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.
Die Ziele des Projektes sind die Entstehung und Ausbreitung von internen Wellen im globalen Ozean zu quantifizieren, die Transportwege von 'low-mode' internen Wellen zu untersuchen (inklusive der Prozesse entlang der Wege), die Quell- und Senkenregionen zu entdecken und den Beitrag zu lokaler Dissipation zu quantifizieren sowie die involvierten Prozesse zu identifizieren. Dafür werden wir (i) hoch-aufgelöste (1/10° oder höher) Modellläufe, (ii) Beobachtungen von Energieflüssen der internen Wellen und (iii) die Kombination aus Beidem nutzen.
Es sollen Techniken entwickelt werden um die Kopplung zwischen Atmosphäre und Ozean durch die Formation und das Brechen von Oberflächenwellen im Ozean zu quantifizieren. Diese Techniken beinhalten eine numerische Implementierung von diffusen Grenzflächenmethoden für eine thermodynamisch konsistente und voll gekoppelte Simulationen der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser, sowie Feldexperimente zur gleichzeitigen Messung von Luftstrom, der Ozeanwellenkopplung, und der turbulenten Energiedissipation im oberen Ozean.
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.
Ein verbessertes IDEMIX-Modell für den Ozean wird erweitert um ein neues hochfrequentes, 'high-mode' Energiekompartment, Antrieb durch Dissipation mesoskaliger Wirbel, anisotropen Gezeitenantrieb sowie der Interaktion der Wellen mit der mittleren Strömung. Es wird validiert mit Hilfe von Beobachtungen und Modellergebnissen der Forschungs-Bereiche T, W und L und in ICON und FESOM implementiert in Zusammenarbeit mit dem Synthese-Bereich S.
Das Ziel dieses Projektes ist es, neue Parametrisierungen und numerische Algorithmen zur Verbesserung der Energiekonsistenz in die Ozeankomponenten der neuen Erdsystemmodelle, die momentan in Deutschland entwickelt werden, zu implementieren. Das Projekt wird ebenfalls die Entwicklung und Implementierung von neuen atmosphärischen Parametrisierungen unterstützen. In Zusammenarbeit mit den anderen Projekten im SFB/TRR wird das Projekt einen Rahmen für die Synthese der gemeinsamen Arbeit liefern und dient - zusammen mit S1 - als ein Erfolgskriterium.
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