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Prozessbasierte Modellierung der Bodenhydrologie und deren Verifizierung am Biosphere 2 Landscape Evolution Observatory

Bodenwasserbewegung ist ein Schlüsselprozess in mehreren bereitstellenden und regulierenden Ökosystemdienstleistungen. Die genaue Vorhersage mit mathematischen Modellen bleibt jedoch aufgrund großer Unsicherheiten in allen Modellkomponenten eine Herausforderung, selbst wenn prozessbasierte Beschreibungen wie die Richards-Gleichung verwendet werden. Datenassimilationsmethoden bieten die Möglichkeit, Informationen aus unsicheren Modellen und unsicheren Messungen zu einer verbesserten konsistenten Zustandsbeschreibung zu verbinden, sofern die Unsicherheiten korrekt quantifiziert werden können. Die größten Unsicherheiten liegen dabei typischerweise in den hydraulischen Eigenschaften des Bodens. Werden die relevanten hydraulischen Parameter in einem erweiterten Zustand berücksichtigt, können diese mit den Datenassimilationsmethoden geschätzt werden. Dies ist selbst in Gegenwart von Modellfehlern wie z.B. präferentiellem Fluss möglich, falls diese Fehler entsprechend berücksichtigt werden. Bisher konnten solche konsistenten Beschreibungen nur auf kleinen Skalen bis hin zu eindimensionalen Bodenprofilen demonstriert werden. Auf größeren Skalen wurden noch keine detaillierten prozessbasierten Beschreibungen erreicht. Dies ist auf fehlende Informationen über die heterogenen bodenhydraulischen Eigenschaften in Kombination mit den hochgradig nichtlinearen und interagierenden Prozessen zurückzuführen. Eine einzigartige Forschungsinfrastruktur für die experimentelle Untersuchung der Bodenhydrologie von Hängen ist das Landscape Evolution Observatory (LEO) in der Biosphere 2. Es besteht aus drei künstlichen Hängen mit einem ausgedehnten Sensor- und Probennehmernetzwerk. Um das Verständnis auf dieser größeren Hangskala zu verbessern, ist das Ziel dieses Projektes die konsistente und prozessbasierte Beschreibung der Bodenwasserbewegung am LEO, einschließlich der Darstellung von Heterogenität und Evolution der bodenhydraulischen Parameter. Der Focus liegt dabei auf den folgenden Aspekten: (i) die Ableitung der zeitlichen Entwicklung der bodenhydraulischen Parameter durch Datenassimilation an ausgewählten Profilen in den Hängen, (ii) die Bestimmung der Heterogenität der bodenhydraulischen Eigenschaften und deren Auswirkungen durch hydraulische Experimente und Vorwärtssimulationen und (iii) die Entwicklung und Verifizierung einer konsistenten Beschreibung von Teilen der Hänge durch Datenassimilationsmethoden. Dieses Projekt wird die Frage beantworten, ob die derzeitigen Beobachtungstechniken ausreichen, um eine konsistente und ausreichend akkurate Beschreibung der Hanghydrologie zu erhalten, und wenn ja, wie und mit welcher Unsicherheit diese Darstellung erreicht wird. Darüber hinaus erwarte ich einen quantitativen Einblick in die Ausbildung der Heterogenität am LEO.

Die Rolle von gekoppelten versus ungekoppelten Reanalysen für die Initialisierung der dekadischen Klimaprognosen

