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Einsatz stabiler Isotope in der Ökophysiologie: Stickstoff- und Kohlenstoffallokation sowie Kohlenstoffumsatz junger Bäume im Bodenraum

Im Rahmen des hier beantragten 12-monatigen Aufenthalt bei Prof. Dr. T. Dawson werde ich verschiedene Einsatzmöglichkeiten von stabilen Isotopen zum mechanistischen Verständnis von Prozessen in der Ökophysiologie/Baumphysiologie erlernen. Besonderer Schwerpunkt wird hierbei auf dem Studium biotischer Interaktionen und Stoffumsätze im Boden liegen. Anhand von eigenem Probenmaterial aus bereits abgeschlossenen Experimenten werde ich mir zunächst die Probenaufarbeitung, Verwendung der Massenspektrometer und Dateninterpretation von Grund auf aneignen. Während eines etwa vierwöchigen Aufenthalts bei Dr. C. Andersen werde ich in die Handhabung einer Messvorrichtung für unterirdische Untersuchungen an jungen Bäumen eingeführt. Diese 'mycocosms' werden anschließend für die in Berkeley geplanten Versuche eingesetzt. Mit Hilfe der stabilen Isotope 13C und 15N und Messungen der Bodenatmungsraten werden der Fluss an neu fixiertem C von den Blättern in den Boden, der C-Umsatz dort quantifiziert sowie die N- und C-Allokation erfaßt. Die Experimente dienen dem mechanistischem Verständnis qualitativer und quantitativer Änderungen dieser Allokations- und Umsatzprozesse durch Mykorrhizapilze und Konkurrenzinteraktionen. Die erlernten Methoden werden nach Beendigung des Auslandsstipendiums in Deutschland im Rahmen von Projekten eingesetzt, die sich mit der Konkurrenz zwischen Buche und Fichte beschäftigen.

Frühdiagenetische Veränderung von Seltenerdelement- und Yttrium (SEY) Signalen in marinen Sedimenten und deren Einfluss auf die Verwendung von SEY als Tracer im früheren und rezenten Ozean

Seltenerdelemente und Yttrium (SEY), einschließlich Nd-Isotope, werden häufig als geochemische Proxys für frühere und rezente Umweltbedingungen und -prozesse verwendet. In den letzten Jahren wurde die Verwendung dieser Proxys zur Rekonstruktion frühzeitlicher Meerwasserchemie und die Nachverfolgung von Wassermassen in Frage gestellt, da die Primärsignale des Meerwassers in den Sediment-Archiven während der frühen Diagenese überprägt werden können. Die Wechselwirkung zwischen Porenwasser und Festphase kann zur Fraktionierung und Veränderung der SEY-Muster und der Nd-Isotopensignatur führen. Die zugrunde liegenden Prozesse sind noch wenig erforscht. Das Ziel des hier vorgeschlagenen Projekts ist es, aufzudecken, welchen Einfluss die Redox-Zonierung und die Lithologie auf die SEY-Zusammensetzung im Porenwasser und die beteiligten Prozesse im Sediment haben. Zur Beantwortung dieser Frage werden Proben aus der pazifischen und atlantischen Tiefsee, dem Kontinentalrand vor Neuschottland und der Amazonasmündung entnommen, analysiert und ausgewertet. Die SEY-Konzentrationen und die Nd-Isotopenzusammensetzung im Porenwasser, in der festen Phase und im darüber liegenden Meerwasser werden verglichen, um die Fraktionierung, Veränderung und Konservierung der Proxys zu identifizieren. Die vier Lokationen wurden aufgrund ihres unterschiedlichen Organik-Gehalts und der daraus resultierenden Redox-Zonierung sowie des variablen kontinentalen Eintrags ausgewählt. Die vorgeschlagene systematische Untersuchung der SEY im Porenwasser wird die Lücke in der paläozeanografischen Forschung schließen, unter welchen Umwelteinflüssen SEY-Proxys zuverlässig sein können und unter welchen Bedingungen sie nicht zuverlässig sind. Messwerte werden dringend benötigt, da bei Modellierungen und experimentellen Arbeiten keine guten Informationen zu Eingabevariablen und realistischen Randbedingungen vorliegen. Die vorgeschlagene Forschung wird neue Daten zu den bisher wenigen, bis gar nicht, verfügbaren Daten zu SEY-Konzentrationen und der Nd-Isotopenzusammensetzung in (insbesondere oxischen) Porenwässern liefern.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Kurzfristiger Auf-und Abbau des antarktischen Eisschildes im späten Oligozän

