Das Südchinesische Meer ist das größte Randmeer der Erde und ausschließlich von stark besiedelten Ländern wie China, Indonesien, Philippinen oder Vietnam umgeben. Klimaänderung und menschliche Einflüsse im Einzugsgebiet des Mekong (18 geplante Stauseen zu Stromgewinnung und Intensivierung der Aquakultur) werden die Flusseinträge drastisch verändern und in der Folge die Biogeochemie der Küstengewässer. Die Geschwindigkeit und Größenordnung dieser Veränderungen lassen es wahrscheinlich erscheinen, dass das hier geplante Feldprogramm eine der wenigen Gelegenheiten sein wird, dieses Meeresgebiet zu erfassen, bevor es sich grundlegend verändert hat. Die gegenwärtige Rolle der Nährstoffeinträge des Mekong für die Produktivität des Südchinesischen Meeres soll im Vergleich zu den Nährstoffeinträgen durch den Auftrieb während des SW Monsuns untersucht werden. Ergebnisse früherer Arbeiten von uns lassen vermuten, dass die Stickstofffixierung von Cyanobakterien, die in Symbiose mit Diatomeen vorkommen, eine zentrale Rolle spielt. Zudem gibt es einzellige und koloniebildende N-Fixierer wie Trichodesmium in der Flussfahne. Die Interaktion von stickstofffixierenden Organismen, die von den Einträgen des Mekong abzuhängen scheinen, ist bislang nicht verstanden und steht im Fokus dieses Projektes. Die Nährstoffzusammensetzung in Wasser und die Aufnahme von markierten Kohlenstoff und Stickstoffverbindungen wird in der Flussfahne und im Auftriebsgebiet quantifiziert. Zudem wird auf Zellebene der Austausch von Stickstoff und Kohlenstoff zwischen Diatomeen und ihren stickstofffixierenden Symbionten mittels NanoSIMS analysiert. Zeitgleich wird die Gemeinschaft der Stickstofffixierer entlang der Flussfahne und im offenen südchinesischen Meer von amerikanischen und vietnamesischen Kollegen durch genomische, molekularbiologische und taxonomische Methoden erfasst. In der Synthesephase des Projektes soll durch die Zusammenführung aller Ergebnisse ein tiefgreifendes Verständnis des menschlichen Einflusses auf die Biogeochemie des Küstenmeeres vor Vietnam erreicht werden. Zwei Expeditionen in das Gebiet des Mekongausstroms sind bereits durch einen genehmigten Antrag des Schmidts Oceanographic Institute aus den USA abgesichert, so dass Probennahmen und Experimente an Board geplant werden können. Aufgrund des früheren, sehr erfolgreichen DFG finanzierten Vorhabens bestehen enge Kontakte zum Institute of Oceanography in Nha Trang, Vietnam, auf die hier aufgebaut wird.
Das Edelgasradioisotop 39Ar ist von großem Interesse für die Datierung in Ozeanographie, Glaziologie und Hydrogeologie, da es das einzige Isotop ist, das den wichtigen Altersbereich zwischen ca. 50 und 1000 Jahren abdeckt. Die fundamental neue Messmethode der Atom Trap Trace Analysis (ATTA), welche die 81Kr Datierung zum ersten Mal möglich gemacht hat, besitzt das Potenzial, die Anwendungen von 39Ar zu revolutionieren, indem sie die benötigte Probengröße um einen Faktor 100 bis 1000 reduziert. In einem Vorgängerprojekt haben wir zum ersten Mal gezeigt, dass die Messung von 39Ar an natürlichen Proben mit ATTA möglich ist, allerdings benötigten wir dazu immer noch Tonnen von Wasser. Vor kurzem haben wir anhand von Proben aus ersten Pilotprojekten mit Ozeanwasser und alpinem Eis gezeigt, dass die 39Ar-ATTA (ArTTA) Messung an Proben von ca. 25 L