Wir quantifizieren die Diffusivität von Wirbeln und untersuchen die Interaktion von Wirbeln mit der mittleren Strömung sowie submesoskaligen Prozessen in Schlüsselregionen des Ozeans mit Hilfe von Lagrange-Partikelstatistik in Ozeanmodellen und Beobachtungen. Die Datengrundlage liefert ein Drifterexperiment und in-situ Beobachtungen an der Benguela-Auftriebsfront. Zusätzlich entwickeln wir eine energetisch konsistente Parametrisierung von meso- und submesoskaligen Prozessen welche wir für den globalen Ozean testen werden, wobei der Fokus auf Skalen von 100 km - 1 km liegt.
Die saisonale vertikale Migration (SVM) beim marinem Zooplankton spiele potentiell eine Schlüsselrolle für die Primär- und Exportproduktion in höheren Breiten mit ausgeprägter Saisonalität. SVM ist ein wichtiger Teil des Verhaltens vieler mariner Zooplanktongemeinschaften in höheren Breiten, das ihnen ermöglicht, die bei der Frühjahrsblüte gebildete Biomass effizient zu nutzen. Geeignete Tage für den SVM Aufstieg im Frühjahr und den SVM Abstieg im Sommer sind wichtig, um die Verfügbarkeit von Futter zu maximieren und die Gefahr des Gefressenwerdens zu minimieren: wer zu früh oder zu spät aufsteigt, riskiert zu verhungern und wer zu spät absteigt wird leichter gefressen (Match-Mismatch-Hypothese). SVM tritt in niederen Breiten wenig bis gar nicht auf. Wegen dieser Komplikationen berücksichtigen die meisten biogeochemischen Modelle nur das Fraßverhalten, aber nicht die SVM des Zooplanktons. SVM wurde in Individuen-basierten Modellen (IBM) simuliert, um die saisonale Entwicklung und regionale Verteilung von Copepoden und deren Entwicklungsstadien zu untersuchen. IBM sind aber zu rechenintensiv für eine Anwendung in globalen 3D Modellen, insbesondere für Langzeitsimulationen. In vorangegangenen Projekten zu biogeochemischer Modellierung haben wir signifikante Diskrepanzen zwischen beobachteter und modellierter Sekundärproduktion beobachtet, die höchstwahrscheinlich auf das Fehlen von SVM im Modell zurückgehen. Hier wollen wir einfachere, trait- und optimalitäts-basierte SVM Modelle für globale Langzeitsimulationen entwickeln. Dabei können wir auf unsere bisher entwickelten Methoden zurückgreifen, um zu untersuchen, wie Traits, z.B. Tag des Aufstiegs oder Grad-Tage, das SVM Verhalten und seine Evolution steuern. Wir werden, zunächst in 1D und später auch in 3D biogeochemischen Modellen, trait-basierten SVM Beschreibungen entwickeln, um die treibenden Kräfte des SVM Verhaltens zu analysieren. Das Hauptziel ist dabei zu verstehen, welche Umweltfaktoren die Evolution von SVM Verhalten lokal bestimmen und wie sie globale Verteilungsmuster im SVM Verhalten und dessen Effekte auf Plankton-Ökologie und -Biogeochemie beeinflussen. Anschließend werden wir das Potential von SVM untersuchen, das Verhalten globaler Modelle zu verbessern, z.B. bezüglich der Verteilungen von Nährstoffen und Exportproduktion. Schließlich möchten wir SVM Effekte in Langzeitsimulationen vergangener und zukünftiger Klima-Szenarien analysieren. Unser Projekt bringt enge Verbindungen zwischen DynaTrait und anderen großen Forschungsprojekten mit sich, wobei DynaTrait vom DFG-finanzierten SFB 754 zu Sauerstoff-Minimum-Zonen und dem BMBF-finanzierten PalMod Projekt zu Langzeit-Klimasimulationen profitiert, aber auch einen Beitrag zu diesen Projekten leistet. Dadurch kann die Sichtbarkeit und Relevanz von DynaTrait für die globale Modellierung deutlich verbessert werden.