Verfügbare Meeresspiegel-Rekonstruktionen von Kern U1406 (Nordatlantik) für das Magnetochron C8n.2n implizieren einen extrem dynamischen antarktischen Eisschild, welcher durch obliquitäts-gesteuerte, hochfrequente Amplituden gekennzeichnet ist. Des Weiteren zeigten diese Daten eine Abnahme des antarktischen Eisschildes von einer Größe vergleichbar mit der heutigen Antarktis bis hin zu einer eisfreien Antarktis zwischen 26 und 25,3 Millionen Jahren vor Heute auf. Da diese Rekonstruktionen die einzigen hochauflösenden Daten für dieses Zeitinterval sind und diese im Wiederspruch zu bereits publizierten Eisvolumen-Rekonstruktionen stehen, welche zeigen, dass die Antarktis sehr große und stabile Eisschilde im späten Oligozän besaß, sollen in diesem Projekt die Rekonstruktionen aus dem Nordatlantik kritisch hinterfragt und getestet werden. Weiterhin soll ein mechanistisches Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse der Eisschild-Dynamik im späten Oligozän erreicht werden. Diese Ziele sollen durch die Erstellung von geochemischen Paläoklimaproxies für ein spezifisches Zeitinterval des späten Oligozän (Magnetochron C8n.2n; 25,32-25,98 Ma) erreicht werden um auf höchster zeitlicher Genauigkeit zu arbeiten. Datensätze, die im Rahmen dieses Projektes generiert werden, basieren auf zwei unabhängigen Ansätzen um die Eisvolumen-Rekonstruktionen zu testen: (1) basierend auf der Geochemie benthischer Foraminiferen (Mg/Ca und stabile isotope) und (2) basierend auf der Nd-Isotopensignatur von terrigenen Sedimentkomponenten. Diese Informationen sollen einen genauen Einblick in die Evolution der Kryosphäre zu einem kritischen Intervall der känozoischen Klimaentwicklung liefern; dem oligozänen Einsetzen des Eishausklimas. Zusätzlich werden die Daten einen Vergleich der grundlegenden Mechanismen hinter den auftretenden Glazial/Interglazial-Zyklen in zwei völlig unterschiedlichen Epochen des Känozoikums erlauben: dem unipolar-vereisten Oligozän und dem bipolar-vereisten späten Pleistozän.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Entwicklung eines 3,5 Millionen Jahre langen Index der Dipolvariabilität im Indischen Ozean

Der Indische Ozean Dipol (IOD) ist der bestimmende Modus der jährlichen Variabilität der Meeresoberflächentemperaturen (SST) im tropischen Indischen Ozean. Der IOD repräsentiert warme (positive) und kalte (negative) SST-Schwankungen zwischen dem westlichen und östlichen Teil des Indischen Ozeans. Vom IOD verursachte extreme Klimaereignisse (z.B: Dürren in Australien, Überschwemmungen in Ostafrika) werden, angetrieben durch die Zunahme von Treibhausgasen, voraussichtlich in Zukunft häufiger auftreten. Trotz potentiell tiefgreifender Auswirkungen auf die angrenzenden Regionen mit mehr als 2 Milliarden Einwohnern ist die die postulierte Sensitivität des IOD gegenüber CO2 Variationen unzureichend erforscht. Hier könnte die Erforschung der IOD-Variabilität während geologischer Zeitintervalle mit höheren CO2-Gehalten einen wichtigen Beitrag leisten. Bisher fehlen jedoch geeignete paläoklimatologische Datensätze aus der Kernregion des IOD im Indischen Ozean weitgehend.Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, IOD-Veränderungen während der letzten 3,5 Millionen Jahre mittels eines neuen IOD-Proxies zu entschlüsseln. Dieser Zeitraum war durch erhebliche Schwankungen im globalen CO2-Gehalt gekennzeichnet und umfasst die Spät-Pliozäne Warmphase, die als Analogon für den künftigen Klimawandel gilt. Im Zentrum dieses Projekts steht die Hypothese, dass IOD-bedingte Schwankungen der Oberflächenwinde die tiefe meridionale Umwälzungszirkulation im Indischen Ozean beeinflussen. Basierend auf rezenten Beobachtungsdaten verursacht die Schwächung (Verstärkung) des Ekman-Transports während positiver (negativer) IOD-Phasen eine geringere (verstärkte) Belüftung des Tiefwasserregimes und folglich ein Aufsteigen (Absinken) der Lysokline. Diese neuen hydrografischen Erkenntnisse eröffnen somit einen völlig neuen Weg für die Erforschung vergangener IOD-Veränderungen. Daher zielt dieses Projekt darauf ab, Änderungen der Tiefenwasserbelüftung im westlichen Indischen Ozean als Index für die IOD-Variabilität heranzuziehen. In diesem Projekt sollen daher speziell zwei Hypothesen getestet werden:1) Karbonatlösungsszyklen sind Indikatoren für Veränderungen der Tiefenwasserbelüftung im westlichen Indischen Ozean und repräsentieren ein Maß für die Intensität des IOD,2) Die Amplitude des IOD ist linear korreliert mit Änderungen des globalen CO2-Gehalts.Um die Variabilität der Tiefwasserventilation in hoher zeitlicher Auflösung zu entschlüsseln, wird der Sedimentkern ODP 709 aus dem westlichen äquatorialen Indischen Ozean, einer Schlüsselregion des IOD, untersucht. Dabei werden Daten aus zeitlich hochaufgelösten XRF-Messungen mit stabilen Isotopen und Mg/Ca-basierend Meeresoberflächentemperaturen anhand von benthischen und planktischen Foraminiferen kombiniert. Die Synthese der gesammelten Daten erlaubt die Entwicklung deines Vergleichsindex der IOD-Variabilität für die letzten 3,5 Millionen Jahre.

