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Seawater carbonate chemistry and hatching success and size of the marine clam Limecola balthica

Anthropogenic CO2 emissions are rapidly changing seawater temperature, pH and carbonate chemistry. This study compares the embryonic development under high pCO2conditions across the south-north distribution range of the marine clam Limecola balthicain NW Europe. The combined effects of elevated temperature and reduced pH on hatching success and size varied strongly between the three studied populations, with the Gulf of Finland population appearing most endangered under the conditions predicted to occur by 2100. These results demonstrate that the assessment of marine faunal population persistence to future climatic conditions needs to consider the interactive effects of co-occurring physico-chemical alterations in seawater within the local context that determines population fitness, adaptation potential and the system resilience to environmental change.

Junge Lachse starten in die Zukunft: SGD Nord setzt Besatz in der Nette fort

Wie gelingt es, eine einst verschwundene Tierart dauerhaft wieder in heimischen Gewässern zu etablieren? An der Nette in Weißenthurm wurde nun ein weiterer wichtiger Baustein für die langfristige Wiederansiedlung des Lachses umgesetzt. Die Struktur- und Genehmigungsdirektion (SGD) Nord hat als Obere Fischereibehörde sogenannte Sömmerlinge in den Fluss eingesetzt. Damit wird die natürliche Entwicklung der Lachsbestände in der Region gezielt unterstützt. Die Besatzmaßnahme wurde von SGD-Nord-Präsident Joachim Rodenkirch begleitet, der den Moment des Aussetzens der Jungfische vor Ort verfolgte. Für die Tiere beginnt damit eine lange Reise: Zunächst schwimmen sie durch die Nette in den Rhein, bevor sie weiter in die Nordsee und den Nordatlantik gelangen. Später kehren sie zum Laichen wieder in heimische Flüsse wie die Nette zurück. „Regelmäßige Besatzmaßnahmen sollen die biologische Vielfalt stärken und den Lachs dauerhaft wieder als heimische Art im Rheinsystem etablieren. Die in den vergangenen Jahren beobachtete Rückkehr und natürliche Reproduktion zeigen, dass die Maßnahmen greifen. Mit dem Besatz von mehr als 200.000 Junglachsen im Jahr 2026 und Investitionen von rund 120.000 Euro wird dieser Weg konsequent fortgeführt und der Bestand in Rheinland-Pfalz nachhaltig gestärkt“, erklärte SGD-Nord-Präsident Joachim Rodenkirch. Unterstützt wurde die Maßnahme von Dr. Jörg Schneider vom Büro für fisch- und gewässerökologische Studien, von engagierten Mitgliedern der Arbeitsgemeinschaft Nette sowie den Experten der SGD Nord, die die Verteilung der Tiere in geeignete Habitate begleiten. Sorgfältige Vorbereitung auf den Start Vor dem Einsetzen der Tiere erfolgte eine behutsame Anpassung an die Bedingungen des Zielgewässers. Dabei wurde das Transportwasser schrittweise durch Wasser aus der Nette ersetzt, um Temperatur und Wasserqualität anzugleichen. Erst danach wurden die Junglachse mit speziellen Behältern schonend in geeignete Flussabschnitte eingebracht. Insbesondere flache, strömungsreiche Bereiche der Nette bieten den Jungfischen günstige Lebensbedingungen und ein rasch verfügbares natürliches Nahrungsangebot. Teil eines europäischen Wiederansiedlungsprogramms Die Wiederansiedlung des Lachses im Rheinsystem ist in einen europaweit ausgeschriebenen Rahmenvertrag eingebettet, der mit dem Danmarks Center for Vildlaks umgesetzt wird. Die eingesetzten Junglachse stammen von dänischen Rückkehrpopulationen und gelten als gut an das Rheinsystem angepasst. Durch die neue vertragliche Struktur konnten Lieferprozesse stabilisiert und Kosten reduziert werden, wodurch aktuell größere Stückzahlen als vorher verfügbar sind. Das Programm ist Teil eines internationalen Gemeinschaftsvorhabens der Rheinanliegerstaaten sowie einer Kooperation mit Nordrhein-Westfalen und Hessen. Im nördlichen Rheinland-Pfalz wird die Umsetzung durch die SGD Nord gesteuert.

oWLK-GCM objective weather types derived from General Circulation Models (Reanalysis data and Global Climate Model Simulations)

Objective weather types of Deutscher Wetterdienst derived from different Reanalysis and Global Climate Model simulations for the control run (1951-2000) and the projection period (2000-2100). Furthermore, the NAO-index is also provided. On the one hand, the dataset is useful for evaluation of representative circulation statistics in Central Europe, on the other hand, for the analysis of future weather types due to climate change. Added temperature and precipitation data allow to study the weather type effectiveness for these important climate parameters.

