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Wechselwirkungen zwischen saisonale arktische Meereisprozessen und Stabilität der Halokline – auf dem Weg zum Verständnis arktischer Gas- und Stoffflüsse

In Folge des globalen Klimawandels hat sich die Meereisdecke in der Arktis dramatisch verändert. Im derzeitigen Zustand spielt die arktische Eisdecke eine wichtige Rolle; so schirmt sie das Oberflächenwasser, die sogenannte arktische Halokline (Salzgehaltsschichtung), von der Erwärmung durch die sommerliche Sonneneinstrahlung ab. Zudem wird die Halokline durch die Salze, welches beim Gefrierprozess des Meerwassers aus der Kristallstruktur austritt, gebildet und stabilisiert. Gleichzeitig wirkt die Halokline als Barriere zwischen der Eisdecke und dem darunter liegenden warmen atlantischen Wasser und trägt so zum Erhalt der arktischen Meereisdecke bei. Dieses Gleichgewicht ist nun durch die insgesamt wesentlich dünnere arktische Meereisdecke und ihre verringerte sommerliche Ausdehnung gestört. Im Meerwasser sind zudem Gase und biogeochemisch wichtige Spurenstoffen enthalten. Diese werden durch die Gefrierprozesse eingeschlossen, beeinflusst und wieder ausgestoßen. So beeinflusst die Meereisdecke die Gas- und Stoffflüsse zwischen Atmosphäre, Eis und oberer Wasserschicht. Durch die Eisbewegung findet außerdem ein Transport statt z.B. in der sogenannten Transpolarendrift von den sibirischen Schelfgebieten, über den Nordpol, südwärts bis ins europäische Nordmeer. Nun wird mit den weitreichenden Veränderungen des globalen und arktischen Klimawandels bereits von der „neuen Arktis“ gesprochen, da angenommen wird, dass sich die Arktis bereits in einem neuen Funktionsmodus befindet. Dabei ist jedoch weitgehend unbekannt wie dieses neue System funktioniert, sich weiterentwickelt und wie sich dies auf die Eisbildungsprozesse und damit die Stabilität der Halokline und die damit verbundenen Gas- und Stoffflüsse auswirkt. Für solche Untersuchungen werden über den Jahresverlauf Proben der oberen Wassersäule und der Eisdecke benötigt. Ermöglicht wird dies durch die wissenschaftliche Initiative MOSAiC. Mithilfe der stabilen Isotope des Wassers (?18O und ?D) aus dem Eis und der Wassersäule kann Rückschlüsse auf die Herkunftswässer und den Gefrierprozess gezogen werden und diese Ergebnisse sollen in direkten Zusammenhang mit Gas- und biogeochemischen Stoffuntersuchungen (aus Partnerprojekten) gesetzt werden. Dabei können z.B. Stürme, Schmelzprozesse, Schneebedeckung, Teichbildung und Alterungseffekte des Eises eine Rolle spielen. Untersucht wird parallel die Veränderung der Wassersäule welche z.B. durch Wärmetransport, wiederum die Eisdecke beeinflussen kann.Diese prozessorientierten Untersuchungen der saisonalen Eisbildungsprozesse in Eis und Wassersäule der zentralen Arktis, werden einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Stabilität der arktischen Halokline und der arktischen Gas- und Stoffflüsse liefern. Da sich die Gase und Stoffe nicht-konservativ verhalten, während die Isotope im Gefrierprozess konservativ sind, erwarten wir aus der Diskrepanz wiederum wichtige Informationen z. B. über wiederholtes Einfrieren von Süßwasserbeimengungen ableiten zu können.

