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.
Die EU-Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL) und die EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) erfordern die Erreichung bzw. Erhaltung des guten Umweltzustands von Nord- und Ostsee. Grundsätzlich wird davon ausgegangen, dass ein effektiver Meeresschutz einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leistet. Dahinter steckt die Annahme, dass gesunde Küsten- und Meeresökosysteme mehr Kohlendioxid und Nährstoffe speichern können als anthropogen beeinträchtige Systeme. So führt z.B. die Eutrophierung zu vermehrtem Algenwachstum und einer Trübung des Wassers, die die Ausbreitung von Seegraswiesen beeinträchtigt, die größere Mengen an Kohlenstoff speichern. Andere Zusammenhänge sind weniger gut erforscht. So könnte es z.B. durch die Reduktion der Nährstoffeinträge und des in Folge abnehmenden Algenwachstums zu einer Reduktion des Transports von Kohlenstoff in die Meeressedimente kommen. Der gute Umweltzustand gemäß MSRL und der gute ökologische/ chemische Zustand gemäß WRRL sind anhand ausgewählter Indikatoren und ihrer Schwellenwerte klar definiert. Ziel des Vorhabens ist es, das Kohlenstoffs- und Nährstoffspeicherpotential im gegenwärtigen Zustand und im guten Umweltzustand auf der Basis von Monitoringdaten und Literaturstudien zu quantifizieren und zu vergleichen. Dies soll an ausgewählten, gut untersuchten Modellgebieten jeweils in den Küsten- und Meeresgewässern und in Nord- und Ostsee erfolgen. Der Fokus liegt zunächst auf der Eutrophierung, es sollen aber soweit auf der Basis der Datenlage möglich auch andere relevante Belastungen wie Schadstoffe und Baggergutentnahme untersucht werden. Auf der Basis der Untersuchungen der Modellgebiete soll eine Prognose des Kohlenstoffs- und des Nährstoffspeicherpotenzials für die gesamte Nord- und Ostsee im aktuellen und im guten Umweltzustand erarbeitet werden. Das Vorhaben soll darüber hinaus Empfehlungen erarbeiten, durch welche Maßnahmen sich das Kohlenstoffspeicherpotential von Nord- und Ostsee weiter stärken lässt.
Eisen ist ein essenzieller Mikronährstoff für marine Organismen. Die Eisenverteilung im Ozean beeinflusst die Primärproduktion von Phytoplankton und dadurch die Aufnahme von Kohlendioxid im Ozean stark. Während wir langsam ein genaueres Bild der gegenwärtigen globalen Verteilung von gelöstem Eisen im Ozean bekommen, besteht noch kein Konsens in den Mechanismen, die diese Verteilung steuern, und vor allem in der Rolle der verschiedenen externen Eisenquellen für den Ozean (z.B. Eintrag durch Staub, aus Meeressedimenten, hydrothermalen Quellen und Flüssen). Einige dieser Quellen (z.B. Staubdeposition) werden sich stark mit dem laufenden Klimawandel ändern, andere, etwa der Eintrag aus Hydrothermalquellen, nicht. Wegen der Unsicherheit darüber, wie relevant die spezifischen Quellen sind, sind daher Vorhersagen zum zukünftigen Eisenkreislauf und damit zur Veränderung der Primärproduktion als Folge des Klimawandels stark erschwert.Eine neue Methode, die Rolle der verschiedenen Eisenquellen zu untersuchen, ist die Analyse der stabilen Isotopenzusammensetzung von gelöstem Eisen im Ozean. Da die verschiedenen externen Quellen von Eisen je unterschiedliche Isotopenverhältnisse haben, kann die Isotopenzusammensetzung von Eisen im Ozean im Prinzip verwendet werden, um die relativen Beiträge der verschiedenen Quellen zu erschließen. Allerdings wirken sich auch Prozesse im Inneren des Ozeans, die Eisen zwischen seinen verschiedenen Formen (gelöstes Eisen, abiotische und biologische Partikel, Redoxzustände) umwandeln, auf die Isotopenzusammensetzung aus, d.h. sie fraktionieren. Dazu kommt die Vermischung der Isotopenzusammensetzung durch physikalische Prozesse (Transport mit der Strömung und Diffusion). Die Interpretation von Eisenisotopendaten im Ozean erfordert daher die Kombination von Beobachtungen mit einem Modell des Eisenkreislaufs im Ozean. In dem beantragten Projekt wird ein globales biogeochemisches Modell von Eisen um eine explizite Darstellung von Isotopeneffekten erweitert, mit dem Ziel, die Rolle der verschiedenen Prozesse zu entschlüsseln, die die Isotopenzusammensetzung von gelöstem Eisen im Ozean beeinflussen. Das globale biogeochemische Modell basiert auf meinen früheren Arbeiten. In Kombination mit der weiter stattfindenden Zunahme von Eisenisotopenmessungen im Rahmen des internationalen GEOTRACES Programmes ermöglicht das Modell eine bessere Quantifizierung der Größe und der relativen Rolle der externen Eisenquellen für die Gegenwart und somit auch robustere Prognosen der zukünftigen marinen Primärproduktion.