Die Nachfrage nach zuverlässigen Klimaprognosen in verschiedenen sozioökonomischen Sektoren wird in der Zukunft steigen. Untersuchungen der Vorhersagbarkeit des Klimasystems auf zwischenjährlichen bis dekadischen Zeitskalen zeigen, dass eine Initialisierung der Erdsystemmodelle (ESM) mit Ozean- und Atmosphärenbeobachtungen die Vorhersage regionaler Klimagrößen verbessert. Jedoch leiden dekadische Klimaprognosen unter Initialisierungsschocks und systematischen Modellfehlern, welche die Vorhersagefähigkeit einschränken. Die Größe des Problems ist jedoch unbekannt. Zur Reduktion von Initialisierungsschocks in dekadischen Klimaprognosen sind ESM-Assimilationen, die Anfangsbedingungen dynamisch konsistent abschätzen können, ein möglicher Ansatz. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, den Einfluss von dynamisch konsistenten Anfangsbedingungen auf die Vorhersagegüte dekadischer Klimaprognosen zu quantifizieren.Unter einer Vielzahl von gekoppelten Datenassimilationsmethoden (GDA) ist die adjungierte Methode eine der vielversprechendsten. Da ihr Resultat die dynamischen ESM-Gleichungen respektiert, kann man damit eine dynamisch selbstkonsistente räumliche und zeitliche Evolution des Klimazustands erstellen, die für die Initialisierung der dekadischen Klimaprognosen anwendbar ist. Zu diesem Zweck wird das gekoppelte adjungierte Modell mittlerer Komplexität CESAM (Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit Erd-System Assimilations-Modell) verwendet werden, um eine gekoppelte Ozean-Atmosphäre-Reanalyse zu erzeugen. Die Reanalyse wird als Anfangsbedingung für retrospektive Klimasimulationen dienen. Die Klimasimulationen werden mit verfügbaren Beobachtungen des Erdsystems verglichen werden, um die Vorhersagegüte des CESAMs zu evaluieren. Das in der CESAM implementierte dekadische Vorhersagekonzept wird sich auf die mehrjährige Variabilität der großskaliger Prozesse und Feedbacks innerhalb des gekoppelten Klimasystems konzentrieren. Der Vorteil des Vorhabens liegt in der Verfügbarkeit und der rechnerischen Effizienz des adjungierten CESAM-Modells. Da die Programmierung der adjungierten Codes für ESMs jedoch keine triviale Aufgabe ist, hat die adjungierte GDA-Methode im dekadischen Klimaprognosebereich bisher keine weitverbreitete Anwendung gefunden. Daher ist die Nützlichkeit adjungierter GDA für die Initialisierung der dekadischen Klimaprognosen noch zu verstehen und zu demonstrieren; dies ist das Hauptziel dieses Forschungsvorhabens. Innerhalb des modellkonsistenten Ansatzes werden Initialisierungsmethoden verglichen werden, die sowohl auf der gekoppelten Reanalyse als auch auf der einzelnen Ozean und Atmosphäre Reanalysen (einer weit verbreiteten Strategie) basieren. Diese Ergebnisse werden als Richtschnur für zukünftige Initialisierungsentwicklungen in komplexeren ESMs dienen.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1211: Evolution der Erde und des Lebens unter extremer Trockenheit, Teilprojekt D01: Kosmogene Nuklide: Datierung alter kontinentaler Sedimente in Trockengebieten

Ziel ist es, Methoden zu entwickeln, die geeignet sind alte Sedimente in Trockengebieten verlässlich zu datieren: (i) Entwicklung einer Methode um mittels kosmogenen 10Be and 53Mn terrestrische Alter von Mikrometeoriten (aus Trockenseesedimenten und der Gipsstaubbedeckung der Landschaft) zu bestimmen, (ii) Entwicklung und Anwendung der 10Be/21Ne-Bedeckungalterdatierung an Grobsedimenten, (iii) Entwicklung einer kosmogenen 21,22Ne Methode um Halit (Steinsalz) in Oberflächensedimenten (z.B. fossile Salzseen) zu datieren. Erwartete erschließbare Altersbereiche: ca. 1 bis 22 Ma bzw. ca. 0.5 bis 10 Ma, für 53Mn und 10Be/21Ne Bedeckungsaltersdatierung, es gibt keine theoretische Obergrenze für 21,22Ne.

Entwicklung von tropischer hochreichender Konvektion abgeleitet aus bodengebundenen abbildenden Spektroradiometermessungen

Im Rahmen des Projekts soll aus bodengebundenen Wolkenseitenmessungen der reflektierten Strahlung mittels eines abbildenden Spektrometersystems von tropischer hochreichender Konvektion auf das Vertikalprofil der mikrophysikalischen Eigenschaften der Wolke geschlossen werden. Damit soll die vertikale Entwicklung von hochreichender Konvektion, die eine wesentliche klimarelevante Rolle spielt, unter Berücksichtigung des Einflusses von Aerosolpartikeln und von thermodynamischen Bedingungen auf das Tropfenwachstum charakterisiert werden. Die geplanten Messungen sollen auf einem 320 m hohen Messturm (ATTO: Amazonian Tall Tower Observatory), der kürzlich im brasilianischen Regenwald errichtet wurde, stattfinden. ATTO ist mit Messgeräten ausgestattet, die meteorologische, chemische und Aerosolparameter liefern. Die Messregion bietet ideale Beobachtungsbedingungen mit klar definierten Jahreszeiten (Regen- und Trockenzeit), täglicher Konvektion und variablen Aerosolbedingungen. Aus den Messungen eines neuen abbildenden Spektrometersystems, SPIRAS (SPectral Imaging Radiation System) sollen Vertikalprofile der thermodynamischen Phase und der Partikelgröße mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung und mit Hilfe von adaptierten Verfahren unter Verwendung von dreidimensionalen Strahlungstransportsimulationen abgeleitet werden. Damit sollen vertikale Bereiche, die das Tropfenwachstum beschreiben (Diffusion, Koaleszenz, Mischphasenbereich und Vereisung), identifiziert werden. Zusätzliche Messungen einer Infrarotkamera und eines scannenden Depolarisations-Lidars werden für die Höhen- und Temperaturbestimmung der beobachteten Wolkenelemente herangezogen. Zusätzlich werden die Polarisationsmessungen des Lidars zur Bestimmung der thermodynamischen Phase verwendet, um den wichtigen Phasenübergang zu identifizieren. Mit Hilfe der gewonnenen Daten werden außerdem Annahmen (Effektivradius als konservative Wolkeneigenschaft) wie sie von Ableitungsverfahren zur Bestimmung von mikrophysikalischen Wolkenprofilen aus Satellitenmessungen gemacht werden, überprüft.

