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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.

Maßgeschneiderte Inhaltsstoffe 2.2: ForceYield2.2 Zukunftsweisende mikrobielle Plattform zur Hochertragsproduktion von Biochemikalien aus landwirtschaftlichen Nebenströmen, Teilprojekt B

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.

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.

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) 1211: Evolution der Erde und des Lebens unter extremer Trockenheit, Teilprojekt D02: Datierung von Evaporiten

Ziel dieses Projekts ist es, die 176Lu-176Hf und 238U-230Th Methodik für die Anwendung an Evaporitmineralen (Karbonat, Anhydrit, Gips, Bassanit) zu entwickeln. In Kombination würden diese Methoden das gesamte zu erwartendene Alterspektrum in der Atacama Wüste abdecken (einige Zehntausend bis Zehnermillionen Jahre).

PHILEAS (Untersuchung des Transport aus dem asiatischen Sommermonsun in hohe Breiten)

PHILEAS (Probing high latitude export of air from the Asian summer monsoon)Die asiatische Sommermonsun Antizyklone (AMA) während des Nordsommers wird als ein Haupttransportweg in die obere Troposphäre / untere Stratosphäre (UTLS) für troposphärische Luftmassen, die viel H2O und Aerosolvorläufergase und Verschmutzung enthalten, gesehen. Neuere Beobachtungen zeigen eine große Bedeutung des Transports von Ammoniumnitrat durch die AMA für das Aerosolbudget und die asiatische Tropopausenaerosolschicht (ATAL), wahrscheinlich auch mit Konsequenzen für die Zirrenbildung.Neuere flugzeuggetragene Messkampagnen konnten die Zusammensetzung und Aerosolgehalt im Inneren der AMA charakterisieren oder werden in unmittelbarer Nähe Messungen erheben. Im Gegensatz dazu wurde der Einfluss von monsungeprägten Luftmassen auf die Gesamtzusammensetzung der nördlichen untersten Stratosphäre, z.B. bei HALO Mesungen nachgewiesen. Allerdings gibt es bisher keine Studie, die den Übergang der AMA Luftmassen in die extratropische unterste Stratosphäre (LMS) und die Konsequenzen für Aerosolprozessierung und Zusammensetzung zeigt. Im Rahmen der früheren HALO Missionen TACTS/ESMVal und WISE hat sich gezeigt, dass der nördliche Zentralpazifik eine Schlüsselregion für diesen Übergang ist.Beobachtungen und Modelldaten zeigen eine besondere Bedeutung des sogenannten ‘eddy-sheddings‘ für die Befeuchtung der nördlichen UTLS an. Diese Eddies stellen isolierte dynamische Anomalien dar, die sich von der AMA gelöst haben und mit der Hintergrundströmung in der Atmosphäre zu zirkulieren beginnen. Die chemische Zusammensetzung der Eddies ist zunächst isoliert von ihrer Umgebung. Dynamische und diabatische Prozesse erodieren jedoch diese Anomalien und führen zu einer allmählichen Vermischung mit dem stratosphärischen Hintergrund.Weitere Transportpfade beeinflussen die Zusammensetzung der UTLS über dem Pazifik im Sommer: i) quasi-horizontales Mischen über den Subtropenjet ii) konvektiver Eintrag tropischer Taifune, die in die Extratropen wandern können iii) Wettersysteme der mittleren Breiten. Bei PHILEAS ist geplant, die relative Bedeutung verschiedener Prozesse für die Gasphasen und Aerosolzusammensetzung der UTLS zu untersuchen. Dabei soll insbesondere die dynamische und chemische Entwicklung ehemaliger AMA Filamente untersucht werden, die sich von der AMA abgespalten haben und über dem Pazifik aus der Troposphäre in die Stratosphäre übergehen.Insgesamt ergeben sich drei Hauptthemen, die die PHILEAS Mission motivieren:1) Welche Haupttransportpfade, Zeitskalen und Prozesse dominieren den Transport aus der AMA in die unterste Stratosphäre?2) Wie entwickeln sich Zusammensetzung der Gasphase und der Aerosole während des Transports speziell durch die 'shed eddies'?3) Welche Bedeutung hat der Prozess der Wirbelablösung für das globale Budget der UTLS speziell von H2O und infrarot-aktiven Substanzen?

