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HILLSCAPE (Chronosequenzen an Hängen und deren Prozessentwicklungen)

Der globale Wandel verändert nicht nur das Klima sondern auch die Oberfläche der Erde. Unser Verständnis von Bodenveränderungen und ihrer Wechselwirkungen mit hydrologischen, ökologischen und geomorphologischen Prozesse ist jedoch noch rudimentär. Einige der Bodeneigenschaften sind zeitlich stabil, aber andere verändern sich zum Teil sehr schnell mit signifikanten Auswirkungen auf die Quantität und Qualität des Wasserkreislaufes. Diese Veränderungen sind besonders markant auf der Hangskala, wo laterale und vertikale Prozesse über unterschiedliche Zeitskalen miteinander interagieren. Wasser und Vegetation beeinflussen die oberirdischen und unterirdischen Prozesse an Hängen auch über die Verwitterung, die Bodenentwicklung und die Erosion. Diese Prozesse wiederum beeinflussen auch die Fließwege des Wassers. Die daraus resultierende Verteilung der Wasserspeicher beeinflusst die Artenverteilung und Funkrionalität der Vegetation, wobei die Vegetation selber wiederum die Fließwege des Wassers beeinflusst. Dieses komplexe Gefüge an Wechselwirkungen wurde in seiner zeitlichen Entwicklung bisher noch kaum detailliert untersucht. Das interdisziplinäre Forschungsprojekt HILLSCAPE (HILLSlope Chronosequence And Process Evolution) soll sich mit der Frage beschäftigen, wie sich dieser Feedback-Zyklus in einem Zeitraum von 10000 Jahren verändert und was für strukturelle Veränderungen daraus resultieren. Das Projekt konzentriert sich dabei auf die vertikale und laterale Umverteilung von Wasser und Stoffen an Hängen und ihrer Wechselwirkungen mit dem Boden, der Vegetation und der Landschaftsentwicklung. Um dieses ehrgeizige Ziel erreichen zu können, wird sich HILLSCAPE Hang-Chronosequenzen auf Moränenstandorten zu Nutze machen. Gletschervorländer liefern uns so Schnappschüsse der zeitlichen Entwicklung. Die Auswahl zweier Fokusgebiete mit unterschiedlichem Ausgangsmaterial erlaubt dabei den direkten Vergleich der Entwicklung auf Silikat- und Karbonatgestein. In jedem Fokusgebiet werden Hänge in 4 verschiedenen Altersklassen instrumentiert. Die Aufgliederung in 5-6 Flächen pro Altersklasse ermöglicht es uns, eine große Bandbreite an Vegetationsbedeckung und -komplexität abzudecken. Wir werden gezielt relevante Strukturen aller 48 Hangflächen aufnehmen und werden deren hydrologische und geomorphologische Funktionsweise und Prozesse einerseits über ein Jahr beobachten und andererseits durch künstliche Beregnung in kontrollierten Experimenten genauer aufschlüsseln. Zusätzlich werden wir funktionalen Eigenschaften der Pflanzen und somit die strukturelle und funktionale Diversität der Standorte erfassen. Die Kombination von vier interdisziplinären Doktorarbeiten und der integrativen Modellierung durch einen Postdoc erlaubt uns die gemeinsame Untersuchung von hydrologischen, geomorphologischen und biotischen Prozessen und ihrer Interaktionen.

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.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Terrestrische Ökosystem- und Klimadynamik in SE-Afrika für den Zeitraum der Entwicklung, des Vorkommens und des Aussterbens archaischer Hominiden (4-2 Ma) basierend auf Kernmaterial von IODP-Expedition 361