Sonderforschungsbereich (SFB) 806: Unser Weg nach Europa: Kultur-Umwelt Interaktion und menschliche Mobilität im Späten Quartär, Teilprojekt F05: Verfeinerung von Chronologien durch neue Radiokarbondatierungsmethoden: Molekulare Isotopenarchäologie

Die Rekonstruktion der menschlichen Evolution kann durch genauere Datierungen von Knochen erheblich verbessert werden. Zusätzliche Informationen über die Ernährungsweise frühzeitlicher Menschen liefern Analysen der Isotopenzusammensetzung von Knochen. Besonders bei sehr alten Knochenfunden stellt sich jedoch das Problem, dass diese stark aufgrund von Austauschprozessen mit dem Sediment verunreinigt sein können. Dieses verfälscht die Ergebnisse von Radiokohlenstoffdatierungen und stabilen Isotopenanalysen. Die neue, noch nicht routinemäßig etablierte Methode der Isolierung einzelner Aminosäuren aus dem in Knochen enthaltenen Kollagen, kann diese Probleme lösen und zuverlässigere Ergebnisse liefern. Diese Methodik soll in F5 etabliert und angewendet werden. Darüber hinaus wird Teilprojekt F5 weiterhin AMS 14C-Analysen für alle SFB-Projekte durchführen.

Biofilme, Makromoleküle und organische Restsubstanzen als Matrizen bei der Bildung von Organo- und Biomineralen - Geobiologische Faktoren bei der Evolution der Biomineralisation

Durch vergleichende Analyse von Organo- und Biomineralen aus evolutionsbiologisch zunehmend komplexeren Systemen - von Organofilmen (Ooide) über Biofilme zu Poriferen - sollen systemspezifische Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen und Mineralphasen sowie Steuerungsmechanismen der Mineralbildung aufgezeigt werden. Dazu werden aus verschiedenen Habitaten (Hartwasserseen, Salzseen, Sodaseen, Meerwasser) makromolekulare Überzüge (Organofilme), polysaccharidreiche phototrophe und heterotrophe Biofilme sowie proteinreiche heterotrophe BiofilmMetazoen-Gemeinschaften (Riffhöhlen) untersucht. Ausgehend von der hydrochemischen Charakterisierung der Habitate, wird eine biochemische Charakterisierung der primären organischen Substanzen und Matrix sowie der Restsubstanzen in den assoziierten Mineralisaten durchgeführt. Eine strukturelle und mikrobiologische Analyse der beteiligten Organo- und Biofilme folgt (histochemische Färbungen, Applikation von Oligonukleotidsonden zur in situ Identifikation nicht-phototropher Bakterien - FISH). In kontrollierten Experimenten wird mittels kultivierter Mikroorganismen, Labor-Biofilme und extrahierter organischer Substanzen eine Fällung induziert. Die aus den Fallbeispielen abgeleiteten Steuerungsmechanismen der Mineralisation werden unter dem Mikroskop u.a. mit Ionen- und pH-sensitive Fluorochromen zur qualitativen Messung von chemischen Mikrogradienten und durch elektronenoptische Charakterisierung der Fällungsprodukte verifiziert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Produktion und dem Abbau Ca2+-adsorbierender extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS), die in Organo- und Biofilmen bezüglich Nukleation, Fällung und Gefügebildung von entscheidender Bedeutung sind und Voraussetzungen für eine enzymatisch gesteuerte Biomineralisation darstellen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, The long-term landscape evolution of the Lambert Rift - An integrated thermochronological approach

