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Ermittlung des Potenzials von Speläothemen zur Rekonstruktion von (kurzfristigen) Phasen extremen Klimas

Ziel dieses Antrags ist es, das Potenzial von Speläothemen für die Rekonstruktion von (kurzlebigen) Phasen und Ereignissen extremen Klimas, wie besonders niedrigen Temperaturen, extreme, Niederschlagsmengen oder hohen Windgeschwindigkeiten, zu ermitteln. Solche Extremereignisse treten selten auf, verursachen aber oft große Schäden mit schwerwiegenden Folgen für Bevölkerung und Ökosysteme der betroffenen Region. Ein besseres Verständnis der Ursachen und Randbedingungen von Extremereignissen ermöglicht eine bessere Prognose ihres Auftretens in der Zukunft, was wesentlich ist für das Treffen entsprechender Vorkehrungen.Speläotheme bieten präzise datierte Multi-Proxy-Zeitreihen mit nahezu jährlicher Auflösung und haben somit ein großes Potenzial als Archiv von Extremereignissen. Allerdings werden die in Speläothemen gespeicherten Proxy-Signale im Aquifer über der Höhle in einem gewissen Umfang geglättet, weshalb die Sensitivität der jeweiligen Höhlensysteme und Proxys für die Rekonstruktion vergangener Extremereignisse bestimmt werden muss. Der Schwerpunkt dieses Antrags liegt auf dem 8.2 ka Event und den letzten 2000 Jahren. Das 8.2 ka Event war die extremste Klimaanomalie des Holozäns und spiegelt die Auswirkungen eines enormen Süßwassereintrags in den Nordatlantik während eines Interglazials wider. In den letzten 2000 Jahren wurden mehrere hundertjährige Klimaschwankungen identifiziert (z.B. die Mittelalterliche Warmzeit und die Kleine Eiszeit). Zusätzlich konnten andere, kurzlebige Klimaanomalien festgestellt werden, wie z.B. das historische Magdalenenhochwasser im Juli 1342 AD oder Hitze und Trockenheit in Europa von 1540 AD. Manche Ereignisse wurden durch Vulkanausbrüche ausgelöst (z.B. das Jahr ohne Sommer 1816 AD durch die Tambora Eruption 1815 AD).Mehrere Speläotheme, die während des 8.2 ka Event und der letzten 2000 Jahre wuchsen, aus drei Höhlen in Deutschland stehen zur Verfügung. Für alle drei Höhlen wurden langfristige Monitoring-Programme eingerichtet, was eine Voraussetzung ist, um die Prozesse in den Höhlen zu verstehen und die Proxy-Signale der Speläotheme zu interpretieren. Wir werden stabile Isotope und Spurenelemente in den entsprechenden Abschnitten der Stalagmiten mit sehr hoher Auflösung (jährlich) analysieren, und die Proben mittels MC-ICPMS 230Th/U-Datierung präzise datieren. Die Identifizierung der am besten geeigneten Proxys für die Rekonstruktion der Extremereignisse wird unter Verwendung eines quantitativen Modells basierend auf meteorologischen und Monitoring-Daten durchgeführt. Die Kombination aus präzise datierten, hochaufgelösten Multi-Proxy-Records und einem quantitativen Modell stellt eine solide Basis dar, um (i) geeignete Proxys für die Rekonstruktion der Extremereignisse zu identifizieren und (ii) bestimmte Ereignisse in verschiedenen Speläothemen zu vergleichen. Dies ermöglicht die Bestimmung von Zeitpunkt, Dauer und Struktur der Ereignisse.

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.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Periodisch auftretende 'Hyperthermals' des frühen Paläogen: Eine klimatische Besonderheit oder charakteristisches Merkmal von Treibhausklimaten?

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.

Veränderung globaler Umweltfaktoren und Zyklizität in Tiefseesedimenten des Pazifik (Leg 185) und des Atlantik von der Kreide bis heute

Die paläoklimatische und paläozeanographische Entwicklung des nordwestlichen Pazifik (ODP Leg 185) soll auf unterschiedlichen Zeitskalen untersucht und mit Daten aus dem Atlantik versehen werden. Anhand von sedimentologischen, mikropaläontologischen, geochemischen und stabilen Isotopen-Daten sollen Veränderungen der Akkumulationsraten klimatisch und ozeanographisch sensitiver Komponenten dokumentiert werden. Diese sollen mit biostratigraphischen und chemostratigraphischen Methoden sowohl im Hinblick auf die langfristigen zeitlich-räumlichen Trends, als auch mit frequenzanalytischen Methoden hochauflösend analysiert werden. Von besonderem Interesse sind die Intensitäten der atmosphärischen Zirkulation und die marine Produktivität sowie deren räumliche und zeitliche Variabilität. Diese Umwelt-Parameter sind vor allem in der Zusammensetzung der Feinfraktion und in den Akkumulationsraten von äolischem Staub, biogenem Opal und organischem Material überliefert. Der Vergleich mit ausgewählten DSDP/ODP-Sites im Atlantik soll Hinweise auf Zirkulationsregime und Wasseraustausch beider Ozeane geben.