Wasser oder 10 mL Ar oder weniger möglich ist. Dieser Erfolg eröffnet komplett neue Perspektiven für die Anwendung der 39Ar-Datierung, die sehr wertvolle Information ergeben wird, die ansonsten nicht zugänglich wäre. Der Bedarf für solche Analysen, insbesondere im Gebiet der Spurenstoff-Ozeanographie, ist gut etabliert und dokumentiert durch Unterstützungsschreiben von unseren derzeitigen Partnern für ArTTA Anwendungen. Dieser Antrag wird es uns ermöglichen, die weltweit ersten ArTTA Geräte zu bauen, die auf Routinebetrieb mit kleinen Proben ausgelegt sind. Wir streben den Aufbau einer 39Ar-Datierungsplattform an, welche die Anforderungen für die Datierung in den Feldern der Grundwasserforschung, Ozeanographie und Gletscherforschung erfüllt. Um sinnvolle Anwendungen in der Tracerozeanographie zu ermöglichen, wird eine Kapazität von mindestens 200 Proben pro Jahr benötigt. Das neue Gerät für die Forschung wird damit lange angestrebte Anwendungen erlauben, die sonst nicht möglich wären. Basierend auf bisheriger Forschung haben wir einen klaren Plan für den Aufbau einer kompletten Plattform für den Betrieb von ArTTA: Eine neue Probenaufbereitungslinie basierend auf dem Gettern von reaktiven Gasen erlaubt die Abtrennung von bis zu 10 mL reinem Ar aus kleinen (kleiner als 25 L Wasser oder 10 kg Eis) Umweltproben in wenigen Stunden. Diese Proben werden zum ArTTA Gerät transferiert, welches aus zwei Modulen besteht: Das Optik-Modul erzeugt die benötigten Laserfrequenzen und Laserleistung, das Atom-Modul ist der Teil in dem die Atome mit atomoptischen Werkzeugen detektiert werden, die wir im Prototyp aus dem vorherigen Projekt realisiert haben. So weit als möglich wird die Anlage aus zuverlässigen, hochleistungsfähigen kommerziellen Teilen gebaut. Das System wird in einer hochkontrollierten Containerumgebung installiert, was einen modularen Aufbau gewährleistet, der in Zukunft an unterschiedlichen Orten aufgebaut werden kann.
Rhizodeposition der Pflanzen ist eine wichtige primäre Kohlenstoff- (C) und Energiequelle für Bodenorganismen. Die Ziele dieses Projektes sind die Abschätzung des C-Eintrages durch Mais in den Boden, die Verfolgung des wurzelbürtigen C in der ganzen Nahrungskette im Boden und die Aufstellung von C-Bilanzen. Mais wird in der 13CO2- und 14CO2-Atmosphäre markiert, um zwischen den wurzelbürtigen und bodenbürtigen C zu unterscheiden und den Haushalt des wurzelbürtigen C zu bestimmen. Der Einbau von wurzelbürtigem C in Mikroorganismen, Nematoden, Collembolen und Predatormakrofauna wird quantifiziert. 14C-Phosphor-Imaging der Wurzel ermöglicht es Hotspots der Rhizodeposition und der Exsudation zu lokalisieren. 13C-Pulsmarkierung wird die Empfindlichkeit der Koppelung des 13C mit Biomarker der Bakterien und Pilze (PLFA, Ergosterol) und Collembolen (neutrale Lipide) wesentlich erhöhen. Die Verzögerung zwischen der Photoassimillation der Pflanze, Wurzelexsudation in die Rhizosphäre und Einbau vom wurzelbürtigen C in die einzelnen Organismen wird bestimmt. Dies wird die Aufstellung und Modellierung des C-Flusses durch die Nahrungsketten im Boden ermöglichen. Durch mehrfache 13C-Pulsmarkierung von Mais wird eine hohe 13C-Anreicherung der Mikroorganismen erreicht, um anschließend die aktivsten Spezies in der Rhizosphäre mit Hilfe von Stable Isotope Probing (SIP) zu bestimmen.
