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Export von organischem Kohlenstoff aus Islands Gletschern: Quantifizierung, Herkunft und Kohlenstoffflüsse in Gletscherbächen

Gletscher sind bedeutende Speicher organischen Kohlenstoffs (OC) und tragen zum Kohlenstofffluss vom Festland zum Meer bei. Aufgrund des Klimawandels wird eine Intensivierung dieser Flüsse erwartet. Der Export von OC aus Gletschern wurde weltweit in verschiedenen Regionen quantifiziert, trotzdem liegen keine vergleichbaren Daten für Island vor, obwohl sich dort die größte europäische außerpolare Eiskappe befindet. Um die globalen Prognosen der glazialen Kohlenstofffreisetzung zu verbessern, ist es das Ziel dieses Pilotprojektes, den Export von gelöstem und partikulärem organischen Kohlenstoff (DOC, POC) aus Islands Gletschern erstmalig zu quantifizieren und neue Kooperationen mit isländischen Wissenschaftler/innen für gemeinsame zukünftige Forschungsprojekte aufzubauen. Hierzu werden 4 Feldkampagnen zu unterschiedlichen Jahreszeiten sowie Treffen mit isländischen Kollegen/innen durchgeführt. In jeder Feldkampagne werden von 23 Gletschern der Eiskappen Vatnajökull, Langjökull, Hofsjökull, Myrdalsjökull und Snaeellsjökull Eisproben entnommen, um die biogeochemische Diversität des glazialen OC zu charakterisieren sowie dessen Export in Verbindung mit Massenbilanzen zu quantifizieren. In Gletscherbächen werden Wasserproben entnommen, um den Austrag von OC direkt am Gletschertor zu bestimmen sowie die Kohlenstoffflüsse entlang von 6 Gletscherbächen mit unterschiedlicher Länge (2 km bis 130 km) beginnend am Gletschertor bis zur Mündung zu untersuchen. Wie sich der Gletscherrückgang langfristig auf ein Gletscherbachökosystem auswirkt, wird durch die taxonomische Bestimmung von Makroinvertebraten im Vergleich zur Bestimmung von Prof. Gíslason aus dem Jahre 1997 beurteilt. Gleichzeitig werden in diesem Gletscherbach Wasserproben zum eDNA-Barcoding entnommen, um eine rasche und gering invasive Methode zur laufenden Beobachtung des zukünftigen Einflusses der Gletscherrückgang zu entwickeln. Vor Ort werden Wassertemperatur, elektr. Leitfähigkeit, pH-Wert, gelöster Sauerstoff, Trübung und Chlorophyll alpha gemessen. Innovative Labormethoden (HPLC, DNA-Barcoding, Picarro, GC, TOC) werden zur Analyse des OC im Eis und Wasser (DOC, DIC, POC, Fluoreszenz, Absorption), der Nährstoffe (P-PO4, N-NO3, N-NO2, N-NH4), stabiler Isotope (18O, 2H), Chlorophyll alpha, CO2 und aquatischen Organismen eingesetzt. Die Anwendung statistischer Methoden (Faktorenanalyse, Hauptkomponentenanalyse) basierend auf Anregungs- und Emissionsmatrizen erlauben die Quellen des OC im Gletschereis sowie -schmelzwasser zu bestimmen und die räumliche Vielfalt des OC zu erklären. Das gewonnene Wissen wird zur Verbesserung globaler Prognosen glazialer Kohlenstofffreisetzung beitragen sowie einen intensiven Einblick in das glaziale Ökosystem geben. Für die antragstellenden Nachwuchswissenschaftler/innen entstehen vielversprechende Kooperationen mit isländischen Wissenschaftlern/innen, fokussierend auf die zeitlichen sowie räuml. Aspekte der glazialen Kohlenstoffflüsse sowie das Ökosystem Gletscher

Schwerpunktprogramm (SPP) 1889: Regional Sea Level Change and Society (SeaLevel), Ozeanischer Einfluss auf den grönländischen 79°N Gletscher