Entwicklung und Einfuehrung chemischer und spektrochemischer Methoden zur hochempfindlichen Bestimmung von Radionukliden

Kernkraftwerke, Wiederaufarbeitungsanlagen, Kernwaffen und Nuklearmedizin sowie die Wirtschaft geben zum Teil langlebige Nuklide an die Biosphaere ab. (Tc99, C-14, Actiniden Ni-59 usw.). Lager fuer radioaktive Abfaelle muessen auf eventuelle Abgaben von Radionukliden ueberwacht werden (Pu, Np). Im Rahmen des NAGRA-Projektes und unabhaengig davon werden die Gehalte von Quellen und Tiefenwaessern an natuerlichen Radionukliden (Uran, Thorium, Radon) und deren Isotopenverteilung bestimmt. Beim Abbruch von Kernkraftwerken muss eine Aktivitaetsbilanzierung des Bauschutts und der Komponenten durchgefuehrt werden. Fuer all diese Probleme muessen chemische Trennmethoden und eine apparative low-level-Spektrometrie entwickelt und betrieben werden. Die Hauptarbeit faellt im Laborbereich an. Dieses Projekt ist verknuepft mit anderen EIR- Projekten.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Änderungen der pazifischen meridionalen Umwälzzirkulation während des miozänen Klimaoptimums und der darauffolgenden Etablierung einer stabilen polaren Eiskappe

Während der IODP Expedition 363 wurde erstmals eine mächtige und ungestörte Sedimentabfolge im Zentrum des Westpazifischen Warmwasserpools erbohrt (Site U1490, 05 Grad 48.95Ê1N, 142 Grad 39.27Ê1E in 2341 m Wassertiefe vor Papua New Guinea). Diese karbonat- und tonreiche Abfolge stellt ein ideales Sedimentarchiv dar, um an einer strategischen Position Änderungen in der Struktur der pazifischen Wassermassen und meridionalen Umwälzzirkulation während unterschiedlicher Phasen der Klimaentwicklung der Erde während des Überganges von einer nahezu eisfreien zu einer Erde mit einer stabilen polaren Eiskappe zu erfassen. Unser Projekt konzentriert sich dabei auf das Zeitintervall von ca. 18 bis 9 Millionen Jahren, das durch mehrere fundamentale Klimaänderungen charakterisiert war und es damit ermöglicht, die Zusammenhänge zwischen Änderungen in der Erdbestrahlung, Variabilität der Temperaturgradienten zwischen Äquator und polaren Breiten und Verschiebungen in der atmosphärischen und Ozean-Zirkulation auf einer wärmeren Erde zu untersuchen. Daneben ist Site U1490 von ca.18 bis 9 Millionen Jahren vor heute durch eine aussergewöhnlich gut belegte Magnetostratigraphie charakterisiert, die erstmals eine direkte Korrelation einer hochauflösenden Isotopen-Zyklostratigraphie mit der Geomagnetischen Polaritäts-Zeitskala (GPTS) ermöglicht. Durch diese verifizierte und verfeinerte Chronostratigraphie werden die benthischen stabilen Isotopen- und Karbonatakkumulationsdaten in Site U1490 wesentlich zum Verständnis des zeitlichen Ablaufs der Änderungen in der pazifischen Tiefenwasser-Zirkulation und deren Wechselwirkungen mit dem Klimawandel in niedrigen und hohen Breiten beitragen. Im Detail wollen wir mit diesen neuen Daten die folgenden Hypothesen überprüfen: (1) Änderungen des Äquator-Pol Temperaturgradienten wirken sich stark auf die Bildung von tiefen und intermediären Wassermassen und die Intensität der pazifischen meridionalen Umwälzzirkulation aus; (2) die Expansion korrosiver intermediärer und tiefer Wassermassen aus dem Südozean und die Abschwächung der Tiefenventilation infolge der Ausdehnung des antarktischen Eisschildes während des mittelmiozänen Klimaübergangs trug zu erhöhter CO2-Speicherung im Tiefenwasser und zur Karbonatarmut in den Tiefsee-Sedimenten des Pazifischen und Indischen Ozeans bei; (3) der Indonesische Durchstrom spielte im mittleren Miozän noch eine Schlüsselrolle für den Austausch intermediärer und tiefer Wassermassen zwischen Pazifik und Indischem Ozean mit entprechenden Auswirkungen auf das Wärmebudget und die Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre im Indischen Ozean.