Evolutionsökologie und Biogeographie der Gastropoden des Kaspischen Meeres

Das Kaspische Meer repräsentiert ein Relikt der östlichen Paratethys und das, sowohl nach Oberfläche als auch nach Volumen, weltweit größte lakustrine Gewässer. Die Einzigartigkeit des Sees für evolutionsökologische und biogeographische Forschung ist insbesondere auch im Kontext starker hydrologischer Differenzierungen und einer wechselhaften neogenen und quartären Paläogeographie zu sehen. Die Kaspis scheint biogeographisch zwischen den europäischen und den zentralasiatischen Faunen zu vermitteln. Die Organismen des Sees sind jedoch größtenteils nicht modern, d.h. nicht falsifizierbar systematisch bearbeitet, so dass über stammesgeschichtliche und (paläo-) biogeographische Zusammenhänge weitgehend nur spekuliert werden kann. Im Zuge einer detaillierten, analytischen Bearbeitung der rezenten kaspischen Gastropoden, unter Einbeziehung ausgewählter Begleitfauna, soll deren evolutionsökologischer Kontext aufgeklärt und damit Bezüge zu den fossilen Faunen der westlichen Paratethys einerseits und zu den (Paläo-) Seen Zentralasiens andererseits, abgeklärt werden.

Forschergruppe (FOR) 2332: Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions (TERSANE), Teilprojekt: Die Rolle von Hyperthermie im Massenaussterben an der Perm/Trias-Grenze

Wir wollen die Rolle von Hyperthermie im Massenaussterben an der Perm/Trias-Grenze, der größten biotischen Krise in der Erdgeschichte, verstehen. Trotz ihrer erheblichen Bedeutung für die Evolution des Lebens werden die auslösenden Mechanismen für diese Krise noch immer sehr kontrovers diskutiert. Dieses Massenaussterben ist das gravierendste vergangene Beispiel einer durch Klimaveränderungen, besonders durch globale Erwärmung, ausgelöste Krise. Sie kann daher als ein Analogon für die Reaktion der Biodiversität auf die zukünftige anthropogene Klimaänderung angesehen werden. Wir schlagen hier ein Forschungsprojekt vor, in welchem die Konsequenzen von Stress durch Erwärmung während des end-Permischen Massenaussterbens und der Erholung in der frühen Trias untersucht wird. Wir wählen die Ostracoden als Modell-Organismen für simultane Untersuchungen ihrer Evolutionsgeschichte und ihrer Reaktion auf Klimaveränderungen (besonders hinsichtlich der Erwärmung am Perm/Trias-Grenzintervall). Die zu untersuchenden Aufschlüsse liegen im Nordwest-Iran (Region von Julfa), Zentraliran (Region von Abadeh) und dem Zagros-Gebirge (Region von Esfahan); diese Regionen repräsentieren Tiefschelf- bis Flachwasser-Habitate. Unsere Studie wird die Untersuchung von Isotopengeochemie (Analysen von delta13C und delta18O) unter Anwendung der SIMS-Technologie von Ostracodenschalen beinhalten. Außerdem werden die Ostracoden-Vergesellschaftungen hinsichtlich ihrer taxonomischen Diversität, morphologischen Disparität, Grad des Endemismus, Veränderungen in der Größe der Individuen usw. untersucht.

Evolution und Biogeographie der benthischen Tiefseefauna des Ostpazifiks (Expedition SO 158)

Während der Tiefsee-Expedition SO 158 mit F.S 'Sonne' in das Gebiet zwischen Galapagosspreizungszentrum und -plattform sollen bodenlebende Meeresorganismen gesammelt werden. Die Auswertung wird sich auf die Schlüsselgruppen Kinorhyncha, Loricifera, Copepoda, Brachiopoda und Porifera konzentrieren, die nach den Erfahrungen bei früheren Tiefsee-Expeditionen in genügend hoher Anzahl im Weichboden und auf Steinen zu erwarten sind. Die großräumige Variabilität von Tiefsee-Tiergemeinschaften im Ostpazifik soll untersucht werden, um Aussagen über das Verbreitungsareal von Tierarten in der Tiefsee und über den Einfluß von geomorphologischen Strukturen wie dem Spreizungszentrum treffen zu können. Außerdem sollen potentielle Anpassungen (Sinnesorgane, endosymbiontische Bakterien in Darm oder Integument?) an das Leben in der Tiefsee bei den mikroskopischen Kinorhyncha und Loricifera ultastrukturell geprüft werden. Elektronenmikroskopische Arbeiten bei Kinorhyncha, Loricifera und Brachiopoda tragen zudem dazu bei, die Evolution dieser Tiergruppen besser zu verstehen.

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