Die Wechselwirkung zwischen der Kryosphäre und dem Ozean bildet eine der Hauptursachen für lokale und globale Veränderungen des Meeresspiegels. Das Schmelzen des grönländischen Eisschildes trägt derzeit zu rund einem Drittel zum globalen Meeresspiegelanstieg bei, und der Massenverlust des Eisschildes und damit der Transport von Eis aus dem Eisschild in den Ozean beschleunigen sich weiter. Bis vor kurzem schien es, als sei die Beschleunigung der abfließenden Eisströme auf Grönlands Westküste und die Fjorde im Südosten beschränkt, während die Gletscher im Nordosten als weitgehend stabil galten. Einer dieser scheinbar stabilen Gletscher ist der Nioghalvfjerdsbrae oder 79°Nord Gletscher, der größere zweier Gletscher, die aus dem nordostgrönländischen Eisstrom gespeist werden und direkt ins Meer münden. Wegen der Existenz einer Kaverne unter der schwimmenden Eiszunge analog zu den Schelfeisen der Antarktis ist der 79°Nord Gletscher für Studien der Eis Ozean Wechselwirkung sehr interessant, besonders da das Einzugsgebiet des nordostgrönländischen Eisstroms mehr als 15% der Fläche des grönländischen Eisschildes erfasst. Aktuelle Studien weist nun auf eine Beschleunigung des Eisstromes und eine Abnahme der Eisdicke entlang der Küste von Nordostgrönland hin. Gleichzeitig wurde eine Erwärmung und eine Zunahme des Volumens des Atlantikwassers in der Ostgrönlandsee und der Framstraße beobachtet. Unser Projekt hat zum Ziel, (1) die Mechanismen zu verstehen, mit denen der Ozean Wärme aus der Framstraße und vom Kontinentalhang Nordostgrönlands in die Kaverne unter dem schwimmenden 79°N Gletscher transportiert, (2) die Rolle externer Variabilität relativ zu Prozessen innerhalb der Kaverne hinsichtlich ihres Einflusses auf das Schmelzen an der Eisunterseite zu untersuchen und (3) die wichtigsten Sensitivitäten innerhalb dieses gekoppelten Systems aus Eis und Ozean zu identifizieren. Wir verfolgen dieses Ziel durch eine Kombination von gezielter Beobachtung und innovativer hochauflösender Modellierung. Im Rahmen zweier Forschungsreisen mit dem Eisbrecher FS Polarstern werden Strömungsgeschwindigkeiten, Hydrographie und Mikrostruktur sowohl mit gefierten als auch mit verankerten Instrumenten gemessen. Diese Beobachtungen werden durch den Einsatz eines autonomen Unterwasserfahrzeugs ergänzt. Zur Modellierung nutzen wir das Finite Element Sea ice Ocean Model (FESOM), das um eine Schelfeiskomponente erweitert wurde und in einer Konfiguration betrieben wird, die mit hoher Auflösung die kleinskaligen Prozesse auf dem Kontinentalschelf vor Nordostgrönland und in der Kaverne unter dem 79°N Gletscher in einem globalen Kontext wiedergibt. Zusammen mit den Beiträgen unserer Kooperationspartner aus der Glaziologie und der Tracerozeanographie entwickelt sich aus der Synthese dieser beiden Komponenten ein detailliertes Bild der Prozesse auf dem Kontinentalschelf Nordostgrönlands, einer Schlüsselregion für zukünftige Veränderungen des globalen Meeresspiegels.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Austauschflüsse klimarelevanter Spurengase vor der Westlichen Antarktischen Halbinsel (EWARP)