Der Sedimentkern 5017-1 wurde im Tiefsten Bereich des Toten Meeres im Rahmen des ICDP Dead Sea Deep Drilling Programms erbohrt. Die lakustrinen, und zum Teil laminierten Sedimente aus diesem tiefen Bohrkern, sowie vom Uferbereich des Toten Meeres sind einzigartige Archive für Variationen des Sedimenteintrags und Paläo-Niederschlagsregimes in der Levante-Region (Naher Osten). Die langfristigen paläo-hydrologischen Änderungen im Einzugsgebiet des Toten Meeres während der letzten ca. 20 Tausend Jahre werden durch Änderungen des relativen Sedimenteintrags aus verschiedenen Zuflüssen widergespiegelt und konnten mittels Messung der radiogenen Isotope von Neodym (Nd) und Strontium (Sr) entziffert werden. Allerdings ist bisher unklar, inwiefern auch kurzfristige und rapide Klimaänderungen, z.B. während des 8.2 Events oder der Bronze-zeitlichen Trockenphase, zu paläo-hydrologischen Änderungen beigetragen haben. Im Zuge des PRO-HYDRO Projekts ist ein neues Profil am Westufer (Ein Feshkha) bis zum Frühholozän erfasst worden um einen detaillierten Vergleich mit dem Sedimentkern 5017-1 zu erzielen. Des Weiteren wurden erstmals auch Jordanische Zuflüsse am Ostufer des Toten Meeres beprobt. In diesem Fortsetzungsantrag (PRO-HYDRO II) sollen die bisher erzielten Ergebnisse aus dem ICDP 5017-1 Bohrkern und dem Westufer durch die Erfassung des Profils von der jordanischen Seite des Totes Meeres erweitert werden. Ein Ostufer-Profil ist eine wichtige Ergänzung um lokal geprägte Überflutungen während rapider Klimaänderungen des Frühholozäns in der Levante und darüber hinaus rekonstruieren zu können.
Ziel: Dekontamination von anfallendem Zaesium in Fluessigkeiten; Verfahren selektiv und als Durchlaufprozess technologisch problemlos; fest, komprimierbar und lagerfaehig; Anwendung besonders in kleinen bis mittleren Massstaeben; Patente erteilt in USA, England, Frankreich; in Deutschland beantragt.
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.
Unser derzeitiges Wissen über die paläoklimatische Entwicklung des Nahen Ostens nach 250.000 Jahre ist noch unzureichend untersucht. Der Vansee (Ostanatolien, Türkei) ist ein hervorragender Standort für die Untersuchung der Klimaentwicklung im kontinentalen östlichen Mittelmeerraum zwischen der nördlichen Levante und dem Mittelmeerraum. Dieses Projekt bietet die einzigartige Möglichkeit, die Variabilität von lokaler / regionaler Vegetation, Feuerintensität und die Klimaveränderungen während des drittletzten glazial-interglazialen Zyklus (Marine Isotope Stage (MIS) 8 bis 10; ca. 240 bis 350 ka BP), unter Verwendung von Palynologie, Auswertung von mikroskopischer Holzkohle sowie der Messung von stabilen Isotopen, zu bewerten. Die in diesem Projekt erstellten hochauflösenden palynologischen Datensätze bilden die Grundlage für die Biomodellierung und Rekonstruktion der Klimaentwicklung im östlichen Mittelmeerraum, die mit multivariaten statistischen Methoden entwickelt werden (z. B. Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion zur Rekonstruktion von Temperatur und Niederschlag). Ziel dieser Studie ist es, globaler Klimasignale unterhalb von Milankovitch-Zyklen zu untersuchen, und deren direkten Einfluss auf die Vegetationszusammensetzung und / oder die Umweltbedingungen in dieser Region.
