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Zum Verständnis der Entstehung und Trajektorien von großem Hagel (LIFT)

Derzeitige radar-basierte Nowcastingverfahren basieren auf der Annahme, dass die zeitliche Entwicklung von Hagelereignissen in erster Linie durch Advektionsvorgänge gesteuert ist; die relevanten physikalischen Prozesse, die für die Entstehung und das Größenwachstum von Hagel entscheidend sind, bleiben dabei unberücksichtigt. In Verbindung mit der komplexen internen Struktur und Dynamik von Hagelstürmen ergeben sich daraus große Unsicherheiten bei der Vorhersage der Hagelgrößenverteilung und der von Hagel betroffenen Fläche am Boden. Das Ziel des Projekts LIFT (Large Hail Formation and Trajectories) ist es, die Hagelentstehung und Hageltrajektorien besser zu verstehen, um daraus als wichtige Komponenten eines physikalisch-basierten Nowcastings erstmals ein radar-basiertes Verfahren für das Hagelwachstums zu entwickeln. Zu diesem Zweck wird im Rahmen von LIFT eine Messkampagne Süddeutschland durchgeführt, wo die größte Hagelwahrscheinlichkeit in Deutschland auf vielfältige Beobachtungssysteme trifft, die im Rahmen der Messkampagne Swabian MOSES mit einem dichten Netzwerk betrieben werden. Zum ersten Mal werden im Rahmen von LIFT moderne Radargeräte, In-situ Messgeräte, Fotogrammetrie und numerische Modellierung synergistisch kombiniert und ein umfassender Datensatz zur Rekonstruktion der zeitlichen Entwicklung des Hagelwachstums erstellt. Betroffene Bürger werden aktiv in die Messaktivitäten mit einbezogen und aufgerufen, Hagelkörnern einschließlich ihrer Haupteigenschaften in die WarnWetter App des DWD zu melden. Die Messkampagne mit ihrem mobilen und flexiblen Konzept beinhaltet die Anwendung neuer, innovativer Messtechniken, darunter Lagrangesche Trajektorien mittels kleiner Messsysteme, die in die Wolken eingebracht werden, und dronengesteuerte Luftbildaufnahmen zur Bestimmung der Hagelspektren. Aus Fernerkundungsdaten gewonnene Signaturen von Hagelereignissen liefern Informationen über die Charakteristika der Hagelereignisse und werden mittels numerischer Simulationen sorgfältig auf Messungenauigkeiten und Sensitivitäten bzgl. atmosphärischer Umgebungsvariablen evaluiert. Indikatoren für die Hagelentstehung und das Hagelwachstum werden aus Beobachtungsdaten und Simulationen identifiziert, und liefern die Grundlage für ein beobachtungs-basiertes Hagelwachstumsmodell. Schließlich wird dieses Multi-Parameter Hagelwachstumsmodell mit den bestimmten Hageltrajektorien und Schmelzprozessen kombiniert, um zu bestimmen, welche Prozesse am wichtigsten sind für das Nowcasting von Hagel. Das Projekt LIFT liefert damit einen wichtigen Betrag für zukünftige radar-basierte Hagelwarnsysteme mit einer verbesserten Vorhersagezeit und Vorhersagequalität.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1211: Evolution der Erde und des Lebens unter extremer Trockenheit, Teilprojekt B04: Bakterien: Verteilung und Aktivität von Mikroorganismen in der Atacama Wüste

Das mikrobiologische Projekt des SFBs thematisiert die Aktivität und Biogeographie der Mikroorganismen in der Atacama. Primäres Ziel ist die Analyse biogeographischer Muster von Mikroorganismen der Phyllosphäre, Rhizosphäre bzw. Boden ausgesuchter Modelpflanzen. Ein Vergleich der Verbreitung der im SFB untersuchten Organismen mit dem Mikrobiom und dessen Verbreitung soll korrelierte Migrationsprozesse aufzeigen. Darüber hinaus zielen wir auf die Identifikation von Umweltfaktoren, welche die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften in diesem extremen Habitat bedingen. Ein zweiter Schwerpunkt liegt in dem Revitalisierungspotential ruhender Mikroorganismen in Wüstenböden in Abhängigkeit von Wasser. Ziel ist es aktive Mikroorganismen zu identifizieren, um die mikrobiell getriebenen biogechemischen Konversionsprozesse zu verstehen, sowie die Bodenoberflächenprozesse, welche die Landschaftsentwicklung in der Wüste beeinflussen.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1211: Evolution der Erde und des Lebens unter extremer Trockenheit, Teilprojekt C03: Bodendynamik und Hangprozesse

