Das Ziel dieses Projekts besteht in der Analyse der Strömungsmuster über subaquatischen Bodenformen in Tidegebieten mit Hilfe hochauflösender numerischer Modelle. In Flüssen, nahe der Küsten und in größeren Tiefen sind Bodenformen weit verbreitet und reflektieren Strömung und Sedimenttransportwege, während sie gleichzeitig einen starken Effekt auf die Strömung ausüben. Diese Effekte sind darüber hinaus von hoher sozio-ökonomischer Bedeutung, z.B. hinsichtlich der Schiffbarkeit von Flussmündungen und der Sicherheit von Offshore-Konstruktionen. Bedingt durch Hydrodynamik und dem Vorkommen sandiger Sedimente sind flache Tidegebiete durch die Entwicklung großer Felder komplexer Bodenformen gekennzeichnet. Strömungsmuster über diesen Bodenformen unterscheiden sich grundsätzlich von Strömungen über gleichmäßigen, idealisiert zweidimensionalen (2D) Bodenformen, die in Strömungskanälen und numerischen Modellen bisher betrachtet werden. Natürlichen Bodenformen sind dagegen intrinsisch dreidimensional (3D) mit komplexen Profilen, gekennzeichnet durch geschwungene Dünenrücken, Kolke, Bifurkationen, Diskontinuitäten und niedrige Leewinkel. In Küstengebieten sorgt die tidebedingte Strömungsumkehr für zusätzliche Komplexität in der Interaktion zwischen Bodenformen und Hydrodynamik. Die entsprechenden Strömungsmuster sind weitgehend unbekannt, insbesondere der Einfluss der Dreidimensionalität der Bodenformen auf die Gezeitenströmung, auch bedingt durch die Schwierigkeit, Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenz synoptisch mit ausreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung zu messen. Im Rahmen der hier beschriebenen Studie wird ein dreidimensionales Transportmodell mit dem Modellsystem Delft3D erstellt, um Strömungen in natürlichen Bodenformfeldern mit entsprechend charakteristischer Morphologie zu simulieren. Dazu soll ein bestehendes und zur Simulierung von 2D Bodenformen genutztes Modell erweitert und zur Analyse der Strömungen über 3D Bodenformen verwendet werden. Mit diesem neuen Modell wird zum ersten Mal ermöglicht, Strömungsmuster und Turbulenz über natürlichen Bodenformfeldern unter realistischen Bedingungen, insbesondere unter Berücksichtigung der Umkehr der Gezeitenströmung, zu modellieren und den Einfluss einzelner morphologischer Elemente sowie deren Interaktion herauszuarbeiten. Diese Ergebnisse dienen schließlich der Optimierung und Parametrisierung kleinskaliger Teilprozesse in großmaßstäblichen hydro- und morphodynamischen Modellsystemen.
Basierend auf dem Stand des Wissens ist es nicht möglich, zuverlässig die Transfergeschwindigkeiten für den Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre bei hohen Windgeschwindigkeiten anzugeben. Der Mangel an experimentellen Daten ist der Grund dafür. Das Ziel dieses Projekts ist es daher, die Mechanismen des Gasaustausches mit Fokus auf die hohen Windgeschwindigkeiten durch eine Reihe von Laborexperimenten unter den weit möglichen Bedingungen zu untersuchen. Drei geeignete Einrichtungen wurden ausgewählt: der erste Wind/Wellen Kanal, an dem Windgeschwindigkeiten mit Hurrikan Stärke möglich sind, an der Universität Kyoto, der große Kanal an der Universität Marseille und der große ringförmige Kanal an der Universität Heidelberg, das Aeolotron. Die experimentellen Bedingungen umfassen Windgeschwindigkeiten (U10) von 0-70 m/s, Wassertemperaturen von 5-40 Grad C, Süß- und Meerwasser, Überlagerung mechanisch und winderzeugter Wellen und Belüfter, um hohe Blasenkonzentrationen zu erreichen. Mehr als ein Dutzend Tracer - mit denen der gesamte Bereich der möglichen Diffusivitäten und Löslichkeit abgedeckt wird - lassen sich gleichzeitig durch Membraneinlass-Massenspektrometrie und UV Spektroskopie messen. Damit werden die vorhandenen konzeptionellen Modelle überprüft und, wenn notwendig, modifiziert oder erweitert, und die relative Bedeutung der einzelnen Mechanismen quantitativ bestimmt.