Die Auswirkungen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) auf die Luftqualität und damit auf die Gesundheit der Menschen auf lokaler oder regionaler Skala sind direkt offenkundig durch die schädlichen Effekte auf die Lebenswelt. Noch bedeutender ist die kritische Rolle, die VOC in chemischen Prozessen der Atmosphäre einnehmen. Die Bildung vieler sekundärer organischer Schadstoffe in der Atmosphäre wie Ozon, Peroxide, Aldehyde, Peroxyacetylnitrate und sekundäre organische Aerosole hängt entscheidend von der Verfügbarkeit der VOC und ihrer Vorläufersubstanzen ab. Wir planen die Messung von Isotopenverhältnissen und Konzentrationen spezifischer VOC in der Abluft großer Ballungszentren (MPC) in Europa und Asien durch Einsatz des Luftprobensammlers MIRAH auf den HALO-Missionen EMeRGe-EU und EMeRGe-Asia. Die Luftproben werden im Labor mittels Gaschromatographie-Verbrennungs-Isotopen-Massenspektrometrie analysiert. Isotopenverhältnisse in VOC sind wertvolle Indikatoren zur Untersuchung von Reaktionen, die derzeitigen Messverfahren nicht direkt zugänglich sind. Transport- und Mischungsprozesse in der Atmosphäre können damit visualisiert werden, wertvolle Information über dominante Prozesse, an denen VOC beteiligt sind, gewonnen werden. Bereits in den letzten HALO-Missionen, TACTS/ESMVal und den beiden OMO-Missionen, konnten wir zeigen, dass die beantragte Messmethode ein sensitives Werkzeug ist, z.B. für Quellstudien von VOC, zur Ableitung von Transportwegen und deren Einfluss auf die Verteilung der VOC, zur Abschätzung des Mischungsgrads, der Unterscheidung zwischen dynamischen und chemischen Prozessen, als auch zur Untersuchung atmosphärischer Umwandlung und Verweilzeit spezifischer VOC. Die Wertstellung dieser Ergebnisse wird sogar noch gesteigert durch den Vergleich mit Ergebnissen aus 3-dimensionalen Chemie-Transport-Modellen. Die folgenden geplanten wissenschaftlichen Zielsetzungen betten sich in die übergreifenden Ziele von EMeRGe-EU and EMeRGe-ASIA: (1) Messung der Zusammensetzung der in Europa und Asien entspringenden Schadstofffahnen und Bestimmung des Beitrags bestimmter VOC an der Zusammensetzung der Atmosphäre; (2) Bestimmung der weitreichenden Luftverschmutzung sowie deren Einfluss auf die Verteilung bestimmter VOC; (3) Identifizierung möglicher Unterschiede im Transport und der Umwandlung von VOC, die mit besonderen einzigartigen Charakteristiken europäischer und asiatischer MPCs verbunden sind; (4) Identifizierung von Oxidations- und Zwischenprodukten des VOC-Abbaus; (5) Informationsgewinnung über Oxidationswege durch Messung von Vorläufer- und Oxidationsprodukten; (6) Altersbestimmung von Luftmassen in unterschiedlichen Stadien der Schadstofffahnen; (7) Gegenüberstellung photochemischer Prozessierung gegen Transport und Mischung; (8) Verbindung der Informationen aus Isotopenverhältnissen mit bestimmten regionalen meteorologischen Daten; (9) Bereitstellung der Messdaten für Chemietransportmodelle.
Nach Pena und Goldstein (2014) und Dausmann et al. (2017) ist die grundlegende Änderung der glazial-interglazialen Periodizität nach der Mittelpleistozänen - Klimakrise (MPT) durch eine erhebliche Abnahme der thermohalinen Zirkulation gekennzeichnet. Diese wurde mittels Nd-Isotopen Analysen mariner Sedimente nachgewiesen. Darauffolgend tritt die Reduktion der Tiefenwasserbildung während der Eiszeiten stetig wieder auf. Die MPT markiert eindeutig einen Wechsel von geringen Unterschieden im Tiefenwasser EpsilonNd (143Nd/144Nd - Verhältnis) zwischen Kaltzeiten und Warmzeiten. In den untersuchten ODP Kernen 1088/90 tritt diese Änderung in Wassertiefen von 2082 m und 3702 m auf. Weitere Studien im Nordatlantik bestätigen eine systematische Warmzeit - Kaltzeit Zyklizität der Nd-Isotopie, die einen Wettbewerb zwischen stärker radiogenen südlichen Wassermassen