Fällt ein Regentropfen auf eine Wasseroberfläche oder platzt dort eine Gasblase, so wird in einem komplizierten strömungsmechanischen Prozess eine Vielzahl kleinster Tröpfchen produziert und in die Luft geschleudert. Diese Tröpfchen können ursprünglich im Wasser vorhandene Mikroplastikpartikel in die Luft übertragen. Da sowohl Regen als auch platzende Gasblasen in natürlichen und technischen Systemen wie Ozeanen, Pfützen oder Kläranlagen extrem häufige Ereignisse sind, liegt hier ein potenziell hochrelevanter Migrationspfad von Mikroplastik aus der Hydro- in die Atmosphäre vor. Dieser Prozess soll im vorliegenden Projekt durch eine Kombination aus Modell-Experimenten und Computersimulationen im Detail untersucht und verstanden werden.
Jüngste Entdeckungen in der chemischen Ozeanographie weisen darauf hin, dass hydrothermales Eisen ein wichtiger Modulator biogeochemischer Stoffkreisläufe im globalen Ozean ist, da die Verfügbarkeit von Eisen oft das Phytoplanktonwachstum und somit die biologische Kohlenstoffpumpe limitiert. Diese neuen Ergebnisse aus dem internationalen GEOTRACES-Programm bestätigen interessanterweise frühere Studien zu Mittelozeanischer Rücken, welche bereits zeigten, dass die hydrothermale Aktivität entlang des Mittelatlantischen Rückens (MAR) und damit auch der hydrothermale Stoffeintrag in den Ozean größer ist, als aufgrund der langsamen Spreizungsraten zu erwarten wäre. Über die Prozesse, welche diesen Stoffeintrag kontrollieren und wie sich diese zwischen mafischen und ultramafischen Hydrothermalsystemen unterscheiden, ist jedoch bisher nur wenig bekannt. Wir werden Transport-Reaktions-Modelle mit IODP-Daten kombinieren, um die kritische Kombination von Parametern zu identifizieren, welche den Salz- und Eisengehalt der an den Hydrothermalfeldern TAG und Rainbow freigesetzten Fluiden maximieren. Wird Seewasser in Hydrothermalsystemen stark erhitzt, so teilt es sich in eine dichte, salzige Sole und eine leichtere, salzarme Dampfphase auf, wobei sich die Metalle in der Sole anreichern. Diese Prozesse, zusammen mit der Ausfällung von eisenreichen hydrothermalen Mineralen entlang der Aufstiegswege, sind der Schlüssel zu einem tieferen Verständnis des hydrothermalen Eisentransport. Wie aber die Fließwege und die Strömungsdynamik dieser beiden Phasen innerhalb der Ozeankruste aussehen, ist bisher weitgehend unklar. Um diese Prozesse zu untersuchen, werden wir zu den einzigartigen Daten aus der ODP-158 Bohrkampagne zum mafischen TAG Hydrothermalfeld zurückkehren und diese mit hydrothermalen Transport-Reaktions-Modellen verbinden. Dieser Ansatz wird uns wichtige neue Einblicke in die Solebildung und den Eisentransport erlauben und so Aufschluss über die Gründe für den hohen Eisenausstoß geben. Diese Arbeiten werden durch eine Studie zum ultramafischen Rainbow Hydrothermalfeld ergänzt werden. Für dieses Hydrothermalfeld bereitet ein internationales Forschungsteam zurzeit einen IODP Bohrantrag vor und wir hoffen diesen durch unsere geplanten Arbeiten unterstützen zu können. Aus der Kombination dieser beiden Fallstudien erwarten wir grundlegende neue Erkenntnisse über die wichtigsten geologischen Prozesse, welche den hydrothermalen Eisenexport an langsamspreizenden Rücken kontrollieren und hoffen so einen wichtigen Beitrag zur Erforschung der Rolle von hydrothermalem Eisen in globalen Stoffkreisläufen leisten zu können.
