s/meereisdicke/Meereisdecke/gi
Das zukünftige Verhalten des Westantarktischen Eisschilds (WAIS) bleibt eines der kritischsten Unbekannten bei globalen Klima- und Meeresspiegelvorhersagen (IPCC, 2014). Vergangene Super-Warmperioden während des Plio- und Pleistozäns könnten als Analoga für Klimaszenarien dienen, die für die kommenden Jahrzehnte und Jahrhunderte vorhergesagt werden. Modellstudien legen nahe, dass Temperaturanomalien während dieser Zeiträume zu einem teilweisen oder vollständigen WAIS-Kollaps führten. Es fehlen jedoch noch eisproximale geologische Beweise solcher möglichen Zusammenbrüche. Während der IODP Exp. 379 konnten wir Bohrkerne von zwei Standorten bergen, die diese Intervalle abdecken. Insbesondere wird die Intensität der Eisentladung (Quantifizierung von Eisschutt; IRD) an 571 Proben untersucht. Ferner werden Indikatoren für die Sedimentherkunft und den möglichen Kollaps an ausgewählten Proben bestimmt, um die ost- und westantarktischen IRD-Quellen (Mineralogie und Ar-Ar-Datierung) zu unterscheiden. Die analytischen Arbeiten für das Projekt werden von studentischen Hilfskräften durchgeführt, die die Möglichkeit haben, Abschlussarbeiten zu verfassen. Die erzeugten Daten werden für die Datenintegration mit IODP-Projektpartnern, die Synthese und die endgültige Veröffentlichung verwendet.
Die zentralen Zielstellungen dieses Teilprojekts sind (i) die Verbesserung im Verständnis von Rückkopplungsmechanismen zwischen der Atmosphäre und Meereis-Ozean in der Arktis, und (ii) eine Quantifizierung der einzelnen Beiträge der atmosphärischen Zirkulation, der atmosphärischen Grenzschicht (ABL) und Wolkenprozesse, sowie die Meereisveränderung in der der zeitlich beobachteten arktischen Klimaveränderung. Die Unterschiede zwischen dem beobachteten Meereisrückgang und Simulationsergebnissen von aktuellen regional gekoppelten Klimamodellen wird beurteilt. Ensemble-Simulationen mit einem gekoppelten regionalen Atmosphäre-Meereis-Ozean Modells des arktischen Klimasystems HIRHAM-NAOSIM werden mit neuen satellitenabgeleiteten Daten von Meereiskonzentrationen, Meereisdicken und Schneetiefe verglichen.
Ziel des Projektes ist eine Bestandsaufnahme der Wassermassenverteilung und der Zirkulation im Arktischen Ozean. Stabile Sauerstoffisotopen (delta18O) des Wassers ist ein konservativer Tracer und werden zusammen mit hydrochemischen Daten dazu verwendet das vom Schelf stammende Süßwasser (Flusswasser und Meereis-Schmelze oder Bildung) und die aus dem Pazifik stammende Komponente zu untersuchen. Auf diese Weise wird der Einfluss dieser Wassermassen in der arktischen Salzgehaltsschichtung (Halokline), dem Atlantischen Zwischenwasser und dem Tiefen- und Bodenwasser des Arktischen Ozeans quantifiziert werden. Es ist bekannt, dass die Verteilung der Pazifischen Komponente starken Veränderungen auf dekadischen Zeitskalen unterliegt aber auch in den Süßwasserverteilungen im Transpolaren Drift Strom wurden 2007 starke Variationen beobachtet welche somit auf zusätzliche jährliche Variationen hinweisen. Es ist nicht bekannt ob die 2007 beobachteten Variationen ein permanentes Phänomen sind und ob diese mit dem weitgehenden Fehlen des Pazifischen Wassers in diesem Zeitraum zusammenhängen. Die geplante flächendeckende und quantitative Erfassung der Süßwasserverteilung und des Pazifischen Wassers werden daher dazu beitragen, den Einfluss und die möglichen Rückkopplungsmechanismen der arktischen Hydrographie auf den arktischen und globalen Klimawandel weitergehend zu verstehen.
