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.
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.
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.
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.
Durch die Öffnung der Drake Passage und der Scotia See wurde ein Wassermassenaustausch zwischen dem südlichen Pazifik und dem Südatlantik ermöglicht. Auf diese Weise kam es zu einem Transfer von Wärme und Energie zwischen den beiden Ozeanen. In Kombination mit der Öffnung des Tasman Gateways wurde so die Entwicklung des antarktischen Zirkumpolarstroms (ACC) und somit eine thermische Isolation der Antarktis möglich, was als eine Hauptursache für den Einsatz weitreichender Vereisungen diskutiert wird. Sowohl die tektonischen Bewegungen in der Drake Passage und der Scotia See als auch klimatische Veränderungen haben zu Modifizierungen in Intensität und Pfad des ACCs und der Wassermassen, welche der ACC umfasst, geführt. Das Einsetzen des ACCs sowie diese Modifizierungen sind in sedimentären Strukturen dokumentiert, die auf dem Falkland Plateau abgelagert wurden. Eine Untersuchung dieser Sedimentdrifts, welche durch Zirkumpolares Tiefenwasser, Weddell See Tiefenwasser und Antarktisches Bodenwasser geformt wurden, wird zu Information über Veränderungen der ozeanischen Zirkulation als Folge tektonischer Bewegungen und Klimaänderungen führen. Ein Gitter hochauflösender reflexionsseismischer Daten, welche während der Expedition MSM81 mit FS Maria S Merian gesammelt wurden, wird die Entschlüsselung der Sedimentdriftstrukturen und ihrer Modifikation und Umformung durch die Wassermassen sowie die Identifizierung von Depozentren und ihrer Verlagerung als Folge der Verlagerung der Pfade der Wassermassen erlauben, was dann Rückschlüsse auf Klimaänderungen und tektonische Bewegungen ermöglicht.Weieterhin bildendie seismischen Daten die Basis eines site survey Datenpaketes für IODP proposal 862, welches die früheste Phase des Wassermassenaustauschs über die Drake Passage untersuchen wird.
Das primäre Forschungsziel des Projekts ist das Verständnis der biotischen und abiotischen Prozesse, welche die molekulare Zusammensetzung von gelöstem organischem Material (engl. DOM) in tiefen, hydrothermal beeinflussten Sedimenten bestimmen. Hierzu steht uns bereits ein umfassender Satz von Porenwasser- und Sedimentproben aus dem Guaymas-Becken zur Verfügung, die im Rahmen der IODP-Expedition 385 (Sep. - Nov. 2019) erbohrt wurden. Die Proben wurden aus bis zu 500 Meter langen Bohrkernen von acht Bohrlokationen gewonnen, die unterschiedliche hydrothermale Gradienten aufweisen. Durch die Bestimmung der molekularen Zusammensetzung von Porenwasser-DOM und Wasser-extrahierbarem organischem Material aus dem Sediment sollen deren hydrothermale und mikrobielle Überprägung erfasst werden. Mit Hilfe von ultrahochauflösender Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), modernen molekularbiologischen Methoden und Kohlenstoff-Isotopen-Analyse sollen aktuelle Wissenslücken zu den molekularen Eigenschaften von DOM in tiefen Sedimenten geschlossen werden. Wir werden 1) die molekulare Zusammensetzung von DOM in Organik-reichen, hydrothermal geprägten Sedimenten im Vergleich zu unbeeinflussten Sedimenten charakterisieren und 2) die Verbindung zwischen der molekularen Zusammensetzung des DOM mit dem mikrobiellen Stoffwechsel in der tiefen Biosphäre entlang von Temperatur- und Redoxgradienten entschlüsseln. Die Ergebnisse sollen zudem mit Proben aus der Wassersäule verglichen werden, die während einer FS Atlantis-Ausfahrt zum Guaymas-Becken im Jahr 2018 gewonnen wurden, um den Transport von hydrothermalen DOM in die Tiefsee zu untersuchen. Im Rahmen des Projekts werden die folgenden Hypothesen getestet: I) Die hydrothermale Aufheizung tiefer Sedimente erzeugt und setzt große Mengen von reaktivem und refraktärem DOM frei, II) Hydrothermales thermogenes DOM (engl. dissolved black carbon, DBC) trägt zur stabilen Kohlenstoff-Isotopensignatur mariner Prägung und zum Radiokarbonalter des refraktären ozeanischen DBC bei, und III) die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft in der Tiefen Biosphäre wird durch die geochemischen und thermalen Gradienten beeinflusst und hängt mit spezifischen reaktiven, hydrothermal erzeugten DOM-Verbindungen zusammen. Insgesamt bietet das Projekt die einmalige Gelegenheit, die Biogeochemie von DOM entlang hydrothermaler Gradienten in tiefen Sedimenten, aber auch im Übergang von Lithosphäre zur Hydrosphäre zu untersuchen.
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?
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.
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.
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| Boden | 20 |
| Lebewesen und Lebensräume | 21 |
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