Transportwege von Feuchte und Wasserdampfisotopologe

Das Zusammenspiel von atmosphärischem Wasser und Zirkulation über Beeinflussung des Strahlungshaushalts, den Transport latenter Wärme und Rückkopplungsmechanismen von Wolken ist eines der bedeutendsten Hindernisse für das Verständnis des Klimasystems. Ein Vergleich zwischen Modellen verschiedener Auflösungen und Parameterisierungen kann wertvolle Einblicke in die Problematik geben. Jedoch werden für aussagekräftige Modelltests Messdaten benötigt. In diesem Zusammenhang können Isotopologen des troposphärischen Wasserdampfs eine wichtige Rolle spielen. Das Isotopologenverhältnis reflektiert die Bedingungen am Ort des Feuchteeintrags sowie verschiedene Umwandlungsprozesse (z.B. in Wolken). Während der letzten Jahre gab es großen Fortschritt beim Modellieren und Messen der Isotopologenverhältnisse, so dass kombinierte Untersuchungen nun global zeitlich und räumlich hochaufgelöst durchführbar sind. Das Ziel dieses Projektes ist es, Wasserdampfisotopologe als neue Methode zu etablieren, um modellierte atmosphärische Feuchteprozesse zu testen und damit einige der größten Herausforderungen der aktuellen Klimaforschung anzugehen. Um statistisch robuste Untersuchungen zu ermöglichen, werden wir eine große Anzahl von (H2O, deltaD)-Paaren messen (deltaD ist das standardisierte Verhältnis zwischen den Isotopologen HD16O und H216O). Zum ersten Mal wird dann ein validierter Beobachtungsdatensatz zur Verfügung stehen, der große Gebiete, lange Zeiträume und verschiedene Tageszeiten abdeckt. Gleichzeitig wird ein hochauflösendes meteorologisches Modell, welches die Isotopologe simuliert, benutzt, um zu untersuchen inwiefern sich Eintrag und Transport von Feuchte in den Isotopologen wiederspiegeln. Diese Kombination von Messung und Modell ist einzigartig zum Testen der Modellierung von Feuchteprozessen. Das Potential der Isotopologen wird anhand von drei klimatisch interessanten Regionen aufgezeigt. Für Europa wird unser Ansatz einen wertvollen Einblick in den Zusammenhang zwischen Feuchteeintrag und den Isotopologen im Falle hochvariablen Wettergeschehens geben. Über dem subtropischen Nordatlantik werden wir Mischprozessen zwischen der marinen Grenzschicht und der freien Troposphäre untersuchen. Die verschiedenartige Einbindung dieser Prozesse in Modelle ist sehr wahrscheinlich ein Grund für die große Unsicherheit bei Rückkopplungsmechanismen von Wolken. Über Westafrika wird die Modellierung des Monsuns getestet (horizontaler Feuchtetransport, Feuchterückfluss von Land in die Troposphäre, und Tagesgänge in Zusammenhang mit vertikalen Mischprozessen). Die Frage, wie organisierte Konvektion die Monsunzirkulation und die Feuchtetransportwege beeinflusst, wird dabei von besonderem Interesse sein. In Kombination werden die Ergebnisse helfen, Defizite in aktuellen Wetter- und Klimamodellen aufzuspüren und besser zu verstehen, und dadurch einen wichtigen Beitrag für zukünftige Modellverbesserungen liefern.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Bestimmung des 'endmembers' der Nd-Isotopie von nordatlantischem Tiefenwasser über den letzten glazialen Zyklus