Fossile Faunen und Floren Kretas/Albaniens und ihre stratigraphische und ökologische Bedeutung

Im Anschluss an ältere, vor allem in der zweiten Hälfte der achtziger Jahre durchgeführte Untersuchungen in Griechenland und später Albanien sind einige ergänzende Geländearbeiten mit Kollegen der genannten Länder geplant, wozu alleine Reisemittel beantragt werden. Die biostratigraphisch ungegliederten Plattenkalke des Lefka-Gebirges führen nach Funden auf sekundärer Lagerstätte offensichtlich Fossilien, die im Anstehenden gesucht werden sollen. Die besonders von unserer Arbeitsgruppe gut untersuchten neogenen marinen Schichten Kretas sollen jetzt zusätzlich isotopen-stratigraphisch erfasst werden, wozu eine Mitarbeiterin die Proben nehmen muss. Rezente und fossile Algen-Vermetiden-Riffe Westkretas sind einer ersten Untersuchung unterzogen worden, jedoch fehlt noch eine quantitative Aufnahme bzw. Beprobung. Im Rahmen eines größeren Projektes über die Molassesedimente in der albanischen periadriatischen Depression wird ein Mitarbeiter an ausgewählten Profilen Beprobungen zur Untersuchung des Mikro- bzw. schwerpunktmäßig des Nannoplanktons durchführen und im Rahmen einer Dissertation untersuchen.

Modellmaessige Untersuchungen zur Isotopenhydrologie und zu Ausbreitungsvorgaengen im Grundwasser

Modellmaessige Untersuchungen der Grundlagen von Grundwasserdatierungen sowie der Migration von Tracern und Schadstoffen im Sicker- und Grundwasser. Beitraege zur Klimaforschung.

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.

Sind permeable Sedimente in Küstengebieten Hotspots für die Bildung von nicht-flüchtigem gelöstem organischem Schwefel (DOS) im Meer?

Organische Schwefelkomponenten sind abundant in marinen Sedimenten. Diese Verbindungen werden v.a. durch die abiotische Reaktion anorganischer Schwefelverbindungen mit Biomolekülen gebildet. Wegen seiner Bedeutung für globale Stoffkreisläufe, für die Nutzung von Erdöllagerstätten und für die Erhaltung des Paleorecords, gibt es eine Vielzahl von Studien zum Thema. Sehr wenig Aufmerksamkeit wurde allerdings wasserlöslichen Komponenten geschenkt, die beim Prozess der Sulfurisierung entstehen und als gelöster organischer Schwefel (DOS) in die Meere gelangen können. Anhand der wenigen verfügbaren Informationen ist Schwefel vermutlich das dritthäufigste Heteroelement im gelösten organischen Material (DOM) der Meere, nach Sauerstoff und Stickstoff. Einige Schwefelverbindungen, insbesondere Thiole, sind für die Verbreitung von Schadstoffen aber auch essenzieller Spurenstoffe verantwortlich. Wichtige klimarelevante Schwefelverbindungen entstehen aus DOS. Daher spielt der marine DOS-Kreislauf eine Rolle für die Meere und Atmosphäre. Trotz seiner Bedeutung sind die Quellen marinen DOS, seine Umsetzung im Meer und Funktion für Meeresbewohner unbestimmt. Auch ist die molekulare Zusammensetzung von DOS unbekannt. In diesem Projekt werden wir Pionierarbeit in einem neuen Forschungsfeld der marinen Biogeochemie leisten. Wir wollen grundlegende Fragen bzgl. der Bildung und Verteilung von nicht-flüchtigem DOS im Meer beantworten. Unsere wichtigsten Hypothesen:* Bildung von DOS:(1) Sulfatreduzierende Sedimente sind wesentlich für die Bildung von DOS.(2) Reduzierte Schwefelverbindungen (v.a. Thiole) dominieren in Zonen der DOS-Entstehung.(3) DOS wird v.a. über abiotische Sulfurisierung in der Frühdiagenese gebildet.* Transport und Schicksal von DOS im Ozean:(4) DOS wird von sulfat-reduzierenden intertidalen Grundwässern an das Meer abgeben.(5) In der Wassersäule oxidiert DOS schnell (z.B. zu Sulfonsäuren).(6) DOS aus intertidalen Sedimenten ist in oxidierter Form auf den Kontintentalschelfen stabil.Neben dem wissenschaftlichen Ziel der Beantwortung dieser Hypothesen, wird das Projekt drei Promovierenden (eine in Deutschland und zwei in Brasilien) die außergewöhnliche Gelegenheit bieten, ihre Doktorarbeiten im Rahmen eines internationalen Projektes durchzuführen. Wir werden die Stärken beider Partner in Feld- und Laborstudien und Elementar-, Isotopen- und molekularen Analysen kombinieren. Wir werden unterschiedliche Regionen im deutschen Wattenmeer und in brasilianischen Mangroven (Rio de Janeiro and Amazonien) beproben, sowie die benachbarten Schelfmeere. Sulfurisierungsexperimente werden die Feldstudien ergänzen. Zur quantitativen Bestimmung und molekularen Charakterisierung von DOS werden wir neue Ansätze anwenden, die von den beiden Arbeitsgruppen entwickelt wurden. Dabei kommen u.a. ultrahochauflösende Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), und andere massenspektrometrischen und chromatographischen Methoden zu Anwendung.