Wattgebiete im Bereich der deutschen Nordseekueste, insbesondere im Raum Wilhelmshaven sollen mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung moeglichst detailiert klassifiziert werden (Sand/ - Schlick/ - Mischwatt, verschiedene Vegetation etc.) als Ausgangsdaten dienen Magnetbaender des Erderkundungssatelliten LANDSAT (4 Kanaele), des M2S-Multispektralabtasters (11 Kanaele) sowie digitalisierte Reihenmesskammeraufnahmen.
Gegenstand des Vorhabens ist die organisch-geochemische Untersuchung von diatomeenspezifischen organischen Verbindungen (Biomarker) aus Sedimenten des Südpolarmeeres für die letzten ca. 150.000 Jahre. Diatomeen sind die wichtigsten Primärproduzenten südlich der heutigen Antarktischen Polarfront. Die Kohlenstoffisotope und Anteile der in den Sedimenten überlieferten Biomarker aus Diatomeen spiegeln unmittelbare Veränderungen in der Meerwasserchemie, ozeanischen Zirkulation und der Primärproduktivität wider und sind daher ein ausgezeichneter Indikator für klimagekoppelte Umweltveränderungen. Die Untersuchungen basieren auf etablierten Methoden der organischen Geochemie, Biomarkenanalytik und Isotopengeochemie und sind somit ohne methodische Neuentwicklungen durchzuführen.
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.
Wir schlagen vor, IODP/ODP-Daten einzusetzen, um numerische Modelle für die Entstehung von Gashydraten in marinen Sedimenten zu kalibrieren. Wir möchten dabei besonders untersuchten, was mit dem Methangas geschieht, das entsteht wenn Gashydrate begraben und unterhalb der Stabilitätszone zersetzt werden. Dieses Gas kann entweder in die Stabilitätszone aufsteigen, um dort neues Hydrat zu bilden oder gemeinsam mit dem Sediment begraben werden. Wenn das Gas in die Stabilitätszone zurückfließt, kann dort sehr viel Hydrat akkumulieren. Ohne diese Rückführung liegt die Hydratsättigung im Porenraum dagegen in der Regel bei kleiner als 1 Prozent . In den Modellen, die bisher genutzt wurden, um die Hydratmenge im globalen Ozean abzuschätzen wurde angenommen, dass das Gas begraben und nicht zurückgeführt wird. Die tatsächliche Hydratmenge könnte sehr viel größer sein als bisher vermutet, falls die Gasrückführung ein weitverbreitetes Phänomen ist. Der Rolle der Gashydrate im Klimasystem und ihr Potential als fossiler Energieträger wären dann größer als bisher vermutet.
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
Im geplanten Projekt sollen landwirtschaftliche Aktivität während der vergangenen 6000 Jahre und zeitgleiche Klima- und terrestrische und marine Ökosystemänderungen im Ostseegebiet erfasst werden. Dies soll durch Untersuchung multidekadaler palynologischer Records von vier IODP-Expedition-347-Sites erreicht werden. Haupthypothesen des Projekts: a) Landwirtschaftliche Aktivität begann in Küstenbereichen früher als im Hinterland und breitete sich von Süden nach Norden aus. b) Aus landwirtschaftlicher Aktivität folgten Umweltveränderungen wie zum Beispiel Waldrodung. c) Die Intensität von Getreideanbau wurde durch Klimaparameter, zum Beispiel Niederschläge, beeinflusst. D) Landwirtschaft nahm Einfluss auf marine Ökosysteme, der in den Vergesellschaftungen mariner Palynomorpher und weiterer Mikrofossilien nachgewiesen werden kann. Die vier gewählten Sites liegen im Südwesten (Site M0059), im Zentralbereich (M0063) und im Nordwesten (Sites M0061/M0062) der Ostsee. Landwirtschaftliche Aktivität soll über das Auftreten von Pollenkörnern kultivierter Pflanzen, insbesondere Getreidearten wie Roggen (Secale) oder Weizen (Triticum), erkannt werden. Die vergangenen ca. 1600 Jahre sollen in besonders hoher zeitlicher Auflösung (ca. 25-50 Jahre) untersucht werden.Das Projekt würde eine Analyse des zeitlichen Rahmens landwirtschaftlicher Aktivität erlauben, z.B. die Dauer bis Getreideanbau in den verschiedenen Gegenden des Ostseegebiets - repräsentiert durch die gewählten Sites - eingeführt wurde, und wann er besonders intensiv war. Zeitliche Unterschiede bei der Getreideanbau-Einführung in küstennahen Bereichen