Methan ist ein bedeutendes Treibhausgas, das einen starken Einfluss auf die Klimaentwicklung der Erde nimmt. Zurzeit sind das Wissen um die verschiedenen Methanquellen und deren atmosphärischer Einfluss noch äußerst lückenhaft. Eine Quelle, die hier von besonderer Wichtigkeit sein könnte, ist die mikrobielle Methanproduktion innerhalb des Darms bestimmter Zooplanktonorganismen bzw. der von ihnen ausgeschiedenen Kotpillen. Diese Quelle ist hauptsächlich in der oberen sauerstoffhaltigen Wassersäule angesiedelt und kann somit einen unmittelbaren Einfluss auf den Methanfluss zwischen Ozean und Atmosphäre nehmen. In unserem Projekt stellen wir die Hypothese auf, dass in hochproduktive Regionen, wie z.B. in Randmeeren, diese Zooplankton-basierte Methanproduktion besonders stark ausgeprägt ist. Des Weiteren vermuten wir, dass die zeitweise in der Ostsee beobachtete subthermokline Methananomalie durch diese Methanquelle hervorgerufen wird. Im ZooM-Projekt werden wir deshalb die Zooplankton-assoziierte Methanproduktion im Modellgebiet Ostsee mit Hilfe eines multidisziplinären Ansatzes untersuchen, indem wir die Fachgebiete Methanchemie, Mikrobiologie und Zooplanktologie konzertiert einsetzen. Im Detail wollen wir die folgenden Schlüsselfragen beantworten: (1) Ist die subthermokline Methananomalie ein verbreitetes Phänomen in der Ostsee und können wir saisonale und regionale Unterschiede in ihrer Ausprägung identifizieren? (2) Besitzt die Zooplankton-assoziierte Methanproduktion das Potential die beobachtete Methananomalie auszubilden und wie beeinflussen Copepodenarten und Umweltbedingungen (wie die Nahrungszusammensetzung) die Methanproduktion? (3) Welche methanogenen Mikroorganismen sind in die subthermokline Methanproduktion im Copepoden-Darm und ihren Kotpillen involviert und lassen sich Unterschiede der beteiligten methanogenen Gemeinschaften und deren Aktivität ausmachen?
Meereis ist eine der Komponenten des Erdsystems, die die schnellsten Veränderungen während der letzten Dekaden zeigten. Zum Beispiel kontrolliert Meereis die Energie- und Gasflüsse zwischen Ozean und Atmosphäre in den Polargebieten. Aufgrund seines hohen Rückstrahlvermögens reflektiert es kurzwellige Strahlung effizient zurück in den Weltraum und beeinflusst das Ökosystem. Während die Meereisfläche in der Arktis mit etwa -4%/Dekade stark abnimmt, nimmt die Meereisfläche in der Antarktis leicht zu (etwa 1.5%/Dekade). Besonders ausgeprägt ist mit -13/Dekade die Abnahme von dickem, mehrjährigem Meereis in der Arktis. Die Fläche von mehrjährigem Eis in der Arktis kann mit Hilfe von satellitengestützten Mikrowellensensoren beobachtet werden. In der Antarktis ist die Fläche mehrjährigen Eises kleiner als in der Arktis aber mit 3 Millionen Quadratkilometern immer noch bedeutend. Zurzeit existiert keine Methode, um die Verteilung und zeitliche Entwicklung von mehrjährigem Eis in der Antarktis auf jahreszeitlichen oder dekadischen Zeitskalen zu beobachten. In diesem Projekt schlagen wir vor, eine Methode zur Bestimmung antarktischer Meereistypen, vor allem mehrjähriges Eis, zu entwickeln.Nach der Sommerschmelze nimmt der Salzgehalt von mehrjährigem Eis ab und damit ändern sich seine dielektrischen Eigenschaften und Porosität. Dadurch wird es möglich, es mit passiven und aktiven Mikrowellensensoren von anderen Eistypen zu unterscheiden. Die Bedingungen in der Antarktis, wie große Schneedicken, die Eis-Flutungen verursachen können, Schnee Schmelz-Gefrier-Zyklen und Meereisdynamik in der Eisrandzone (was zu verstärkter Rückenbildung, kleineren Schollen und Pfannkucheneis führt), erschweren die Unterscheidung von Meereistypen wie mehrjährigem von erstjährigem Eis. Für die Arktis wurden unlängst Methoden entwickelt, um solche Einflüsse, die zu falscher Eistyp-Klassifikation führen, zu verringern. Wir schlagen vor einen Algorithmus zur Bestimmung von Meereistypen inklusive zweier Korrekturmethoden, die schon an der Universität Bremen auf arktisches Meereis angewendet wurden, an die Bedingungen von antarktischem Meereis anzupassen und zu erweitern. Die vorgeschlagenen Methoden beruhen auf kombinierten Mikrowellen-Radiometer und -Scatterometer Beobachtungen für die Eistyp-Unterscheidung und auf Meereisdrift und atmosphärischen Reanalysedaten für die Korrekturmethoden. Das Ergebnis wir die erste zirkumpolare, langfristige Zeitserie von antarktischen Eistypen sein (mehrjähriges und erstjähriges Eis und potentiell auch junges Eis).
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.