Mikroplastik wird zwischen Land- und Wasseroberflächen und der Atmosphäre ausgetauscht und kann luftgetragen über weite Strecken transportiert werden, bevor die Mikroplastikpartikel wieder aus der Atmosphäre entfernt und abgelagert werden. Obwohl diese Transportprozesse für die Verteilung und die wirksamen Abbaumechanismen von Mikroplastik sehr wichtig sind, gibt es bislang keine systematischen Untersuchungen zum atmosphärischen Transport von Mikroplastik. Der luftgetragene Transport von Mikroplastik wird im vorliegenden Teilprojekt in einem Windkanal als idealisiertem Modellsystem experimentell untersucht und mit einem strömungsauflösenden Transportmodell numerisch simuliert, um die grundlegenden Prozesse verstehen und quantifizieren zu können.
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 Dynamik von Planktongemeinschaften wird durch Einflussfaktoren, die von unten nach oben (Wasserphysik und Chemie) und von oben nach unten (natürliche Feine) wirken, kontrolliert. Die relative Bedeutung und Richtung dieser Effekte auf die Zusammensetzung der Taxa sowie die relative Abundanz sind in natürlichen Gemeinschaften jedoch nicht hinreichend belegt: Sie variieren in Zeit und Raum und hängen auch von physiologischen und ökologischen Wechselwirkungen ab, die durch verschiedene Merkmale beeinflusst werden. Ziel dieses Projektes ist es, die Auswirkungen interagierender Kontrollen (z.B. Temperatur, Verwirbelung, Nährstoffversorgung, Identität von Weidegängern, Dichte und Beuteauswahl) auf Phytoplankton in Seen innerhalb taxonomischer und größenbasierter Kategorien zu quantifizieren, um merkmalbasierte theoretische und datenbasierte Modelle (neu) zu entwickeln, die eine genaue Prognose zu Veränderungen in Plankton-Nahrungsnetzen und somit von Ökosystemprozessen und -dienstleistungen über Umweltgradienten in Raum und Zeit ermöglichen. Dieses Projekt beinhaltet drei miteinander verbundene Arbeitspakete: 1) Anwendung neuer Methoden für In-situ-Monitoring, 2) Datenanalyse (Erforschung von Mustern, Hypothesenüberprüfung und Analyse von Einflussfaktoren), und 3) merkmalbasierte Modellierung (Entwicklung und Überprüfung von Theorien, Prognosen über Raum und Zeit). Dieses Projekt wird Unterwasseraufnahmen als neues Werkzeug für Forschung und routinemäßiges Monitoring evaluieren. Durch die gewonnenen Daten werden wir mittels merkmalbasierter Rahmenbedingungen in der Lage sein, Konzepte und Theorien in der Gemeinschaftsökologie zu präzisieren, insbesondere darüber, wie Chemie und Physik sowie die Wechselbeziehungen zwischen den Arten die Dynamik von Phytoplanktongemeinschaften über Zeit und Raum beeinflussen können. Das quantitative Verständnis von Einflussfaktoren und Mechanismen, die in der Gemeinschaft die Struktur und Abundanz steuern, wird uns Prognosen über Veränderungen in der Biodiversität von Plankton über Umweltgradienten und Algenblüten ermöglichen.
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.
Abschmelzende Gletscher liefern einen von drei Hauptbeiträgen zum globalen Meeresspiegelanstieg, zusammen mit der Wärmeausdehnung des Meereswassers und den Massenverlusten der Eisschilde in Grönland und der Antarktis. Im 20. Jahrhundert waren sie sehr wahrscheinlich die Hauptursache des Meeresspiegelanstiegs. In den kommenden Jahrhunderten wird der Massenverlust von Grönland und der Antarktis signifikant steigen, während der Gletscherbeitrag durch ihre relativ geringe Größe begrenzt wird. Dieser Anteil wird im 21. Jahrhundert jedoch beträchtlich und über die nächsten mindestens 300 Jahre nicht unbedeutend bleiben. Ein anthropogener Beitrag zur Gletscherschmelze ist in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts eindeutig feststellbar, und in den vergangenen Jahrzehnten sind anthropogene zu den Hauptursachen der Gletscherschmelze geworden. Die Reaktion der Gletscher auf Treibhausgasemissionen hängt jedoch von der zeitlichen Abfolge der Emissionen ab. Das zentrale Ziel des beantragten Projekts ist es, die Zuordnung von Verantwortlichkeiten für durch Gletscher verursachte, regionale Meeresspiegeländerungen zu spezifischen Emissionspfaden der Vergangenheit zu ermöglichen. Im Einzelnen werden wir- die Klimasensitivität der globalen Gletschermasse unter Berücksichtigung ihrer Abhängigkeit vom Grundzustand des Klimasystems quantifizieren;- die räumliche Verteilung dieser Sensitivität berechnen, wobei zwischen verschiedenen Strahlungsantriebsmechanismen unterschieden wird (d. h. CO2 und andere langlebige Treibhausgase, Aerosole und Landnutzungsänderung);- regionale Meeresspiegeländerungen ermitteln, die durch die Reaktion der Gletscher auf den Strahlungsantrieb des Klimasystems verursacht werden, wieder mit Unterscheidung verschiedener Mechanismen;- die Informationen über regionale Meeresspiegelmuster mit bestimmten realen, historischen Emissionspfaden (z. B. denen individueller Länder) verbinden, um Verantwortlichkeiten für durch Geltscher verursachte regionale Meeresspiegeländerungen Verursachern zuzuordnen;- die zeitliche Entwicklung von durch Gletscher verursachter Meeresspiegeländerungen ermitteln, die von einem bestimmten Emissionspfad verursacht wurden;- den Ansatz validieren durch Anwendung des globalen Gesamtstrahlungsantriebs, um entsprechende globale Gletschermassenverluste zu rekonstruieren, sowie durch Vergleiche mit Beobachtungsdaten von Gletschern. Mithilfe dieser Schritte wird es uns beispielsweise möglich, Fragen wie die folgenden zu beantworten:- Wie gestaltet sich die Verantwortlichkeit Deutschlands - angesichts seines historischen Emissionspfades - für durch Gletscher verursachte Meeresspiegeländerungen in Indonesien?- Wie viel dieser Meeresspiegeländerungen ist bereits erfolgt, und wie war der zeitliche Ablauf?- Wie viel Meeresspiegeländerung wird in Zukunft erfolgen, und wie wird zeitliche Ablauf sein?- Was sind die Unsicherheiten bei dieser Zuordnung von Verantwortlichkeit?
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.
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.
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.
Sauerstoffminimumzonen (SMZs) sind mit den Auftriebsgebieten der östlichen Kontinentalränder assoziiert. In diesen wichtigen Wirtschaftsgebieten fördert der intensive Auftrieb von nährstoffreichem Tiefenwasser eine hohe Primärproduktion im Oberflächenozean und unterstützt dadurch mehr als 50% der weltweiten Fischerei. Als Folge des Klimawandels wird eine vertikale Ausdehnung und Intensivierung von SMZs prognostiziert, da sich in wärmeren Gewässern weniger Sauerstoff auflöst und eine stärkere Schichtung des Ozeans die Sauerstoffzufuhr zum Ozeaninneren verringert. Diese Veränderungen der SMZs beschränken Fischlebensräume unmittelbar auf die oberen Wasserschichten der Meere, erhöhen das Risiko des Überfischens und können zu künftigen Massensterben in Küstenökosystemen führen. Die Variabilität von SMZs beeinflusst auch die Nährstoffverfügbarkeit für den Oberflächenozean und den von ihm unterstützten marinen Kohlenstoffkreislauf. Jedoch sind die genauen Mechanismen dafür nicht vollständig entschlüsselt. Rückschlüsse darüber, wie marine Kohlenstoff- und biogeochemische Zyklen auf den zukünftigen Sauerstoffverlust in Ozeanen reagieren, kann man gewinnen, indem man erfasst, wie Nährstoffzufuhr und Meeresumwelt auf vergangene Änderungen der SMZ-Intensitäten reagiert haben. In dieser vorgeschlagenen Studie werde ich zwei neuartige Proxys verwenden: stabile Cadmium (Cd) - und Barium (Ba)-Isotope von der peruanischen SMZ um 1) einzugrenzen welche Prozesse die Produktivität des Oberflächenozeanes und die Remineralisierung innerhalb der SMZs beeinflussen, und 2) herauszufinden wie die zukünftige Sauerstoffabnahme der Ozeane den globalen Kohlenstoffkreislauf beeinflussen wird. Sowohl gelöste Cd- als auch Ba-Isotope sind im Meerwasser eng mit biologischen Prozessen und der Wassermassenmischung gekoppelt. In marinen Sedimenten werden Cd- und Ba-Isotope auch durch die authigene Ausfällung dieser Elemente und die Diagenese nach der Ablagerung beeinflusst, wohingegen das Ausmaß der Isotopenfraktionierung während dieser Prozesse bislang kaum quantifiziert wurde. Ich werde Cd- und Ba-Isotopenverhältnisse im Meerwasser, in sinkenden Partikeln, Sedimenten und Porenwasser messen, um deren Isotopenfraktionierungseffekte während verschiedener biologischer, chemischer und physikalischer Prozesse einzugrenzen. Mit diesen Ergebnissen werde ich die Quellen und Senken quantifizieren, die beide Isotopensysteme im modernen Ozean fraktionieren, und einschätzen, wie sich die Diagenese nach der Ablagerung auf die Fraktionierung von Cd- und Ba-Isotopen auswirkt. Das ultimative Ziel dieser vorgeschlagenen Arbeit ist die Entwicklung sedimentärer Cd- und Ba-Isotope als verlässliche Proxys für vergangene Änderungen der Exportproduktion und der Remineralisierungsstärke.
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