Der Sauerstoffgehalt der Weltozeane ist notwendig zum Überleben der meisten Organismen und seine Abnahme hat damit einen enormen wirtschaftlichen Einfluss. Weil sich das globale Klima weiter ändert, werden nicht nur die Meere immer wärmer wodurch sie immer weniger Sauerstoff aufnehmen können, auch werden immer mehr Nährstoffe von den Kontinenten in den Meere gespült so dass viele Küstenregionen immer mehr Sauerstoff verlieren. Um den Einfluss des abnehmenden Sauerstoffgehalts auf marine Ökosysteme besser zu verstehen, brauchen wir Rekonstruktionen aus der Vergangenheit um zu verstehen was genau in der Zukunft passieren wird. Foraminiferen sind der ideale 'Proxy' um diese Änderungen zu rekonstruieren, weil sie nicht nur unter niedrigen Sauerstoffbedingungen überleben können sondern sogar auch weiter kalzifizieren, was notwendig ist um die Geochemie der Schalen zu nutzen. Während der Kalzifizierung werden z.B. redox-empfindliche Elemente wie Mangan in den Schalen eingebaut, was als Hinweis für frühere Sauerstoffbedingungen genutzt werden kann. Mit diesem Antrag plane ich, Mn/Ca in Foraminiferen zu nutzen, um zu zeigen wie der Pazifik im späten Pliozän den Großteil seinem Sauerstoffs verloren hat und damit seinen heutigen sauerstoffarmen Zustand erreichte. In diesem Projekt werde ich die nachfolgenden Hypothesen prüfen; zum ersten dass der Pazifik sein Sauerstoffgehalt innerhalb kürzester Zeit, nach dem Beginn der Nordhemisphären Vereisung (ca. 2.7 Ma), durch Wassermassenstratifizierung im Nordpazifik verloren hat; zweitens dass die Stratifizierung im Nordpazifik während des M2-Glazial (ca. 3.3 Ma) für die Abnahme des Sauerstoffgehalts des gesamten Pazifiks verantwortlich war; und drittens dass sich der Sauerstoffgehalt des Pazifik während der ersten Interglaziale (ca. 2.5 Ma) nach dem Beginn der Nordhemisphäre Vereisung zeitweise erholte.
Als Teil der globalen thermohalinen Zirkulation transportiert das Antarktische Zwischenwasser (AAIW) Wärme und Salz, es belüftet die intermediären Tiefen des Ozeans, und verteilt Nährstoffe aus dem Südozean (SO) in die nährstoffarmen Tropen. AAIW ist daher von globaler Bedeutung für die marine Biogeochemie und den Kohlenstoffkreislauf. Die Bildung des AAIW ist direkt an die Intensität des Auftriebs von Zirkumpolarem Tiefenwasser im SO gekoppelt und wird moduliert von den Westwinden und saisonaler Aussüßung durch Meereisexport und -abschmelzen. Obwohl es unbestritten ist, dass Transport und Zusammensetzung von AAIW eine wichtige Rolle für die ozeanischen und klimatischen Änderungen der letzten Deglaziation spielten, gibt es bisher nur wenige längere Aufzeichnungen der AAIW-Variabilität. Obwohl noch immer kontrovers, gibt es basierend auf Proxy-Daten zunehmende Einigkeit über einen anhaltenden oder nur leicht abgeschwächten AAIW-Export im Atlantik während des letzten glazialen Maximums. Neodym(Nd)-Isotopendaten, die eine größere und schnelle Variabilität nahelegten, wurden inzwischen sedimentären Überprägungen identifiziert, ein Problem, das auf den kontinentalen Schelfen, von denen diese Daten überwiegend stammen, kaum vermeidbar ist. Um diese Effekte zu umgehen und ein Verständnis der AAIW-Variabilität auf langen Zeitskalen zu erlangen, schlagen wir eine neue Studie vor, die nur Bohrkerne von Lokationen im offenen Ozean im Südatlantik (DSDP Site 516), dem Südostpazifik (ODP Site 1236) und der Tasmansee (DSDP Site 592 und IODP Site U1510) nutzt. Diese Sedimente weisen zwar niedrige Sedimentationsraten auf, vorläufige Daten zeigen aber die erwartete Amplitude benthischer O- und C-Isotopen im Zwischenwasser. Die Sedimente waren durchweg oxisch, was die verlässliche Anwendung von Nd-Isotopen und Seltenerdelement-Proxies für die Wassermassenrekonstruktion erlaubt. Diese Daten werden O- und C- Isotopendate benthischer Foraminiferen und von Spurenmetallproxies für Temperatur (Mg/Ca, Li/Mg) und Nährstoffgehalt (Cd/Ca) vervollständigen. Nach Etablierung einer benthischen Isotopenstratigraphie für jeden Bohrkern sollen glazial-interglaziale Schlüsselintervalle vor, während und nach dem Mittelpleistozänen Übergang (MPT) auf alle Proxies analysiert werden. Diese Aufzeichnungen der Variabilität der Quellen des AAIW, des Nährstoffgehalts und der Temperatur werden die letzten 1,5 Millionen Jahre in verschiedenen Becken abdecken. Dies wird neue Einsichten in die Rolle liefern, die die AAIW-Variabilität für die globale Umwälzzirkulation gespielt hat, die den SO mit den niedrigen Breiten verbindet, wie die Ozeanzirkulation auf Änderungen orbitaler Parameter der Eisschilde reagierte, und welchen Einfluss dies auf den Kohlenstoffkreislauf an glazialen Terminationen des Pleistozäns hatte.