Während des letzten Eiszeit-Zykluses wurde CO2 aus der Atmosphäre jahrtausendelang in den tiefen Ozeanen gebunden. Die ozeanische Wassermassenstruktur, die eine solche erhöhte Kohlenstoffspeicherung ermöglichte, ist jedoch weiterhin nicht bekannt. Inkonsistente Rekonstruktionsergebnisse sind größtenteils eine Folge der begrenzten. Insbesondere sind nur wenige Rekonstruktionen von Tiefenwassermassen-Struktur mittels des Neodym (Nd)-Isotopen-Proxys für die letzten 100.000 Jahren verfügbar. Als Selten Erden Elemente wird Nd nicht durch den biologischen Kreislauf beeinflusst, wodurch die Nd-Isotopenzusammensetzung des Meerwassers benutzt werden kann, um Änderungen des Kohlenstoffkreislaufs von der Zirkulation in der Tiefsee getrennt betrachten. Aufgrund des Unterschieds der Nd-Isotopensignaturen zwischen Nord- und Südwasser mehrfach über signifikant unterschiedliche Wassermassenstrukturen des Atlantiks in der Vergangenheit berichtet. Kürzlich wurden jedoch Prozesse identifiziert, die unabhängig von der Herkunft der Wassermasse, die archivierten Nd-Isotopensignaturen (vor allem in Verbindung mit benthischen Nepheloid-Schichten) verändern können und somit die Interpretation als Wassermassen-Tracer in Frage stellen. Diese Prozesse könnten erhebliche Auswirkungen auf paläo-ozeanographische Rekonstruktionen haben, da die meisten Studien bislang Nd-Isotopien unter der Annahme unveränderlicher endmember interpretierten. Gegenwärtig existiert jedoch kein Datensatz aus dem Nordatlantik, der den nördlichen endmember ausreichend genau repräsentiert und dabei den gesamten Glazialen Zyklus abdeckt. Die hier vorgeschlagene Studie wird die etablierte Methodik über den Nd-Isotopen-Proxy an der Universität Heidelberg nutzen und zielt darauf ab, diese kritische Datenlücke zu schließen, indem ein nördlicher Nd-Isotopen-endmember von einem Sedimentkern über die letzten 100.000 Jahre definiert wird. Der IODP-Kern U1313 aus dem subpolare Nordatlantik ist hierfür besonders geeignet, denn er verfügt u.a. über eine ausreichend hohe Sedimentationsrate und liegt außerhalb des Einflusses von benthischen Nepheloid-Schichten oder vulkanischem Material.

Seawater carbonate chemistry and benthic foraminifera Ammonia sp. uranium incorporation during experiments, 2013

The chemical and isotopic composition of foraminiferal shells (so-called proxies) reflects the physico-chemical properties of the seawater. In current day paleoclimate research, the reconstruction of past seawater carbonate system to infer atmospheric CO2 concentrations is one of the most pressing challenges and a variety of proxies have been investigated, such as foraminiferal U/Ca. Since in natural seawater and traditional CO2 perturbation experiments, the carbonate system parameters co-vary, it is not possible to determine the parameter of the carbonate system causing e.g. changes in U/Ca, complicating the use of the latter as a carbonate system proxy. We overcome this problem, by culturing the benthic foraminifer Ammonia sp. at a range of carbonate chemistry manipulation treatments. Shell U/Ca values were determined to test sensitivity of U incorporation to various parameters of the carbonate system. We argue that CO3 is the parameter affecting the U/Ca ratio and consequently, the partitioning coefficient for U in Ammonia sp DU. We can confirm the strong potential of foraminiferal U/Ca as a CO3 proxy.

Seawater carbonate chemistry and PI-curve parameters, non-photochemical quenching, maximum quantum yield, gross oxygen production and chlorophyll concentrations of Fucus vesiculosus in the Kiel Outdoor Benthocosms

Shallow coastal marine ecosystems are exposed to intensive warming events in the last decade, threatening keystone macroalgal species such as the bladder wrack (Fucus vesiculosus, Phaeophyceae) in the Baltic Sea. Herein, we experimentally tested in four consecutive benthic mesocosm experiments, if the single and combined impact of elevated seawater temperature (+ 5◦C) and pCO2 (1100 ppm) under natural irradiance conditions seasonally affected the photophysiological performance (i.e., oxygen production, in vivo chlorophyll a fluorescence, energy dissipation pathways and chlorophyll concentration) of Baltic Sea Fucus. Photosynthesis was highest in spring/early summer when water temperature and solar irradiance increases naturally, and was lowest in winter (December to January/February). Temperature had a stronger effect than pCO2 on photosynthetic performance of Fucus in all seasons. In contrast to the expectation that warmer winter conditions might be beneficial, elevated temperature conditions and sub-optimal low winter light conditions decreased photophysiological performance of Fucus. In summer, western Baltic Sea Fucus already lives close to its upper thermal tolerance limit and future warming of the Baltic Sea during summer may probably become deleterious for this species. However, our results indicate that over most of the year a combination of future ocean warming and increased pCO2 will have slightly positive effects for Fucus photophysiological performance.