und im Hinterland können durch Vergleich mit bekannten terrestrischen Datensätzen erfasst werden. Das Projekt wird ferner zu einem besseren Verständnis zeitgleicher Änderungen in terrestrischen Ökosystemen während der vergangenen 6000 Jahre, wie Entwaldung oder Pflanzenmigration, beitragen. Anwendung verschiedener Klimarekonstruktionsmethoden soll erlauben, klimatische Rahmenbedingungen landwirtschaftlicher Aktivität zu ermitteln. Da marine Sedimente genutzt werden, lassen sich zeitgleiche Änderungen in aquatischen Ökosystemen über die Untersuchung aquatischer Palynomorpher erkennen. So kann herausgefunden werden, ob Landwirtschaft den marinen Raum beeinflusste, z.B. durch erhöhten Nährstoffeintrag. Daten anderer Wissenschaftler (z.B. Diatomeen- und Foraminiferen-basierte Datensätze) sollen in die Analysen einbezogen werden. Die nötige zeitliche Auflösung ist durch hohe Sedimentationsraten in den erbohrten Becken gewährleistet. Pilotstudien während der IODP-Epedition-347-Onshore-Party und derzeit laufender Folgeprojekte zeigen eine gute Palynomorphenerhaltung für alle Sites und exzellente Erhaltung von Chironomidenresten für eine nördliche Site. Die Ergebnisse des geplanten Projekts werden zu einem detaillierten Einblick in die Entwicklung und den Einfluss landwirtschaftlicher Aktivität und die Umwelt- und Klimadynamik im Ostseegebiet beitragen.
Die Gefahrenhinweiskarte Niedersachsen 1 : 50 000 - Setzungs- und Hebungsempfindlicher Baugrund (ISHB50) ) ist aus der Geologischen Karte 1 : 50 000 (GK50) und der Ingenieurgeologischen Karte 1 : 50 000 (IGK50) abgeleitet, langjährige regionale Erfahrungen sowie bodenmechanische Analytik sind bei der Erstellung der Karte berücksichtigt. Die Karte zeigt die räumliche Verbreitung der verschiedenen setzungs- und hebungsempfindlichen Baugrundtypen bis in 2 m Tiefe. Darunter liegende Schichten lassen sich aus der GK50 und der IGK50 nicht ableiten. Hierfür kann die Bohrdatenbank des LBEG weitere Informationen und Daten liefern. Mit Hilfe von Kriterien und Regeln wird die Beschaffenheit, Zusammensetzung, Entstehung der geologischen Einheit sowie deren bodenmechanische Steifigkeit, Festigkeit und Wasserempfindlichkeit als Baugrund im Hinblick auf die Setzungs- und Hebungsempfindlichkeit bewertet. Geologische Einheiten mit ähnlichen Eigenschaften werden zusammengefasst. Gebiete mit lastabhängigen Setzungen im Erwartungsbereich von gut tragfähigem Baugrund sind entsprechend ausgewiesen. 1.) große Setzungsempfindlichkeit u.a. aufgrund hoher organischer Anteile und/oder flüssiger bis weicher Konsistenz 2.) mittlere bis große Setzungsempfindlichkeit aufgrund sehr geringer Steifigkeit (fluviatile, brackische, marine Sedimente wie z.B. Klei) 3.) geringe bis mittlere Setzungsempfindlichkeit aufgrund geringer Steifigkeit wie z.B. Lößlehm, Auelehm (marine, brackische und fluviatile Sedimente) 4.) geringe bis große Setzungsempfindlichkeit und geringe bis große Setzungsdifferenzen aufgrund wechselnder Steifigkeiten 5.) geringe bis mittlere Setzungs-/Hebungsempfindlichkeit von Ton und Tongesteinen durch Schrumpfen/Quellen (Wassergehaltsänderungen), Hebung durch Kristallisationsdruck (infolge Pyritverwitterung/Gipsbildung) 6.) hebungsempfindlich (Volumenzunahme) bei Wasserzutritt durch Umwandlung von Anhydrit in Gips 7.) senkungsempfindlich aufgrund der Löslichkeit von Gips bei Wasserzutritt 8.) übliche lastabhängige Setzungen gut tragfähiger Locker- und Festgesteine Aus den Baugrundtypen können generelle Hinweise zu Setzungen und Hebungen entnommen sowie gezielte projektbezogene Untersuchungen geplant werden. Hebungserscheinungen sind bisher nur in wenigen Fällen, meist in Folge der Quelleigenschaften von Tonen beobachtet worden. Hebung in Folge von Gipskristallwachstum im Verwitterungsbereich von Tonsteinen ist nur in Einzelfällen beobachtet worden. Die IHSB50 kann keine Baugrunduntersuchungen gemäß DIN EN 1997-2:2010-10, DIN EN 1997-2/NA:2010-12 und DIN 4020:2010-12 ersetzen.
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