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.

Isotopenuntersuchung an gelöstem Phosphat

Phosphor spielt als limitierendes Element für die Produktivität von Ökosystemen allgemein und speziell für den trophischen Status von Gewässern eine zentrale Rolle. Durch die Adsorption von Phosphat an Tonmineralen in Böden und Gewässern ist die Aussagefähigkeit von Konzentrationsmessungen in diesem Bereich jedoch eng begrenzt. Der Einsatz von kurzlebigen radioaktiven Phosphorisotopen, wie er bei der Untersuchung von Böden genutzt wird, verbietet sich in natürlichen aquatischen Systemen. Das beantragte Projekt soll als Alternativmethode die Machbarkeit der Messung von d18OP04 an niedrigkonzentrierten natürlichen Phosphatlösungen (Flußwässer) klären und ggfs. erste Untersuchungen an natürlichen Fließsystemen sowie an Bodenlösung durchführen. Es soll versucht werden, auf diese Weise erste Aufschlüsse über Herkunft und Umsatz geogenen und anthropogenen Phosphats in Böden und Fließgewässern zu erlangen.

Drehfilter-Messsystem zur Immissionsueberwachung von Aerosolen

Die Ueberwachung der Beta-Aktivitaet von Aerosolen, die von kerntechnischen Anlagen emittiert werden, ist fuer den Umweltschutz von grosser Bedeutung. Zur Messung der Beta-Aktivitaet sowohl im Normalbetrieb als auch im Stoerfall muss ein Messsystem einen Messbereich von etwa 8 Groessenordnungen umfassen. Um den Erforderungen der Ueberwachung zu entsprechen, sollte ein solches System preiswert in Herstellung und Betrieb sein und dem modernen Automatisierungsstandard entsprechen. Das Drehfiltersystem sammelt im 24 h-Zyklus Aerosolproben. Mit drei Detektoren werden die Beta-Aktivitaet der Aerosolprobe waehrend der Probenahme, das Abklingverhalten der Aktivitaet unmittelbar nach der Probenahem und die Aktivitaet langlebiger Nuklide nach Zerfall der kurzlebigen Isotope ermittelt. Die Messergebnisse werden rechnergestuetzt hinsichtlich der natuerlichen und kuenstlichen Radioaktivitaet analysiert. Die Analyse der Zerfallskurve ergibt bereits 3 h nach der Probenahme erste Hinweise auf langlebige kuenstliche Nuklide, die mit den bisher angewandten Verfahren erst nach 20 Tagen nachweisbar waren. Nach der Erprobung des Prototyps befindet sich zur Zedit ein Ueberwachungssystem im Aufbau, das aus mehreren Drehfiltermessstationen und einem Leitrechner zur zentralen Datenerfassung und -auswertung besteht.