Seawater carbonate chemistry and growth of calcifying tubeworm shells (Spirorbis spirorbis)

The calcareous tubeworm Spirorbis spirorbis is a widespread serpulid species in the Baltic Sea, where it commonly grows as an epibiont on brown macroalgae (genus Fucus). It lives within a Mg-calcite shell and could be affected by ocean acidification and temperature rise induced by the predicted future atmospheric CO2 increase. However, Spirorbis tubes grow in a chemically modified boundary layer around the algae, which may mitigate acidification. In order to investigate how increasing temperature and rising pCO2 may influence S. spirorbisshell growth we carried out four seasonal experiments in the Kiel Outdoor Benthocosms at elevated pCO2 and temperature conditions. Compared to laboratory batch culture experiments the benthocosm approach provides a better representation of natural conditions for physical and biological ecosystem parameters, including seasonal variations. We find that growth rates of S. spirorbis are significantly controlled by ontogenetic and seasonal effects. The length of the newly grown tube is inversely related to the initial diameter of the shell. Our study showed no significant difference of the growth rates between ambient atmospheric and elevated (1100 ppm) pCO2 conditions. No influence of daily average CaCO3 saturation state on the growth rates of S. spirorbis was observed. We found, however, net growth of the shells even in temporarily undersaturated bulk solutions, under conditions that concurrently favoured selective shell surface dissolution. The results suggest an overall resistance of S. spirorbis growth to acidification levels predicted for the year 2100 in the Baltic Sea. In contrast, S. spirorbis did not survive at mean seasonal temperatures exceeding 24 °C during the summer experiments. In the autumn experiments at ambient pCO2, the growth rates of juvenile S. spirorbis were higher under elevated temperature conditions. The results reveal that S. spirorbis may prefer moderately warmer conditions during their early life stages but will suffer from an excessive temperature increase and from increasing shell corrosion as a consequence of progressing ocean acidification.

Surface seawater carbonate chemistry, nutrients and phytoplankton community composition on a transect between North Sea and Arctic Ocean, 2008

This data was collected during the 'ICE CHASER' cruise from the southern North Sea to the Arctic (Svalbard) in July-Aug 2008. This data consists of coccolithophore abundance, calcification and primary production rates, carbonate chemistry parameters and ancillary data of macronutrients, chlorophyll-a, average mixed layer irradiance, daily irradiance above the sea surface, euphotic and mixed layer depth, temperature and salinity.

The influence of seawater pH on U/ Ca ratios in the scleractinian cold-water coral Lophelia pertusa

The increasing pCO2 in seawater is a serious threat for marine calcifiers and alters the biogeochemistry of the ocean. Therefore, the reconstruction of past-seawater properties and their impact on marine ecosystems is an important way to investigate the underlying mechanisms and to better constrain the effects of possible changes in the future ocean. Cold-water coral (CWC) ecosystems are biodiversity hotspots. Living close to aragonite undersaturation, these corals serve as living laboratories as well as archives to reconstruct the boundary conditions of their calcification under the carbonate system of the ocean. We investigated the reef-building CWC Lophelia pertusa as a recorder of intermediate ocean seawater pH. This species-specific field calibration is based on a unique sample set of live in situ collected L. pertusa and corresponding seawater samples. These data demonstrate that uranium speciation and skeletal incorporation for azooxanthellate scleractinian CWCs is pH dependent and can be reconstructed with an uncertainty of ±0.15. Our Lophelia U / Ca-pH calibration appears to be controlled by the high pH values and thus highlighting the need for future coral and seawater sampling to refine this relationship. However, this study recommends L. pertusa as a new archive for the reconstruction of intermediate water mass pH and hence may help to constrain tipping points for ecosystem dynamics and evolutionary characteristics in a changing ocean.

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