Laser-Isotopen-Trennverfahren für Uran und Plutonium - Aktueller Stand und Perspektiven im zivilen und militärischen Bereich

LURCH - IsoGW: Grundwasser-Isoscapes für Deutschland - Wasserisotope als innovatives Werkzeug für eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung, Teilprojekt 2

Rekonstruktion der Klimavariabilität der letzten 250 ka basierend auf Multi-Proxy-Zeitreihen präzise datierter Speläotheme aus Südostspanien.

Ziel dieses Antrags ist die Rekonstruktion der terrestrischen Klimavariabilität Südostspaniens während der letzten 250 ka basierend auf Speläothemen. Diese Region ist eine der trockensten in Südeuropa. Gemäß dem aktuellen IPCC-Bericht werden derzeit trockene Regionen von einer zunehmenden Häufigkeit, Dauer und Intensität von Hitzewellen sowie Dürren betroffen sein. Dies geht einher mit erheblichen Risiken für Umwelt und Wirtschaft, woraus sich die Notwendigkeit der Erforschung terrestrischer Paläoklimaarchive in besonders trockenen Regionen ergibt. Klimaarchive in Südostspanien reagieren aufgrund der trockenen Bedingungen selbst auf geringe Änderungen im Niederschlag sehr sensitiv. Informationen terrestrischer Klimaarchive aus dieser Region sind bisher zumeist auf Pollen- und Sedimentabfolgen, die eine relativ geringe zeitliche Auflösung haben und jenseits der Grenzen der 14C-Methode schwierig zu datieren sind, begrenzt. Gut datierbare Klimazeitreihen von Speläothemen stammen überwiegend aus Nordspanien, dessen Klima sich durch relativ feuchte Bedingungen und milde Temperaturen auszeichnet. An einem präzise datierten Flowstone aus der Cueva Victoria, die bekannt ist für ihre spektakuläre Pleistozäne Fauna, soll die Klimavariabilität Südostspaniens mit hoher zeitlicher Auflösung rekonstruiert werden, wobei der Fokus auf den letzten 250 ka liegt, die in mehreren Bohrkernen enthalten sind. Für diesen Zeitabschnitt existiert bisher keine präzise datierte, hochaufgelöste, terrestrische Klimazeitreihe aus Südostspanien. Die Vorarbeiten zeigen, dass das Flowstone-Wachstum in der Cueva Victoria sehr empfindlich auf Niederschlagsänderungen in der Vergangenheit reagiert und die Wachstumsphasen mit globalen Warmphasen einhergehen. Die geplante präzise Datierung mittels der 230Th/U-Methode erlaubt, den Beginn und die Dauer der Marinen Isotopenstadien 1, 3, 5 und 7 sowie der entsprechenden Interstadiale in Südostspanien genauer zu bestimmen. Zudem werden für die jeweiligen Wachstumsphasen Multi-Proxy-Zeitreihen (stabile Isotope und Spurenelemente) generiert, die eine zuverlässige Interpretation der Proxy-Signale im Hinblick auf Klimavariabilität in der Vergangenheit zulassen. Die hohe Empfindlichkeit des Proxy-Signals, die sich in unserem vorläufigen Datensatz widerspiegelt, betont das große Potential dieses einmaligen Paläoklimaarchivs aus Südostspanien für die letzten 250 ka. Teile des Materials waren Gegenstand meines früheren DFG Antrags, der leider abgelehnt wurde. Der Hauptkritikpunkt der Gutachter war der zu geringe Umfang der Vorarbeiten. Allerdings hoben beide Gutachter auch das grundsätzliche Potenzial des Projektes hervor. Basierend auf den konstruktiven Kommentaren habe ich Kooperationen mit weiteren Kollegen aufgebaut und zusätzliche Alters- und Proxydaten generiert. Diese zeigen, dass das Probenmaterial ein äußerst vielversprechendes Klimaarchiv darstellt, das mit hoher Genauigkeit datiert werden kann.