Die Westliche Antarktische Halbinsel (engl. Western Antarctic Peninsula, WAP) umfasst ein hochproduktives Ökosystem und ist wohl eine der Regionen, die sich unter den Auswirkungen der globalen Erwärmung am schnellsten verändern. Natürliche zeitlich-räumliche Variabilitäten in Form von Meereis-Saisonalität, schelfübergreifendem Transport von warmem zirkumpolarem Wasser und submesoskaligen Wirbeln haben einen ausgeprägten Einfluss auf das chemische und biologische Umfeld des WAP. Daher könnten Umweltveränderungen wie das beschleunigte Abschmelzen der Gletscher, die verringerte Meereisbedeckung und die erhöhte Verfügbarkeit von UV-Licht enorme Auswirkungen auf die biogeochemischen Zyklen der Region haben. Die genaue Richtung der Veränderungen ist jedoch noch unklar, was vor allem auf den Mangel an Daten aufgrund des schwierigen Zugangs zurückzuführen ist. Klimarelevante Spurengase gehören zu hochrelevanten, noch nicht ausreichend untersuchten Verbindungen in den Polarregionen, insbesondere im WAP. Nicht nur mangelnde Datenerfassung, sondern auch ein detailliertes Verständnis der Kontrollmechanismen für den Transfer von Gasen aus der ozeanischen Mischschicht in die Atmosphäre macht es schwierig, ihre Gesamtemissionen in die Atmosphäre abzuschätzen. Die gemischte Wassermasse an der Oberfläche und die Atmosphäre sind durch natürlich vorkommende Oberflächenfilme getrennt, die die Austauschprozesse steuern. Daher ist bis heute nicht klar, ob der WAP eine Quelle oder Senke für Spurengase ist. Wir schlagen vor, eine ehrgeizige multidisziplinäre Studie durchzuführen, die darauf abzielt, die Produktion und die Austauschflüsse von Spurengasen in den Küstengewässern und im offenen Ozean des WAP zu quantifizieren. Insbesondere wollen wir: i) die Hauptproduktionswege von CH4, N2O, DMS und CO in der Region der Bransfield-Straße bewerten, ii) die Kontrollmechanismen für ihren Transfer über marine Oberflächenfilme in die Atmosphäre und ihre Variabilität während des Frühling-Sommer-Übergangs aufklären und iii) entschlüsseln, inwieweit submesoskalige Prozesse die Spurengaszyklen und Eigenschaften von Oberflächenfilmen beeinflussen. Zu diesem Zweck schlagen wir vor, verankerte Beobachtungen, saisonale Probenahmen an einer ortsfesten Station und eine Prozessstudie mit hochauflösenden physikalischen, chemischen und biologischen Messungen mit autonomen Plattformen (z.B. ferngesteuerte Katamaran und Drifter) zu verwenden. Das vorgeschlagene Projekt wird Einblicke in die Hauptkontrollen der Emissionen von Spurengasen in die Atmosphäre im WAP geben und zukünftigen Modellstudien helfen, die Darstellung der Auswirkungen der beschleunigten Gletscherschmelze in Ozean-Atmosphären-Modellen zu verbessern.

Sustainable Water Resources Management in the Yanqi Basin, Sinkiang, China

Irrigation in the Yanqi Basin, Sinkiang, China has led to water table rise and soil salination. A model is used to assess management options. These include more irrigation with groundwater, water saving irrigation techniques and others. The model relies on input data from remote sensing.The Yanqi Basin is located in the north-western Chinese province of Xinjiang.This agriculturally highly productive region is heavily irrigated with water drawn from the Kaidu River. The Kaidu River itself is mainly fed by snow and glacier melt from the Tian Mountain surrounding the basin. A very poor drainage system and an overexploitation of surface water have lead to a series of environmental problems: 1. Seepage water under irrigated fields has raised the groundwater table during the last years, causing strongly increased groundwater evaporation. The salt dissolved in the groundwater accumulates at the soil surface as the groundwater evaporates. This soil salinization leads to degradation of vegetation as well as to a loss of arable farmland. 2. The runoff from the Bostan Lake to the downstream Corridor is limited since large amount of water is used for irrigation in the Yanqi Basin. Nowadays, the runoff is maintained by pumping water from the lake to the river. The environmental and ecological system is facing a serious threat.In order to improve the situation in the Yanqi Basin, a jointly funded cooperation has been set up by the Institute of Environmental Engineering, Swiss Federal Institute of Technology (ETH) , China Institute of Geological and Environmental Monitoring (CIGEM) and Xinjiang Agricultural University. The situation could in principle be improved by using groundwater for irrigation, thus lowering the groundwater table and saving unproductive evaporation. However, this is associated with higher cost as groundwater has to be pumped. The major decision variable to steer the system into a desirable state is thus the ratio of irrigation water pumped from the aquifer and irrigation water drawn from the river. The basis to evaluate the ideal ratio between river and groundwater - applied to irrigation - will be a groundwater model combined with models describing the processes of the unsaturated zone. The project will focus on the following aspects of research: (...)

Elevation zones Hallstätter Gletscher, Dachstein, Austria, 2024/2025

The annual glacier mass balance of Hallstätter Gletscher in Austria is measured since 1.10.2006 with the direct glaciological method in the fixed date system (1.10. to 30. 09. of the following year). The accumulation of snow is measured by determination of the water equivalent in 6 snow pits, the ice ablation is measured with 15 stakes drilled into the ice. Results are the annual net mass balance in kg, the total accumulation and ablation, the glacier area and the portions of the area which are subject to ablation and accumulation, the elevation of the equilibrium line and the specific mass balance in kg/m² (= mm w.e.). The accumulation during the winter is determined by the 1 May. The project is funded by the Federal Government of Upper Austria. The measurements are carried out the Institute for Interdisciplinary Mountain Research of the Austrian Academy of Sciences and the company Blue Sky in Gmunden, Austria.