Die Farben unterscheiden sich erheblich in ihrer chemischen Zusammensetzung. Daher besteht das erste Ziel darin, zu bestimmen, welche spezifischen chemischen Eigenschaften der Farben für die wichtigsten mikrobiellen Veränderungen im Meeressediment verantwortlich sind, das den Farbpartikeln ausgesetzt ist. Dies soll mit Hilfe eines Labor-Expositionsexperiments untersucht werden. Sediment, das Farbpartikel unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung (einschließlich Antifoulingbestandteile) enthält, wird im Laufe der Zeit inkubiert, und die mikrobielle Gemeinschaft dieses Sediments wird sequenziert. Betreute Ansätze des maschinellen Lernens, wie z.B. randomisierte Wälder, werden verwendet, um zu bestimmen, welche spezifische Farbchemie den größten Einfluss auf die mikrobielle Gemeinschaft hat, insbesondere im Hinblick auf Veränderungen von Taxa, die für die biogeochemischen Prozesse im Sediment wichtig sind. Sobald die chemischen Eigenschaften bekannt sind, wird das zweite Experiment durchgeführt. Mit dem zweiten Experiment soll das zweite Ziel verfolgt werden, nämlich zu bestimmen, wie Farbpartikel die umgebenden Sediment-Mikrobengemeinschaften beeinflussen, und zu modellieren, wie dieser Effekt mit der Farbpartikelkonzentration im Sediment skaliert, um letztendlich zu bestimmen, auf welchem Niveau die Farbpartikelkontamination im Sediment Veränderungen verursacht, die kritisch genug sind, um biogeochemische Prozesse zu implizieren. Speziell entworfene Kammern werden in der Ostsee eingesetzt, die Sediment und unterschiedliche Mengen von Farbpartikeln enthalten (deren Chemie durch das vorherige Experiment vorher festgelegt wurde). Nach einer Expositionszeit werden die Kammern gesammelt und die mikrobiellen Gemeinschaften des Sediments sequenziert. Mit Hilfe von Zufallswäldern wird ein Vorhersagemodell für den Grad der Farbverschmutzung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften erstellt. Zusätzlich werden phylogenetische Distanzbäume der wichtigsten Taxa mit der verfügbaren Literatur kombiniert, um Veränderungen in den mikrobiell vermittelten biogeochemischen Zyklen abzuschätzen. Schätzungen darüber, wie sich Umweltparameter (z.B. Schwefelwasserstoff- oder Eisengehalt) verändern könnten, werden in das Modell einbezogen.Das Endziel ist die Validierung des Modells. Dazu wird eine Reihe von Standorten an der deutschen Ostseeküste beprobt. Die Sedimente werden sowohl auf Farbverschmutzung als auch auf Umweltparameter untersucht. Die mikrobielle Gemeinschaft der Sedimente wird ebenfalls sequenziert, und das Modell wird zur Vorhersage der Farbverschmutzung auf der Grundlage der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft verwendet. Diese Vorhersage wird mit realen Verschmutzungs- und Umweltdaten verglichen. Auf diese Weise kann das Modell bewertet, angepasst und schließlich validiert werden.