Rekonstruktion des marinen Karbonatsystems während des letzten glazial-interglazialen Überganges aus Bor-Isotopen und -Konzentrationen Foraminiferen.

Störungen des Kohlenstoffkreislaufs, sowohl natürlichen als auch anthropogenen Ursprungs, führen zu globale Erwärmung, Ozeanversauerung (OA) und Sauerstoffzehrung des Tiefenwassers. Natürliche Störungen des Kohlenstoffkreislaufs sind als Hauptursache von mindestens 4 von 5 Massensterben in der Erdgeschichte identifiziert wurden (z.B. Hönisch et al, 2009, Bijma et al.., 2013).Anthropogene Aktivitäten setzten CO2 zehnmal schneller frei als jedes andere Ereignis in den letzten 65 Mio. Jahren - vielleicht sogar während der letzten 300 Mio Jahren. Dies macht den heutigen CO2 Ausstoß zu einer der größten gesellschaftlichen Herausforderungen. Um die Auswirkungen der anthropogenen Störungen vorhersagen zu können, ist es zwingend erforderlich, die natürlichen Speicher und Dynamik des Kohlenstoffsystems zu verstehen. Dies erfordert die genaue Rekonstruktion der marinen Karbonatchemie für Zeiträume mit natürlichen Änderungen. In diesem Projekt wollen wir Veränderlichkeit am Übergang Glazial/Interglazial untersuchen weil die Änderungen der Karbonatchemie in der gleichen Größenordnung wie heute lagen. Da das Reservoir an anorganischem Kohlenstoff im Ozean ungefähr 60 mal größer ist als das der Atmosphäre, sind Rekonstruktionen der Veränderungen der Kohlenstoffsenke/-speicherung in der Tiefsee ein Schlüssel, um die glazialen/interglazialen Schwankungen im atmosphärischen CO2 - wie sie in Eisbohrkernen beobachtet werden - zu erklären. Prozesse im Südozean, wo der Großteil des Tiefenwassers ventiliert wird, spielen hierbei vermutlich eine zentrale Rolle. Man vermutet, dass der träge glaziale Süd Ozean mehr Kohlenstoff einlagern konnte, die Biologische Pumpe effektiver war und dass eine höhere Wassermassen-Stratifizierung das Entweichen von CO2 in die Atmosphäre verringert hat. Nach dem glazialen Maximum wird mit dem Rückzug des Meereises die Tiefsee Kohlenstoff - Pumpe wieder mit der Atmosphäre verbunden und führt zu einer erhöhten CO2-Freisetzung. Bislang ist dies, wenn auch von Indizienbeweisen unterstützt, nur eine Hypothese, zum Beweis bedarf es der Rekonstruktionen der glazialen/interglazialen variierenden Karbonatchemie. Dies ist das übergreifende Ziel unseres Antrags. Auf dem Weg zur Rekonstruktion des glazialen/interglazialen Kohlenstoffpools liegen 3 Zwischenziele: 1) Rekonstruktion von Oberflächenwasser-Tiefsee- CO2-Gradienten, glaziale Kohlenstoffspeicherung und deglaziale Entgasung mittels Bor-Isotopen und B/Ca fossiler Foraminiferen als Hauptvariablen. 2) Erstellen der ersten Kalibrationen von Bor-Isotopen und B/Ca Ratio für Cibicides wuellerstorfi (Tiefseeforaminifere) unter in-situ Druck. 3) Entwicklung von analytischen Methoden, welche die Analyse von einzelnen Foraminiferen Schalen erlauben.

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