Dieses Projekt konzentriert sich auf die Identifizierung und Charakterisierung der Hangprozesse in ariden und hyperariden Regionen. Zentrale Fragen betreffen die Kontinuität/Diskontinuität und Ausmaß/Frequenz der Prozesse. Ebenso Hangbewegung, Verwitterung und Bodenbildung und deren Schwellenwerte sind zu quantifizieren. Die langfristige Erhaltung der Landschaft weist auf Prozesse/Faktoren hin, die die oberste Erdoberfläche stabilisieren, welche es zu untersuchen gilt. Der Zeitbereich über den die Hangprozesse im Arbeitsgebiet integrieren erstreckt sich vom Miozän bis zum Pleistozän, in Abhängigkeit von den langfristigen Erosionsraten.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Die magmatische Entwicklung eines Inselbogens am Beispiel der Neuen Hebriden

Die magmatische Entwicklung von ozeanischen Inselbögen und ihre mögliche Bedeutung für das Verständnis von Subduktions-Initiierung sind momentan Schwerpunkte des IODP mit den Bohrfahrten 350, 351 und 352 im Izu-Bonin-Mariana (IBM) Inselbogen, forearc und rear-arc. Die meisten Modelle zur Subduktions-Initiierung basieren auf Untersuchungen am IBM, aber es ist nicht klar, ob diese auch für andere ozeanische Inselbögen gelten. Der New Hebrides Inselbogen (NHIA) ist einer der jüngsten der Erde und entstand durch Subduktions-Initiierung vor etwa 15 Millionen Jahren, als die Kollision des Ontong Java Plateaus einen Umschwung der Subduktionsrichtung erzwang. Das ODP Leg 134 erbohrte sieben Kerne mit Längen bis 1100 m im forearc und backarc des NHIA und förderte viele magmatische Gesteine und Aschenlagen mit vulkanischen Gläsern mit Altern bis in das mittlere Miozän. In diesem Projekt wollen wir die alten Proben mit modernen Methoden neu analysieren, um die magmatische Entwicklung des NHIA zu untersuchen und mit der des IBM zu vergleichen. Dazu wollen wir auch weitere bisher schlecht untersuchte submarine Proben analysieren und mit Geländearbeiten auf den Inseln des zentralen NHIA die Magmenbildung im Verlauf der Zeit bis mindestens 20 Ma definieren. Diese neuen Daten werden auch Einblicke in den Effekt der Subduktion des d'Entrecasteaux Rückens auf die Magmenbildung des NHIA geben, die vor etwa 2 Ma begann. Diese Untersuchungen sind wichtig für das globale Verständnis von Subduktionsprozessen und der damit einhergehenden Magmenbildung im Erdmantel.

Langfristige Veränderungen von Ozeangezeiten – Prozessverständnis und Vorhersagen

Langfristige Veränderungen von Gezeiten zählen zu den bemerkenswertesten Facetten der Ozeandynamik. Zur Entschlüsselung dieser Signale wird im vorliegenden Projekt ein mehrschichtiger Modellierungsansatz auf globalen und regionalen Skalen entwickelt, der Meeresspiegelvariationen, Veränderungen der ozeanischen Dichtestruktur und Migrationsbewegungen von antarktischem Schelfeis in klassische Gezeitensimulationen einflechtet. Die Reaktion primärer Partialtiden auf diese Antriebsmechanismen wird in einer ersten Ausbaustufe von ~1970 bis 2015 erarbeitet, wobei hochauflösende barokline (3D) Simulationen im Nordostatlantik und um Australien rigoros in globale barotrope (2D) Vorwärtsläufe eingebettet werden. Die Validierung der Simulationsergebnisse gegenüber robusten und großräumigen Gezeitentrends aus Wasserstandsbeobachtungen legt den Grundstein für konkrete Projektionen von Ozeangezeiten bis zum Jahr 2100 unter Annahme realistischer Emissionsszenarien. Veränderte Randbedingungen in globalen und regionalen Gezeitenläufen einhergehend mit Meeresspiegelanstieg, Ozeanerwärmung und ausdünnendem Schelfeis werden hierzu in konsistenter Weise aus gekoppelten Klimamodellen abgeleitet. Erweiterte barokline und globale Sensitivitätsexperimente liefern einen Überblick über Küstenabschnitte, in denen mit nennenswerten Gezeitenentwicklungen durch großflächige Veränderungen der Dichtestruktur zu rechnen ist. Neben dem reinen Prozessverständnis soll auch Augenmerk auf die Abschätzung von Unsicherheiten der numerisch modellierten Tidenvariabilität in den kommenden Dekaden gelegt werden. Das Projekt ebnet in seiner Gesamtheit den Weg für eine verlässlichere Quantifizierung von säkularen Gezeitensignalen in Anwendungsbereichen (z.B. Küstenschutz) und der Ozeanographie nahestehenden Wissenschaftsdisziplinen.