Wir schlagen vor, IODP/ODP-Daten einzusetzen, um numerische Modelle für die Entstehung von Gashydraten in marinen Sedimenten zu kalibrieren. Wir möchten dabei besonders untersuchten, was mit dem Methangas geschieht, das entsteht wenn Gashydrate begraben und unterhalb der Stabilitätszone zersetzt werden. Dieses Gas kann entweder in die Stabilitätszone aufsteigen, um dort neues Hydrat zu bilden oder gemeinsam mit dem Sediment begraben werden. Wenn das Gas in die Stabilitätszone zurückfließt, kann dort sehr viel Hydrat akkumulieren. Ohne diese Rückführung liegt die Hydratsättigung im Porenraum dagegen in der Regel bei kleiner als 1 Prozent . In den Modellen, die bisher genutzt wurden, um die Hydratmenge im globalen Ozean abzuschätzen wurde angenommen, dass das Gas begraben und nicht zurückgeführt wird. Die tatsächliche Hydratmenge könnte sehr viel größer sein als bisher vermutet, falls die Gasrückführung ein weitverbreitetes Phänomen ist. Der Rolle der Gashydrate im Klimasystem und ihr Potential als fossiler Energieträger wären dann größer als bisher vermutet.
Die wichtigsten Energietranfers im mesoskaligen Skalenbereich (zwischen 100m und 10km) wird identifiziert, quantifiziert und parametrisiert, mit dem Ziel sie in globale Klimamodelle zu integrieren. Dies wird mit Hilfe numerischer Ansätze erreicht, die aus zwei verschiedenen Modellstudien bestehen, spezialisiert auf turbulente Flüsse und regionale Ozeanprozesse, sowie mit Hilfe eines Feldprogrammes, welches die Ostsee als ein 'natürliches Labor' für die Beobachtung von sub-mesoskaligen Energietransfers nutzt.
Durch DynaDeep soll ein Verständnis der Funktionsweise und Relevanz des Land-Meer Übergangs im Untergrund von Hochenergiestränden gewonnen werden. Wir nehmen an, dass dieser einen hoch dynamischen Bioreaktor und ein einzigartiges mikrobiologisches Habitat darstellt und Netto-Stoffflüsse in Richtung Meer stark beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen, werden sechs Teilprojekte gemeinsam Felduntersuchungen und experimentelle Arbeiten durchführen und diese mit mathematischen Modellen integrativ kombinieren. P4 wird die Dynamik von Spurenmetallen und Metallisotopen im Zusammenhang mit biogeochemischen Prozessen im subterranen Ästuar (STE) auf Spiekeroog untersuchen. Wir werden die Hypothese testen, dass überlappende Redoxzonen, dynamische Änderungen mikrobieller Aktivität und räumlich-zeitliche Änderungen in Redox- und Salinitätsgrenzflächen eindeutige Spurenmetall- und Isotopensignaturen in hochenergetischen Stränden generieren. P4 wird Spurenmetallkonzentrationen (Fe, Mn, Co, Mo, Re, Tl, U, V, Seltenerdelemente) und Fe und Mo Isotope in (Poren-)Wasser und Sedimenten messen. Regelmäßige Feldprobenahmen werden Einblick in die räumlich-zeitlichen Änderungen von Spurenmetall- und Metallisotopen-Mustern unter sich ändernden Randbedingungen liefern. Inkubationsexperimente im Labor sollen genutzt werden, um die Mobilisations-, Retentions- und Fraktionierungsraten zu bestimmen, um die physikochemischen und mikrobiellen Änderungen im Detail zu verstehen, die diese Reaktionen im tiefen bis flachen Untergrund des STEs auf Spiekeroog antreiben. Spurenmetalle und zusätzlich Hauptionen, Nährstoffe und Gesamtalkalinität werden für mathematische Modellierungen (P1, P6), Bestimmung von Reaktionsraten (P2) und biogeochemische Studien in P3 und P5 zur Verfügung gestellt. Gemeinsam sollen die Daten genutzt werden, um zu beurteilen, wie die Transformation und Fraktionierung von Spurenmetallen und Metallisotopen mit der Quelle und dem Alter des Wassers, den Redoxbedingungen und den Eigenschaften von organischer Substanz und der mikrobiellen Gemeinschaft zusammenhängen.
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| offen | 39 |
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| Deutsch | 36 |
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| Resource type | Count |
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| Webseite | 39 |
| Topic | Count |
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| Boden | 33 |
| Lebewesen und Lebensräume | 30 |
| Luft | 29 |
| Mensch und Umwelt | 39 |
| Wasser | 39 |
| Weitere | 39 |