Das Meereis ist ein einzigartiger Lebensraum für eine Gemeinschaft aus Pflanzen und Tieren, die ein im Meereis ausgebildetes Solekanalsystem besiedeln. Während ein guter Kenntnisstand über die mesoskalige Verteilung (ca. 10 cm) und die Zusammensetzung dieser Gemeinschaften vorliegt, ist die kleinskalige Verteilung (1 cm) und die Interaktionen der Organismen dieser Gemeinschaften nur wenig bekannt. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der kleinskaligen Verteilung der Organismen und der Struktur des Nahrungsnetzes, das von ihnen gebildet wird. Dabei soll insbesondere der Einfluß der inneren Oberfläche des Meereises auf den Aufbau des Nahrungsnetzes berücksichtigt werden. Von der Vermutung ausgehend, dass ein großer Anteil der eisassoziierten Bakterien- und Algenbiomasse in Form von Biofilmen vorliegt, soll die Biomasse und Aktivität an Oberflächen gebundener Bakterien und Algen mit der von frei in der Sole lebenden Organismen verglichen werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung von bakterien- und algenfressenden Protozoen und der Quantifizierung ihrer Bedeutung für den Stoffumsatz im Meereis.
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).
Der Arktische Ozean und umgebende Landmassen sind bzw. waren Gegenstand sehr schneller und drastischer Umweltveränderungen. Dies spiegelt sich besonders deutlich in dem alarmierenden Schrumpfen der Arktischen Meereisdecke während der letzten 3-4 Dekaden wider. Durch komplexe Rückkopplungseffekte ist die Arktis zum einen ein Motor für globale Klimaänderungen, zum anderen wird die Arktis aber auch extrem von der globalen Klimaerwärmung beeinflusst. Trotz der großen Bedeutung der Arktis im globalen Klimasystem ist die langfristige Klimageschichte mit dem Übergang vom Treibhaus zum Eishaus im Verlauf des Känozoikums wenig erforscht. IODP Exp 302/ACEX (2004), die erste wissenschaftliche Arktis-Bohrung, ist ein Meilenstein der Arktis-Forschung, die durchschlagende neue Erkenntnisse zur frühen Klima- und Vereisungsgeschichte der Arktis geliefert hat. Zahlreiche Schlüsselfragen bezüglich der langfristigen Entwicklung der Arktis und deren Bezug zum globalen Klimasystem blieben aber unbeantwortet. Aufbauend auf den einmaligen ACEX-Daten wurde daher eine zweite IODP-Kampagne auf dem Lomonosov-Rücken vorgeschlagen, die jetzt als IODP Exp 377 im Herbst 2021 durchgeführt wird. In Vorbereitung und Durchführung von IODP Exp 377 soll sich das hier beantragte DFG-Projekt fokussieren auf: (1) Untersuchungen in einer Pilotstudie an Sedimentkernen, die auf der Polarstern-Expedition PS115/2 (2018) an Lokationen potentieller IODP Sites genommen wurden; (2) Weiterführung der Planung und Leitung der IODP Exp 377; und (3) Dokumentation & Präsentation der Ergebnisse der Pilotstudie und der IODP Exp 377 auf Arbeitstreffen/Konferenzen sowie in Reports/Publikationen.Die Pilotstudie ist zentraler Teil dieses Projekts und von übergeordneter Bedeutung für die IODP Exp 377 und soll folgende Arbeiten beinhalten:- Die Polarstern-Kerne repräsentieren die obersten ca. 10m in Topqualität, die in den IODP-Kernen häufig nur in gestörter Form enthalten sind. Durch Kombination der Polarstern- und IODP-Sequenzen wird eine einzigartige, komplette und ungestörte Sedimentabfolge vom frühen Känozoikum bis zum Rezenten vorliegen.- Die Polarstern-Kerne werden nach IODP-Standards geloggt (MSCL) und gescannt (XRF), was eine detaillierte und eindeutige Korrelation der Polarstern- und der IODP-Kerne ermöglicht.- Mittels Litho-, Zyklo-, Paleomagneto-, and 230Th-Isotopen-Stratigraphie soll ein absolutes Altersmodell für die Polarstern-Kerne entwickelt werden, das später in das Gesamtaltersmodell der IODP-Bohrung eingearbeitet werden soll.- Für die Rekonstruktion der quartären Geschichte der Arktischen Meereisverbreitung, der Ausdehnung von Eisschilden in Sibirien sowie der Stärke von Bodenwasserströmungen auf dem Lomonosov-Rücken sollen spezielle Biomarker, mineralogische Proxies, Korngrößenverteilungen und Elementverhältnisse bestimmt werden. Diese Datensätze sind von grundlegender Bedeutung für die Interpretation ähnlicher Daten, die aus späteren Untersuchungen der IODP-Kerne gewonnen werden.