Das beantragte Projekt hat zum Ziel, die terrestrische Ökosystem- und Klimadynamik - und damit die naturräumlichen Rahmenbedingungen für die Evolution früher Hominiden - in SE-Afrika während des 'mittleren' Pliozäns und frühen Pleistozäns zu rekonstruieren. Um dieses Ziel zu erreichen, soll an Hand von Kernmaterial von IODP Expedition 361 ('Southern African Climates') eine Land/Meer-Korrelation vor SE-Afrika erarbeitet werden; diese wird die erste kontinuierliche Rekonstruktion der terrestrischen Ökosystem- und Klimaänderungen in SE-Afrika während des 'mittleren' Pliozäns bis frühen Pleistozäns liefern. Methodisch basiert das Projekt auf einem integrierten Ansatz, der palynologische (Pollen und Sporen) und elementgeochemische (XRF-Scanning) Analysen vereint und auf den Splice von IODP-Site U1478 (Straße von Mosambik) angewendet werden soll. Eine präzise Alterskontrolle wird durch die hochauflösende Benthos-Sauerstoffisotopenstratigraphie ermöglicht, die aktuell für Site U1478 erarbeitet wird. Site U1478 ist für die hier vorgeschlagenen Untersuchungen aus einer Reihe von Gründen ideal geeignet: (i) er stellt ein stratigraphisch außergewöhnlich vollständiges Archiv dar und verfügt dabei über hohe Sedimentationsraten; (ii) seine proximale Lage in Bezug auf das Limpopo-Delta gewährleistet einen hohen Anteil terrigenen Inputs im Kernmaterial; (iii) die Ursprungsregion dieser terrigenen Komponenten lässt sich hervorragend eingrenzen; (iv) er ist gegenüber terrestrischen Klimaänderungen hoch empfindlich, wie frühere Studien an nahe gelegenen Kurzkernen belegen; (v) die für das vorgeschlagene Projekt durchgeführten Pilotstudien an Kernfänger-Material belegen, dass seine Sedimente in Bezug auf Pollen und Sporen extrem produktiv sind; er liegt in einer proximal Position hinsichtlich der paläoanthropologischen 'Cradle of Humankind'-Fundstätten in Südafrika. Unter Berücksichtigung des gegenwärtigen Forschungsstandes zur Evolution archaischer Hominiden (insbesondere Australopithecus africanus) fokussiert das Projekt auf den Zeitraum zwischen 4 und 2 Ma; kritische Intervalle der Evolution archaischer Hominiden sollen in besonders hoher zeitlicher Auflösung analysiert werden. Die Integration der palynologischen und elementgeochemischen Proxy-Daten wird detaillierte Aussagen zum Charakter und Zeitpunkt wie auch zur Stärke und Geschwindigkeit der Ökosystem- und Klimavariabilität im Einzugsgebiet des Limpopo River und damit in der 'Cradle of Humankind'-Region erlauben. Dadurch wird nicht nur die Klärung der Frage möglich, inwiefern Intervalle mit besonders ausgeprägtem Umweltwandel tatsächlich mit Schritten in der Hominiden-Evolution einhergehen, sondern es lassen sich auch die einzelnen Komponenten dieses Umweltwandels identifizieren. Diese Informationen können neues Licht auf die aktuelle Diskussion um potenzielle kausale Zusammenhänge zwischen Umwelt-'Forcing' und menschlicher Evolution werfen.

Modellierung der Ressourcennutzung in terrestrischen Habitaten. Rekonstruktion des Nahrungsspektrums neogener und pleistozäner Huftiergesellschaften

Die Kenntnis rezenter Lebensräume wird genutzt, um Modelle zur Rekonstruktion neogener und pleistozäner Habitate zu entwickeln. Es wird erwartet, dass die Nahrungsspezifität von Huftieren wichtige Hinweise liefert auf die Habitate der untersuchten Faunen. Evolutionstrends lassen sich dann mit Veränderungen im Habitat korrelieren.

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.

ANK-MK: Seegras (Zostera marina) als Blue Carbon-Kohlenstoffspeicher in der Ostsee'

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

Palaeo-Evo-Devo of Malacostraca - a key to the evolutionary history of 'higher' crustaceans

In my project I aim at a better understanding of the evolution of malacostracan crustaceans, which includes very different groups such as mantis shrimps, krill and lobsters. Previous studies on Malacostraca, on extant as well as on fossil representatives, focussed on adult morphology.In contrast to such approaches, I will apply a Palaeo-Evo-Devo approach to shed new light on the evolution of Malacostraca. Palaeo-Evo-Devo uses data of different developmental stages of fossil malacostracan crustaceans, such as larval and juvenile stages. With this approach I aim at bridging morphological gaps between the different diverse lineages of modern malacostracans by providing new insights into the character evolution in these lineages.An extensive number of larval and juvenile malacostracans is present in the fossil record, but which have only scarcely been studied. The backbone of this project will be on malacostracans from the Solnhofen Lithographic Limestones (ca. 150 million years old), which are especially well preserved and exhibit minute details. During previous studies, I developed new documentation methods for tiny fossils from these deposits, e.g., fluorescence composite microscopy, and also discovered the first fossil mantis shrimp larvae. For malcostracan groups that do not occur in Solnhofen, I will investigate fossils from other lagerstätten, e.g., Mazon Creek and Bear Gulch (USA), or Montceaules- Mines and La-Voulte-sur-Rhône (France). The main groups in focus are mantis shrimps and certain other shrimps (e.g., mysids, caridoids), as well as the bottom-living ten-footed crustaceans (reptantians). Examples for studied structures are leg details, including the feeding apparatus, but also eyes. The results will contribute to the reconstruction of 3D computer models.The data collected in this project will be used for evaluating the relationships within Malacostraca, but mainly for providing plausible evolutionary scenarios, how the modern malacostracan diversity evolved. With the Palaeo-Evo-Devo approach, I am also able to detect shifts in developmental timing, called heterochrony, which is interpreted as one of the major driving forces of evolution. Finally, the reconstructed evolutionary patterns can be compared between the different lineages for convergencies. These comparisons might help to explain the convergent adaptation to similar ecological niches in different malacostracan groups, e.g., life in the deep sea, life on the sea bottom, evolution of metamorphosis or of predatory larvae.As the project requires the investigation of a large number of specimens in different groups, I will assign distinct sub-projects to three doctoral researchers. The results of this project will not only be published in peer-reviewed journals, but will also be presented to the non-scientific public, e.g., during fossil fairs or museum exhibitions with 3D models engraved in glass blocks.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1488: Planetary Magnetism (PlanetMag), Evolution of geomagnetic dipole moment and South Atlantic Anomaly

