dem Ozean die großskalige Höhenströmung beeinflussen. Darüber hinaus ist die Relevanz solcher Prozesse für Lebenszyklen von Wetterregimen unerforscht. In dieser anspruchsvollen drei-jährigen Kollaboration zwischen KIT und ETH Zürich streben wir an ein ganzheitliches Verständnis zu entwickeln, wie Wärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre und diabatische Prozesse in der Golfstromregion die Variabilität der großräumigen Strömung über dem Nordatlantik und Europa prägen. Zu diesem Zweck werden wir ausgefeilte Diagnostiken zur Charakterisierung von Luftmassen mit neuartigen Diagnostiken zur Bestimmung des atmosphärischen Energiehaushaltes verbinden und damit den Ablauf von Wetterregimen und Regimewechseln in aktuellen hochaufgelösten numerischen Modelldatensätzen und mit Hilfe von eigenen Sensitivitätsstudien untersuchen. Dazu werden wir unsere Expertise in größräumiger Dynamik und Wettersystemen, sowie Atmosphäre-Ozean Wechselwirkungen â€Ì insbesondere während arktischen Kaltluftausbrüchen â€Ì und der Lagrangeâ€Ìschen Untersuchung atmosphärischer Prozesse nutzen. Im Detail werden wir (i) ein dynamisches Verständnis entwickeln, wie Luftmassentransformationen entlang des Golfstroms die Höhenströmung über Europa beeinflussen, mit Fokus auf blockierenden Hochdruckgebieten, (ii) die Bedeutung von Luftmassentransformationen und diabatischer Prozesse für den Erhalt von Bedingungen, die die Intensivierung von Tiefdruckgebieten während bestimmter Wetterregimelebenszyklen bestimmen, untersuchen, (iii) diese Erkenntnisse in ein einheitliches und quantitatives Bild vereinen, welches die Prozesse, die den Einfluss des Golfstroms auf die großräumige Wettervariabilität prägen, zusammenfasst und (iv) die Güte dieser Prozesse in aktuellen numerischen Vorhersagesystemen bewerten. Diese Grundlagenforschung wird wichtige Erkenntnisse zur Verbesserung von Wettervorhersagemodellen liefern.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Investigation of mechanism driving glacial/interglacial variability in stratification/mixing and biological productivity of the Pacific Southern Ocean and potential implications on air-sea CO2-exchange: synthesis of climate and ocean biogeochemical modeling with paleoceanographic reconstructions

Atmospheric CO2 concentrations present a repetitive pattern of gradual decline and rapid increase during the last climate cycles, closely related to temperature and sea level change. During the Last Glacial Maximum (LGM; 23-19 kyr BP), when sea level was ca. 120 m below present, the ocean must have stored additionally about 750 Gt carbon. There is consensus that the Southern Ocean represents a key area governing past and present CO2 change. The latter is not only of high scientific but also of socio-economic and political concern since the Southern Ocean provides the potential for an efficient sink of anthropogenic carbon. However, the sensitivity of this carbon sink to climate-change induced reorganizations in wind patterns, ocean circulation, stratification, sea ice extent and biological production remains under debate. Models were not yet able to reproduce the necessary mechanisms involved, potentially due to a lack of the dynamic representation/resolution of atmospheric and oceanic circulation as well as missing carbon cycling. Data on past Southern Ocean hydrography and productivity are mainly from the Atlantic sector, thus do not adequately document conditions in the Pacific sector. This sector is not only the largest part of the Southern Ocean, but it also represents the main drainage area of the marine-based West Antarctic Ice Sheet (WAIS). In the proposed study we aim to generate paleo-data sets with a newly established proxy method from sediment core transects across the Pacific Southern Ocean. This will enhance the baselines for the understanding and modeling of the Southern Ocean's role in carbon cyling, i.e. ocean/atmosphere CO2 exchange and carbon sequestration. It will also allow insight into the response of the WAIS to past warmer than present conditions. Paired isotope measurements (oxygen, silicon) will be made on purified diatoms and radiolarians to describe glacial/interglacial contrasts in physical and nutrient properties at surface and subsurface water depth. This will be used to test (i) the impact of yet unconsidered dust-borne micronutrient deposition on the glacial South Pacific on shifts of primary productivity, Si-uptake rates and carbon export, (ii) the 'silicic-acid leakage' hypothesis (SALH) and (iii) the formation and extent of surface water stratification. Diatom and radiolarian oxygen isotopes will provide information on the timing of surface ocean salinity anomalies resulting from WAIS melt water. Climate model simulations using a complex coupled atmosphere ocean general circulation model (AOGCM) in combination with a sophisticated ocean biogeochemical model including Si-isotopes will be used for comparison with the paleo records. The analysis will cover spatial as well as temporal variability patterns of Southern Ocean hydrography, nutrient cycling and air-sea CO2-exchange. With the help of the climate model we aim to better separate and statistically analyse the individual impacts of ocean circulation and bio