Ökologie und Evolution von dunklen Materiepilzen in aquatischen Biofilmen

In der aquatischen Umwelt zeigen Pilze starke Interaktionen zu einer Vielzahl anderer Organismen, darunter Algen, Metazoen und Bakterien, die die pilzliche Diversifizierung vorangetrieben haben. Die Pilzevolution begann frühzeitlich in der aquatischen Umwelt. Die Verbindungen mit anderen Organismen führten zu vielen biotrophen Lebensweisen und einer großen phylogenetischen Vielfalt. Es ist wahrscheinlich, dass die frühen Wasserpilze bereits die funktionellen Merkmale ausbildeten, die zum Erfolg des Pilzreichs, als eine der vielfältigsten Organismengruppen der Erde, geführt hat. Trotz der recht umfangreichen Studien, die die Komplexität der aquatischen Mikrobiome untersuchen, sind weder die große phylogenetische Vielfalt der aquatischen Pilze noch die Wechselwirkungen der aquatischen Pilze mit anderen Organismen gut beschrieben. Dieses Paradoxon ist das Resultat von zu wenigen Studien, die aquatische Mikrobiome ganzheitlich untersuchen, und ist zudem auch der Tatsache geschuldet, dass die aquatischen Pilze nicht als solche erkannt werden. Wasserpilze erscheinen oft als unbekannte genetische Elemente ohne erkennbare Übereinstimmung mit unseren Datenbanken. Das veranlasste uns dazu, den Begriff Dunkle Materiepilze (DMP) zu etablieren, um die Unbekanntheit der frühen divergierenden Pilzlinien in der aquatischen Umwelt hervorzuheben. Einer der vielversprechendsten aquatischen Lebensräume zur Untersuchung von DMP und deren Wechselwirkungen mit anderen Organismen im kleinen Maßstab ist der aquatische Biofilm. Insbesondere heterotrophe Biofilme können einen hohen Anteil an DMP aufweisen, was die Aufklärung von DMP-Interaktionen und ökologischen Funktionen erleichtert. Es ist völlig unklar, welche organismischen Wechselwirkungen die Determinanten für die DMP in Biofilmen sind und inwieweit DMP die Biofilmstruktur beeinflussen. Das Verständnis der Ökologie und der Evolution von DMP bleibt aufgrund der Komplexität der natürlichen Gemeinschaften eine Herausforderung. Aufgrund der neuen methodischen Entwicklungen ist es nun jedoch möglich, durch Manipulationsexperimente an natürlichen sowie an Modell-Biofilmgemeinschaften eine konzeptionelle Sicht auf die DMP-Ökologie und -Evolution aufzubauen. Das Ziel der vorgeschlagenen Emmy Noether-Forschungsgruppe ist es, die grundlegende Ökologie und Evolution der aquatischen DMP zu verstehen. Durch die Kombination von Mikrodissektion, Hochdurchsatz-Kultivierung und molekularer Sequenzierung der nächsten Generation, werden wir herausfinden, wie und welche Pilz-Interaktionen mit Mikroben die gesamte Struktur und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft beeinflussen. Wir werden auch umfangreiche DMP-Barcode- und Genomdaten generieren, die als Schlüsselressourcen für das Erstellen einer robusten frühen Pilzphylogenie dienen werden, und es uns ermöglicht, die frühe Pilzevolution auf der Grundlage von Phylogenomik und biotrophen Interaktionen zu diskutieren.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1211: Evolution der Erde und des Lebens unter extremer Trockenheit, Teilprojekt B01: Biogeographische Geschichte von Pflanzengesellschaften

Vier Fragestellungen stehen hierbei im Mittelpunkt: 1) Wie setzt sich die Vegetation im extrem trockenen Kernbereich der Atacama zusammen und welchen räumlichen und zeitlichen Schwankungen ist sie unterlegen? 2) Erfolgte die Besiedlung und Diversifizierung korreliert mit klimatischen und geologischen Ereignissen, welche als Ursache für die Aridität der Atacama zu sehen sind? 3) Sind diversifizierte Pflanzengruppen in der Atacama das Produkt einer einmaligen oder mehrmaligen Kolonisierung? 4) Spiegelt sich die Fragmentierung ausgewählter Arten in der Atacama in der genetischen Diversität wider oder wird diese positiv durch die Samenbank bzw. Ausbreitungsereignisse beeinflusst. Um diese Fragen zu beantworten, schlagen wir eine Kombination floristischer und molekularbiologischer Methoden vor: floristische Aufnahmen, ex-situ Kultivierung, molekulare Phylogenien ausgewählter und artenreicher Atacama Gruppen, sowie Populationsgenetik von Modelarten.