Chemostratigraphie als Rekonstruktionsmöglichkeit der Klimageschichte am Ende der Kreidezeit

Der Faunenschnitt an der Kreide/Tertiär-Grenze wird allgemein auf den Einschlag eines Asteroiden zurückgeführt. Es gibt jedoch deutliche Anzeichen, dass das Massensterben graduell bereits im späten Maastricht begann und erst im Laufe des Tertiär abgeschlossen war. Es geht einher mit drastischen Klimaänderungen, Meeresspiegelschwankungen und Veränderung der Meeresströmungen. Ziel des beantragten Projektes ist es, eine geochemische Charakterisierung an homogenen und vergleichbaren Profilen des späten Maastrichts und der Kreide/Tertiärgrenze (K/T) durchzuführen im Hinblick darauf, dass geochemische Milieu-Indikatoren zur Identifizierung von Klimaänderungen, Änderungen in der Primärproduktion, Meeresspiegelschwankungen und Meerwasserzirkulationsänderungen genutzt werden können. Hierzu sollen die Sr/Ca, Zn/Ca, Ba/Ca und Cd/Ca-Verhältnisse sowie die Kohlenstoff- und Sauerstoff-Isotopendaten in Foraminiferen an Profilen des Maastrichts und der K/T-Grenze in Tunesien, Ägypten, Madagaskar und Patagonien bestimmt und anhand von Zeitreihenanalyse interpretiert werden. Gutes und von diagenetischer Überprägung verschontes Probenmaterial ist überwiegend schon vorhanden. Die Untersuchungen werden in einer internationalen Kooperation geochemisch, biostratigraphisch und sedimentologisch interpretiert.

Pflanze-Boden-Mikroben-Interaktionen in Agrarsystemen: Einfluss von Cadmium und Stickstoff auf mikrobielle Gemeinschaften in der Rhizosphäre sowie auf das Wachstum einheimischer Pflanzenspezies in Landwirtschaftssystemen

Pflanzenmanagement- und Agrarsysteme erlangen international eine steigende Bedeutung. In der vorliegenden Studie werden Pappeln und Weiden mit einheimischen Pflanzenspezies kombiniert, um Agrarsysteme weiter zu verbessern. Zwei in landwirtschaftlichen Systemen relevante Schadstoffe (Cadmium und Stickstoff) wurden ausgewählt, um die Pflanzen bezüglich Phytoremediation und Effizienz von Schadstoffanreicherung in Pflanzenteilen zu untersuchen. Pflanzen-Mikroben-Interaktionen spielen eine Hauptrolle in Agrarsystemen, weshalb mikrobielle Veränderungen in der Rhizosphäre durch Schadstoffeintrag in Böden einen wichtigen Schwerpunkt darstellen. Um solche Veränderungen in einer pflanzenspezifischen, mikrobiellen Gemeinschaft zu detektieren werden Phospholipidfettsäuren (PLFA) im Boden bestimmt, da diese in allen lebenden Zellen vorkommen und nach Zelltod rasch abgebaut werden. Die erzielten Ergebnisse werden mit DNA-basierten Methoden zur Bestimmung mikrobieller Gemeinschaften verglichen. Weiterhin soll die Analytik von Terpenen, Flavonoiden und Fettsäuren im Pflanzenmaterial Auskunft über pysiologische Veränderungen von Pflanzen geben, welche durch die verschiedenen Schadstoffe ausgelöst werden. Ein 13CO2 Puls, welcher vor der Ernte appliziert wird, ermöglicht eine genaue Untersuchung, wie Pflanzenstoffwechsel und Kohlenstofftranslokation in die Rhizosphäre durch Schadstoffe verändert werden. In diesem Zusammenhang wird die Stabilisotopenanalytik von PLFA und DNA verglichen, sowie weitere 13C-Analysen des Pflanzenmaterials durchgeführt. Um den Schwerpunkt von Pflanzenmanagement Systemen zu vertiefen werden weitere Analysen von Pflanzenteilen (Wurzeln, Stamm, Blätter, Früchte, Samen) bezüglich Cadmium und Stickstoff durchgeführt. Massiv kontaminiertes Pflanzenmaterial kann für die Biogasproduktion verbrannt und anschließend zum Recycling kompostiert werden. Pflanzenteile mit hohem Stickstoffgehalt und fehlender Akkumulation von Cadmium kann als Tierfutter in Wintermonaten verwendet werden; eine Verwendung für kommerzielle Produkte ist ebenfalls denkbar und soll im Rahmen des Forschungsantrags untersucht werden.

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