und weniger radiogenen nördlichen Wassermassen widerspiegelt. Hier definieren wir delta Epsilon als die Sensitivität von Wassermassen gegenüber der Veränderung der Nd-Isotopie entlang der Fließstrecke, d. h. den interhemisphärischen Gradienten pro Breitengrad. Die Nord-Süd-EpsilonNd-Differenz pro 10 Grad Breitengrad (delta Epsilon) ändert sich im Laufe der Zeit mit einer höheren Sensitivität in den Warmzeiten im Vergleich zu den Kaltzeiten. Bei bekannten Störungen der Nordatlantik-Zirkulation während des Heinrich Event 1 halbiert sich gar die Nd-Sensitivität im Vergleich zu Phasen starker Tiefenwasserbildung. Folglich verschwindet die Fähigkeit von EpsilonNd, die Wassermassenmischung zu verfolgen. Die Sensitivität nimmt dagegen in warmen Klimaphasen mit starker Tiefenzirkulation zu. Um Änderungen in der Wassermassenherkunft und der Stärke des Tiefenzirkulation durch kombinierte Untersuchungen von EpsilonNd und zum Beispiel delta 13C vollständig erfassen zu können, sind sowohl der ortsspezifische EpsilonNd Wert als auch der interhemisphärische Gradient oder die Nd-Sensitivität (delta Epsilon) erforderlich. Erste hochauflösende und bis zu 800 ka lange Nd-Isotopendatensätze zeigen die Dynamik der interhemisphärischen Nd-Sensitivitätsänderungen, für die es derzeit keine vergleichbaren Analysen im Südatlantik gibt. Ziel ist es daher, einerseits die Analysetechnik zu verbessern, um dann eine 1 Ma überspannende Zeitreihe der Nd-Isotopie im Südatlantik, südlich der Polarfront, zu generieren. Dies ermöglicht die Einflüsse von Wassermassen südlicher Herkunft zu quantifizieren. Wir haben ODP 1094 für diese Studie ausgewählt, da es eine direkte Verbindung zu Zirkumpolaren Wassermassen gibt und hohe Sedimentationsraten bestehen, die eine zeitliche Auflösung von Jahrtausenden ermöglicht. Alternativ werden wir den ODP-Kern 1090 weiter nördlich ergänzen. Wir planen eine große Anzahl von Nd-Analysen über die Projektdauer von zwei Jahren. Im dritten Jahr (Folgeantrag) sollen die Beobachtungen verfeinert werden, um die Auswirkungen der sich ändernden Sensitivität für die Entkopplung von Ozeanzirkulation und globalem
Die Denitrifikation stellt eine zentrale Größe im N-Haushalt insbesondere in gedüngten Agrarökosystemen dar, ist aber wegen methodischer Schwierigkeiten bei der Messung von N2- Emissionen auf der Feldskala sehr schwer bestimmbar und daher unzureichend untersucht. Die Produktion und Reduktion von N2O im Zuge der Denitrifikation und die damit verbundenen Isotopeneffekte hinterlassen im N2O-Molekül eine spezifische Isotopologensignatur, die sich aus der relativen An- oder Abreicherung von 15N und der schweren O-Isotope (17O, 18O) sowie aus der Verteilung von 15N innerhalb des Moleküls zusammensetzt. Diese Signatur wird durch folgende Größen geregelt: Die 15N und 17O/18O-Signaturen der Vorläuferverbindungen (Nitrat, Bodenwasser), den O-Austausch mit dem Bodenwasser bei der N2O-Produktion, die Raten der N2O-Produktion und der N2O-Reduktion zu N2 sowie die Isotopeneffekte (Fraktionierungsfaktoren) der verschiedenen Teilprozesse. Theoretisch lässt sich die N2O-Reduktion zu N2 - und damit die N2-Emission - sowohl aus den 15N-Signaturen als auch aus der 18O-Signatur des emittierten N2O ableiten, wenn die übrigen Parameter, die die Isotopologensignatur beeinflussen, ausreichend sicher bestimmbar sind. Ziel ist es, diesen methodischen Ansatz für die 18O-Signatur anhand von Laborversuchen mit Böden zu prüfen. Durch den Vergleich gemessener und mit einem Modell berechneter Isotopensignaturen sowie Emissionen von N2O- und N2 wird geprüft und bewertet, inwieweit die N2O-Fraktionierungsmethode für die Bestimmung von N2- Emissionen geeignet ist und eine neue Option für die Erfassung der N2-Emissionen auf der Feldskala bietet.
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