The importance of peripheral oceanic processes in the Labrador Sea for the Atlantic meridional overturning circulation

The Labrador Sea is one of the few places in the world ocean, where deep water formation takes place. This water is exported from the Labrador Sea to become part of the southward branch of the meridional overturning circulation. Previous observational work has largely focused on the role of deep convection in the interior of the Labrador Sea. Recent evidence from observations and numerical ocean models specifically indicate that processes near the ocean boundaries might be most relevant for both Eulerian downwelling of waters in the Labrador Sea and the fast export of newly transformed waters. We propose to analyze mooring based observations at the western margin of the Labrador Sea together with high resolution numerical model simulations to understand the role both processes play for the meridional overturning circulation in the subpolar North Atlantic. Specifically, we want to test (i) if (and where) downwelling occurs along the margins of the Labrador Sea, (ii) how downwelling relates to the seasonal evolution of convection and eddy activity, (iii) how fast waters newly transformed near the western margin of the Labrador Sea are exported, and (iv) how the two processes (downwelling, fast export) affect the temporal variability of the Atlantic meridional overturning circulation.

Sonderforschungsbereich 1211 (SFB): Evolution der Erde und des Lebens unter extremer Trockenheit

Ziel dieses Projekts ist es, die Forschung im Bereich der wechselseitigen Beziehung zwischen biologischer Evolution und Landschaftsevolution maßgeblich voranzutreiben. Arbeitsgebiete sind aride bis hyperaride Systeme, in denen sowohl biologische Aktivität als auch Erdoberflächenprozesse vorwiegend und sehr stark durch die Verfügbarkeit von Wasser limitiert sind. In diesem Projekt sollen die Schlüsselmerkmale biologischer Aktivität in extrem wasserlimitierten Habitaten der Erde identifiziert und Erdoberflächenprozesse, die unter nahezu wasserfreien Bedingungen ablaufen, charakterisiert werden. Die Bestimmung kritischer Schwellenwerte der Umweltbedingungen, die eine biologische Kolonisation und/oder Landschaftstransformationen erlauben, stellt ein wesentliches Ziel dar. Das zeitliche und räumliche Muster biologischer Kolonisation und Isolation wird zusammen mit der Chronologie der Landschaftsentwicklung in Bezug zur auschlaggebenden gemeinsamen Triebkraft, dem (Paleo-) Klima, untersucht. Diese Ziele sollen durch: (i) paleoklimatische Rekonstruktion und Observation des gegenwärtigen Klimas, zur Entwicklung geeigneter Klimamodelle, (ii) Erfassung der biogeographischen Migrationsgeschichte, Phylogenie (Pflanzen, Insekten, Protisten und Bakterien) und deren molekularer Datierung und (iii) räumliche Erfassung, Prozesscharakterisierung und Datierung von (fossilen) Landschaftselementen (Entwässerungssysteme, Hänge, fluviale und aeolische Sedimente, Böden), angegangen werden. Die Datierung geologischer Archive (i & iii) erfordert eine innovative (Weiter-) Entwicklung isotopengeologischer Methoden, welche entsprechend durchgeführt werden sollen.Es werden u.a. wesentliche Beiträge zu den sich entwickelnden Konzepten des evolutionären Timelags (Guerreo et al. 2013, PNAS 110, 11469-11474), des Einflusses geographischer Barrieren auf klimabedingte Speziesmigration (Burrows et al. 2014, Nature 507, 492-495), der Biogeomorphologie (Corenbilt et al. 2011, Earth Sci. Rev. 106, 307-331), sowie der Entwicklung neuer Methoden zur Datierung und Prozesscharakterisierung von Erdoberflächenprozessen und biologischer Evolution erwartet.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1211: Evolution der Erde und des Lebens unter extremer Trockenheit, Teilprojekt A03: Äolischer Transport: Statistisch-dynamische Modellierung äolischer Prozesse in der Atacama Wüste über geologische Zeitskalen und deren Bedeutung für das Leben in extrem wasserlimitierten Gebieten

Ein wesentlicher Aspekt dieses Projektes ist es, eine verbesserte Darstellung von Bodenkrusten (biotisch uns abiotisch) in Modellen für äolische Erosion und Transportprozesse zu entwickeln. Ziel ist es, die langfristige Wechselwirkung zwischen äolischen, biologischen und Bodenbildungs-Prozessen, beeinflusst von atmosphärischen Parametern wie z.B. Luftfeuchtigkeit, in der Atacama Wüste zu untersuchen. Es besteht ein starker Bezug zu biologischen, boden- und materialkundlichen Teilprojekten des SFB.

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