Forschergruppe (FOR) 1740: Ein neuer Ansatz für verbesserte Abschätzungen des atlantischen Frischwasserhaushalts und von Frischwassertransporten als Teil des globalen Wasserkreislaufs, The Atmospheric Side of the Freshwater Budget

The focus of this project is to analyse the observed surface freshwater fluxes through improved estimates of evaporation and precipitation and their individual error characteristics in the HOAPS climatology and its ground validation in climate-related hotspots of the Atlantic Ocean. To enable that in a consistent manner we propose to establish an error characterization of the HOAPS evaporation data by triple collocations with ship and buoy measurements and between individual satellites and to improve the error characterization of the HOAPS precipitation by analysing available shipboard disdrometer data using point to area statistics. After these improvements, an analysis of the spatio-temporal variability of the surface fresh water balance E-P over the Atlantic Ocean is planned, especially with respect to the Hadley circulation and the hotspot regions of interest to related WPs. Also the atmospheric water transport shall be analysed in order to find the source or target region of local fresh water imbalances. And finally, a consistent inter-comparison of the upcoming global ocean surface salinity fields from SMOS with freshwater fluxes from the HOAPS climatology is proposed.

Strukturelle und physiologische Anpassungen zur Aufnahme geloester organischer Substanzen durch Coelenteraten

Aktinien (Nesseltiere) sind physiologisch und strukturell ausgezeichnet daran angepasst, direkt mit der Koerperoberflaeche aus dem Meere geloeste organische Verbindungen aufzunehmen und zu verwerten. Es ist danach zu fragen, welche generelle Bedeutung dieser Seitenzweig in der marinen Nahrungskette bzw. im Energiefluss hat.

Biogeochemie von Spurenelementen im Südost-Atlantik; ein deutscher Beitrag zum internationalen GEOTRACES-Programm

Unsere bewilligte Forschungsfahrt M121 mit FS Meteor im Südostatlantik wird im November/Dezember 2015 stattfinden. Mit dem vorliegenden Antrag beantragen wir Mittel für Personal zur Teilnahme an der Fahrt und Kosten für die Auswertephase nach der Fahrt. Der Fokus des Projektes liegt auf der Biogeochemie und chemischen Ozeanographie von Spurenmetallen, wofür aber auch physikalische und biologisch-ozeanographische Informationen gesammelt werden. Die Untersuchungsschwerpunkte sind die detaillierte Erfassung der Verteilung von Spurenelementen in der Wassersäule des Südostatlantiks, die Untersuchung von Eintrags- und Austragsmechanismen, die biogeochemischen Zyklen dieser Spurenelemente, und deren Zusammenhänge mit dem Stickstoffkreislauf im Untersuchungsgebiet. Die Ausfahrt wird als offizieller Bestandteil in das international koordinierte GEOTRACES-Programm eingebettet sein. Der erste Schwerpunkt wird die detaillierte Untersuchung der Verteilung der Spurenelemente in der Wassersäule des Benguela-Auftriebs sein, von denen einige als limitierende Mikronährstoffe der Bioproduktivität und der Diazotrophie fungieren. Wir werden die Beziehung zwischen Makro- und Mikronährstoffkonzentrationen und den Flüssen dieser Nährstoffe untersuchen sowie die Beziehung zur biologischen Produktivität und dem Stickstoffzyklus. Die Spurenmetallverteilung soll auch mit der Verteilung und Mischung der Wassermassen im Benguela-Auftriebsgebiet und deren Eigenschaften in Verbindung gebracht werden, insbesondere den Sauerstoffgehalten und dem Austausch mit dem anoxischen Schelf. Weiterhin werden wir den Eintrag und die Eintragswege der Spurenmetalle über Staub (Wüste Namib), Sediment und große Flüsse (hauptsächlich Orange und Kongo) erfassen. Den Abschluss der Projektarbeiten wird die Verteilung der Spurenmetalle in der gesamten Wassersäule im offenen Ozean des Südostatlantiks als Funktion der großskaligen Ozeanzirkulation und Wassermassenmischung sein; diese Arbeiten werden in enger Kooperation mit J. Scholten und M. Frank (Kiel) stattfinden, die einen komplementären Antrag einreichen. Die Arbeiten dieses Projektes haben eine Bedeutung für das globale Verständnis der Rolle unterschiedlicher Prozesse, die die chemischen Umweltbedingungen im Ozean, mit dem Fokus auf Spurenmetalle, steuern und in denen die Ökosysteme funktionieren.

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