Molekulare Systematik und Biogeographie ausgewählter Copepodenarten im Südpolarmeer

Im Rahmen dieses Projektes sollen die Verwandtschaftsbeziehungen ausgewählter Copepodenarten auf Populations- bzw. Artebene zwischen verschiedenen Gebieten des atlantischen Sektors des Südpolarmeeres (Küstenstrom (Weddell-, Lazarevmeer), Antarktischer Zirkumpolarstrom) u.a. mit molekulargenetischen Methoden untersucht werden. Damit werden neue Erkenntnisse über die ökologische Abgrenzung, Biogeographie, Phylogenie und Evolution pelagischer Copepoden erwartet.Da bei der Identifikation und Charakterisierung zahlreicher pelagischer Copepodenarten die Anwendung morphologischer Methoden nicht zu befriedigenden Ergebnissen führte, sollen in diesem Projekt maßgeblich molekularbiologische Methoden zum Einsatz kommen. Sollten die molekularbiologischen Daten deutliche genetische Distanzen der untersuchten Populationen aufzeigen, so wird davon auszugehen sein, dass Geschwisterarten bzw. supraspezifische Taxa (Gattungen, Familien) vorliegen. Molekularbiologischen Hinweisen soll als zweiter Schritt durch genauere morphologische Untersuchungen (Adult-/Postembryonalstadien, Karyologie) sowie durch Kreuzungsexperimente nachgegangen werden.

Forschergruppe (FOR) 1740: Ein neuer Ansatz für verbesserte Abschätzungen des atlantischen Frischwasserhaushalts und von Frischwassertransporten als Teil des globalen Wasserkreislaufs, Amplitude, mechanism, and dynamical significance of salinity variability in the Atlantic and Nordic Seas, analyzed from satellite data and ocean syntheses

The goal of this project is to quantify freshwater fluxes in the ocean, and improve our understanding of their temporal and spatial changes in terms of the interaction between ocean transport processes, surface net freshwater fluxes and river run-off, as well as mixing processes in the ocean. In particular, we aim at combining all available ocean salinity/freshwater data (including novel satellite-based salinity retrievals and ARGO data), surface freshwater fluxes (including HOAPS and NCEP net surface freshwater fluxes) and river discharge with a numerical model to improve our understanding of net surface sources of freshwater, near-surface freshwater budgets, and full-depth ocean freshwater transports. Respective sub-goals entail: -Improving the quality of SMOS and Aquarius surface salinity data and estimating respective error information required for their subsequent analysis and assimilation. - Expansion of the GECCO data assimilation system to incorporate surface salinity fields. - Evaluation of the sensitivity of subsurface salinity to freshwater fluxes (incl. run-off), surface salinity fields and subsurface salinity changes. - Estimates of surface and subsurface salinity fields, ocean transports of freshwater (including surface freshwater fluxes) from monthly mean SMOS and Aquarius fields, ARGO salinities and underway salinity measurements. - Quantifying the role of surface forcing (E-P-R) versus lateral transports and mixing of freshwater in modulating the freshwater content as function of depths and geographical position. Providing a best possible description of salinity changes and underlying processes in the Atlantic Ocean.

Late Pliocene climate changes of the Benguela Current System and in Southern Africa during the initiation of Northern Hemisphere Glaciation

Sonderforschungsbereich Transregio 165 (SFB TRR): Wellen, Wolken, Wetter; Waves to Weather - A Transregional Collaborative Research Center, Teilprojekt C03: Multiskalige Dynamik und Vorhersagbarkeit von Medicanes und atlantischen subtropischen Zyklonen

Eine ensemblebasierte Multiskalenanalyse der Dynamik und Vorhersagbarkeit von Medicanes wird durchgeführt und mit Fällen tropischer Umwandlung von subtropischen Zyklonen im Nordatlantik verglichen. Die Analyse reicht von vorhergehende Rossbywellen bis zu Antriebsmechanismen für Konvektion auf der Mesoskala. Visualisierungsmethoden helfen dabei, die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Prozessen und das damit verbundene Anwachsen der Vorhersageunsicherheit zu beleuchten. Die Auswertung von Ensembledaten erlaubt die Untersuchung von konsistenten Entwicklungen der relativ seltenen Medicanes.

Forschergruppe (FOR) 1740: Ein neuer Ansatz für verbesserte Abschätzungen des atlantischen Frischwasserhaushalts und von Frischwassertransporten als Teil des globalen Wasserkreislaufs, Freshwater budget and salinity variability in the subpolar and subtropical gyres of the North Atlantic

Up to recent years, the study of trends and variability of the salinity (and freshwater) distributions was hampered by the lack of temporal and spatial resolution of the available observations (Wang DFG form 54.011 - 1/12 page 3 of 6 et al., 2010). With the onset of the Argo programme, the number of observed salinity profiles have significantly increased. The many Argo profiles distributed evenly over the year provide not only the means to calculate seasonally averaged salinity (and freshwater) distributions, but they can also be used to calculate regional Gravest Empirical Modes (GEMs) parameterized by pressure and dynamic height. Dynamic height is measured by altimetry and high quality altimeter data are available since 1992. GEMs will be used to construct from altimetry high resolution (in time and space) salinity, temperature and density fields. The objectives of the proposal are to - combine Argo/CTD profiles and altimetry to calculate temporal and spatial high resolution salinity fields in the mixed layer and in the upper 1500-2000m for the time period 1992 - 2013 for the subpolar and the subtropical Atlantic. - Construct regional freshwater budgets for the mixed layer and the upper 1500-2000m and estimate the contributions of the main processes to the observed change - Follow salinity anomalies from their origin along their circulation pathways, and study involved mechanisms (for instance role of eddies, mean circulation) for shallow, intermediate and deep water masses - Investigate changes in the formation of North Atlantic mode waters in the subpolar and subtropical gyre

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).

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