The geomagnetic field shields our habitat against solar wind and radiation from space. Due to the geometry of the field, the shielding in general is weakest at high latitudes. It is also anomalously weak in a region around the south Atlantic known as South Atlantic Anomaly (SAA), and the global dipole moment has been decreasing by nearly 10 percent since direct measurements of field intensity became possible in 1832. Due to our limited understanding of the geodynamo processes in Earths core, it is impossible to reliably predict the future evolution of both dipole moment and SAA over the coming decades. However, lack of magnetic field shielding as would be a consequence of further weakening of dipole moment and SAA region field intensity would cause increasing problems for modern technology, in particular satellites, which are vulnerable to radiation damage. A better understanding of the underlying processes is required to estimate the future development of magnetic field characteristics. The study of the past evolution of such characteristics based on historical, archeo- and paleomagnetic data, on time-scales of centuries to millennia, is essential to detect any recurrences and periodicities and provide new insights in dynamo processes in comparison to or in combination with numerical dynamo simulations. We propose to develop two new global spherical harmonic geomagnetic field models, spanning 1 and 10 kyrs, respectively, and designed in particular to study how long the uninterrupted decay of the dipole moment has been going on prior to 1832, and if the SAA is a recurring structure of the field.We will combine for the first time all available historical and archeomagnetic data, both directions and intensities, in a spherical harmonic model spanning the past 1000 years. Existing modelling methods will be adapted accordingly, and existing data bases will be complemented with newly published data. We will further acquire some new archeomagnetic data from the Cape Verde islands from historical times to better constrain the early evolution of the present-day SAA. In order to study the long-term field evolution and possible recurrences of similar weak field structures in this region, we will produce new paleomagnetic records from available marine sediment cores off the coasts of West Africa, Brazil and Chile. This region is weakly constrained in previous millennial scale models. Apart from our main aim to gain better insights into the previous evolution of dipole moment and SAA, the models will be used to study relations between dipole and non-dipole field contributions, hemispheric symmetries and large-scale flux patterns at the core-mantle boundary. These observational findings will provide new insights into geodynamo processes when compared with numerical dynamo simulation results.Moreover, the models can be used to estimate past geomagnetic shielding above Earths surface against solar wind and for nuclide production from galactic cosmic rays.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1006: Bereich Infrastruktur - Internationales Kontinentales Bohrprogramm, Sub project: Bündel-Antrag Ohrid-See: Evolutionary, geological, and environmental history of Lake Ohrid (EGEL)

Lake Ohrid is a large (360 km2) and deep (289 m) lake of tectonic origin and is shared between the Republics of Macedonia and Albania. Biological and biogeographical studies of the lake revealed an outstanding degree of endemism and suggest a Pliocene origin of Lake Ohrid, making the lake the oldest one in Europe. The high age and the high degree of endemism make Lake Ohrid a first class site to investigate the link between geological and biological evolution in ancient lakes. Given its importance as refugium and spreading centre, the lake was declared a UNESCO world heritage site in 1979, and included as a target site of the International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) already in 1993. The political situation in the Balkan in the mid 1990ies, however, hampered further establishment of Lake Ohrid as potential ICDP site. This proposal bundle seeks funds for the detection of the timing of major evolutionary events, the investigation of the origin, the sedimentological inventory, neotectonic movements, and the paleoecology and paleolimnology of Lake Ohrid in order to develop a full ICDP proposal for deep drilling. Within the scope of this cover proposal funds for the coordination of the single proposals, for scientific exchange between the single bundle proponents, and for the data management are applied for.

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