Soil-gas transport-processes as key factors for methane oxidation in soils

Methane (CH4) is a major greenhouse gas of which the atmospheric concentration has more than doubled since pre-industrial times. Soils can act as both, source and sink for atmospheric CH4, while upland forest soils generally act as CH4 consumers. Oxidation rates depend on factors influenced by the climate like soil temperature and soil moisture but also on soil properties like soil structure, texture and chemical properties. Many of these parameters directly influence soil aeration. CH4 oxidation in soils seems to be controlled by the supply with atmospheric CH4, and thus soil aeration is a key factor. We aim to investigate the importance of soil-gas transport-processes for CH4 oxidation in forest soils from the variability the intra-site level, down to small-scale (0.1 m), using new approaches of field measurements. Further we will investigate the temporal evolution of soil CH4 consumption and the influence of environmental factors during the season. Based on previous results, we hypothesize that turbulence-driven pressure-pumping modifies the transport of CH4 into the soil, and thus, also CH4 consumption. To improve the understanding of horizontal patterns of CH4 oxidation we want to integrate the vertical dimension on the different scales using an enhanced gradient flux method. To overcome the constraints of the classical gradient method we will apply gas-diffusivity measurements in-situ using tracer gases and Finite-Element-Modeling. Similar to the geophysical technique of Electrical Resistivity Tomography we want to develop a Gas Diffusivity Tomography. This will allow to derive the three-dimensional distribution of soil gas diffusivity and methane oxidation.

Die Auswirkung extremer Schmelzereignisse auf die zukünftige Massenbilanz des grönländischen Eisschildes

Im letzten Jahrzehnt war der grönländische Eisschild mehreren Extremereignissen ausgesetzt, mit teils unerwartet starken Auswirkungen auf die Oberflächenmassebilanz und den Eisfluss, insbesondere in den Jahren 2010, 2012 und 2015. Einige dieser Schmelzereignisse prägten sich eher lokal aus (wie in 2015), während andere fast die gesamte Eisfläche bedeckten (wie in 2010).Mit fortschreitendem Klimawandel ist zu erwarten, dass extreme Schmelzereignisse häufiger auftreten und sich verstärken bzw. länger anhalten. Bisherige Projektionen des Eisverlustes von Grönland basieren jedoch typischerweise auf Szenarien, die nur allmähliche Veränderungen des Klimas berücksichtigen, z.B. in den Representative Concentration Pathways (RCPs), wie sie im letzten IPCC-Bericht genutzt wurden. In aktuellen Projektionen werden extreme Schmelzereignisse im Allgemeinen unterschätzt - und welche Konsequenzen dies für den zukünftigen Meeresspiegelanstieg hat, bleibt eine offene Forschungsfrage.Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, die Auswirkungen extremer Schmelzereignisse auf die zukünftige Entwicklung des grönländischen Eisschildes zu untersuchen. Dabei werden die unmittelbaren und dauerhaften Auswirkungen auf die Oberflächenmassenbilanz und die Eisdynamik bestimmt und somit die Beiträge zum Meeresspiegelanstieg quantifiziert. In dem Forschungsprojekt planen wir zudem, kritische Schwellenwerte in der Häufigkeit, Intensität sowie Dauer von Extremereignissen zu identifizieren, die - sobald sie einmal überschritten sind - eine großräumige Änderung in der Eisdynamik auslösen könnten.Zu diesem Zweck werden wir die dynamische Reaktion des grönländischen Eisschilds in einer Reihe von Klimaszenarien untersuchen, in denen extreme Schmelzereignisse mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit zu bestimmten Zeitpunkten auftreten, und die Dauer und Stärke prognostisch variiert werden. Um indirekte Effekte durch verstärktes submarines Schmelzen hierbei berücksichtigen zu können, werden wir das etablierte Parallel Ice Sheet Model (PISM) mit dem Linearen Plume-Modell (LPM) koppeln. Das LPM berechnet das turbulente submarine Schmelzen aufgrund von Veränderungen der Meerestemperatur und des subglazialen Ausflusses. Es ist numerisch sehr effizient, so dass das gekoppelte PISM-LPM Modell Ensemble-Läufe mit hoher Auflösung ermöglicht. Folglich kann eine breite Palette von Modellparametern und Klimaszenarien in Zukunftsprojektionen in Betracht gezogen werden.Mit dem interaktiv gekoppelten Modell PISM-LPM werden wir den Beitrag Grönlands zum Meeresspiegelanstieg im 21. Jahrhundert bestimmen, unter Berücksichtigung regionaler Veränderungen von Niederschlag, Oberflächen- und Meerestemperaturen, und insbesondere der Auswirkungen von Extremereignissen. Ein Hauptergebnis wird eine Risikokarte sein, die aufzeigt, in welchen kritischen Regionen Grönlands zukünftige extreme Schmelzereignisse den stärksten Eisverlust zur Folge hätten.

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.

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