Glacier mass balance Hallstätter Gletscher, Dachstein, Austria, 2024/2025

The annual glacier mass balance of Hallstätter Gletscher in Austria is measured since 1.10.2006 with the direct glaciological method in the fixed date system (1.10. to 30. 09. of the following year). The accumulation of snow is measured by determination of the water equivalent in 6 snow pits, the ice ablation is measured with 15 stakes drilled into the ice. Results are the annual net mass balance in kg, the total accumulation and ablation, the glacier area and the portions of the area which are subject to ablation and accumulation, the elevation of the equilibrium line and the specific mass balance in kg/m² (= mm w.e.). The accumulation during the winter is determined by the 1 May. The project is funded by the Federal Government of Upper Austria. The measurements are carried out the Institute for Interdisciplinary Mountain Research of the Austrian Academy of Sciences and the company Blue Sky in Gmunden, Austria.

Glacier outlines of Hallstätter Glacier, Austria, 1856 et seq in shapefile format

Glacier outlines of Hallstätter Glacier in the Dachstein Massif, Austria, are periodically mapped as part of the respective glacier mass balance monitoring program. Outlines are provided in shapefile format and were mapped based on the available DEMs, historical images, orthophotos or satellite images. Glacier area has decreased from 5.3 km2 in 1856 to 2.4 km2 in 2023. Detailed Information is given in Helfricht (2009), Kara (2020) and Bertolotti et al. (in prep.) and in the associated readme files. New outlines will be added as they become available.

Glacier mass balances and elevation zones of Hallstätter Gletscher, Dachstein, Austria, 2006/2007 et seq

The annual glacier mass balance of Hallstätter Gletscher in Austria is measured since 2006-10-01 with the direct glaciological method in the fixed date system (1st October to 30th September of the following year). The accumulation of snow is measured by determination of the water equivalent in 6 snow pits, the ice ablation is measured with 15 stakes drilled into the ice. Results are the annual net mass balance in kg, the total accumulation and ablation, the glacier area and the portions of the area which are subject to ablation and accumulation, the elevation of the equilibrium line and the specific mass balance in kg/m**2 (= mm w.e.). The accumulation during the winter is determined by the 1st May. The project is funded by the Amt der Oberösterreichischen Landesregierung and the Energie AG. The measurements are carried out by the Institute for Interdisciplinary Mountain Research (http://www.mountainresearch.at/index.php/en/) of the Austrian Academy of Sciences and the company Blue Sky in Gmunden, Austria. New data will be added every year.

Glacier mass balance of Hallstäter Glacier, Austria, 2006/07 et seq in shapefile format

Annual and winter glacier mass balance maps (fixed date system) for Hallstätter Glacier in the Dachstein Massif, Austria, is provided in shapefile format. The shapes contain contour lines delineating areas of equal mass balance as well as elevation zones. Spatially integrated mass balance is derived from point measurements at snow pits and ablation stakes by interpolating between measurement points and extrapolating to unmeasured regions of the glacier. Detailed Information is given in Helfricht (2009) and Bertolotti et al. (in prep.) and in the associated readme files. New data will be added each year. This is complementary information to the data provided by Fischer et al., 2016.

Glacier mass balance Hallstätter Gletscher, Dachstein, Austria, 2023/2024

The annual glacier mass balance of Hallstätter Gletscher in Austria is measured since 1.10.2006 with the direct glaciological method in the fixed date system (1.10. to 30. 09. of the following year). The accumulation of snow is measured by determination of the water equivalent in 6 snow pits, the ice ablation is measured with 15 stakes drilled into the ice. Results are the annual net mass balance in kg, the total accumulation and ablation, the glacier area and the portions of the area which are subject to ablation and accumulation, the elevation of the equilibrium line and the specific mass balance in kg/m² (= mm w.e.). The accumulation during the winter is determined by the 1 May. The project is funded by the Federal Government of Upper Austria. The measurements are carried out the Institute for Interdisciplinary Mountain Research of the Austrian Academy of Sciences and the company Blue Sky in Gmunden, Austria.

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