Der Verlauf der atmosphärischen CO2-Konzentrationen während der vergangenen Klimazyklen ist durch ein Sägezahnmuster mit Maxima in Warmzeiten und Minima in Kaltzeiten geprägt. Es besteht derzeit Konsens, dass insbesondere der Süd Ozean (SO) eine Schlüsselfunktion bei der Steuerung der CO2-Entwicklung einnimmt. Allerdings sind die dabei wirksamen Mechanismen, die in Zusammenhang mit Änderungen der Windmuster, Ozeanzirkulation, Stratifizierung der Wassersäule, Meereisausdehnung und biologischer Produktion stehen, noch nicht ausreichend bekannt. Daten zur Wirkung dieser Prozesse im Wechsel von Warm- und Kaltzeiten beziehen sich bislang fast ausschließlich auf den atlantischen SO. Um ein umfassendes Bild der Klimasteuerung durch den SO zu erhalten muss geklärt werden, wie weit sich die aus dem atlantischen SO bekannten Prozesswirkungen auf den pazifischen SO übertragen lassen. Dies ist deshalb von Bedeutung, da der pazifische SO den größten Teil des SO einnimmt. Darüber hinaus stellt er das hauptsächliche Abflussgebiet des Westantarktischen Eisschildes (WAIS) in den SO dar. Im Rahmen des Projektes sollen mit einer neu entwickelten Proxy-Methode Paläoumwelt-Zeitreihen an ausgewählten Sedimentkernen von latitudinalen Schnitten über den pazifischen SO hinweg gewonnen werden. Dabei handelt es sich um kombinierte Sauerstoff- und Siliziumisotopenmessungen an gereinigten Diatomeen und Radiolarien. Es sollen erstmalig die physikalischen Eigenschaften und Nährstoffbedingungen in verschiedenen Stockwerken des Oberflächenwassers aus verschiedenen Ablagerungsräumen und während unterschiedlicher Klimabedingungen beschrieben werden. Dies umfasst Bedingungen von kälter als heute (z.B. Letztes Glaziales Maximum) bis zu wärmer als heute (z.B. Marines Isotopen Stadium, MIS 5.5). Die Untersuchungen geben Hinweise zur (1) Sensitivität des antarktischen Ökosystems auf den Eintrag von Mikronährstoffen (Eisendüngung), (2) Oberflächenwasserstratifizierung und (3) 'Silicic-Acid leakage'-Hypothese, und tragen damit zur Überprüfung verschiedener Hypothesen zur Klimawirksamkeit von SO-Prozessen bei. Die neuen Proxies bilden überdies Oberflächen-Salzgehaltsanomalien ab, die Hinweise zur Stabilität des WAIS unter verschiedenen Klimabedingungen geben. Darüber hinaus kann die Hypothese getestet werden, nach der der WAIS während MIS 5.5 vollständig abgebaut war. Die Projektergebnisse sollen mit Simulationen mit einem kombinierten biogeochemischen (Si-Isotope beinhaltenden) Atmosphäre-Ozean-Zirkulations-Modell aus einem laufenden SPP1158-DFG Projekt an der CAU Kiel (PI B. Schneider) verglichen werden. Damit sollen die jeweiligen Beiträge der Ozeanzirkulation und der biologischen Produktion zum CO2-Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre getrennt und statistisch analysiert werden. Informationen zu Staubeintrag, biogenen Flussraten, physikalischen Ozeanparametern und zur Erstellung von Altersmodellen stehen durch Zusammenarbeit mit anderen (inter)nationalen Projekten zur Verfügung.
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.
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.
Ziel der Arbeiten ist die Untersuchung der Drift kleinerer und mittlerer Eisberge im Weddellmeer und des damit verbundenen Süßwassereintrags mit Hilfe gemessener Driftbahnen und numerischer Modellrechnungen. Dabei soll die regionale Verteilung des Schmelzwassereintrags und dessen Bedeutung für die Stabilität der polaren Wassersäule untersucht werden. Ferner soll der Eintrag von Substanzen bestimmt werden, die das Algenwachstum beeinflussen können. Die Driftmessungen erfolgen durch eine tägliche Übertragung der Eisbergpositionen mittels ARGOS Sender. Das Driftmodell berücksichtigt neben der direkten Wirkung von Wind, Ozeanströmung, Meeresoberflächenneigung und Erdrotation auch die Kräfte, die bei einer geschlossenen Meereisbedeckung auftreten, und beinhaltet basales und laterales Schmelzen. Die Ergebnisse der Analyse der Driftbeobachtungen werden zur Validierung der Modellergebnisse und zur Optimierung der angewendeten Parametrisierungen herangezogen.
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