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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.

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.

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.

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.

Zeitliche Variabilität von internen Wellen und vertikaler Vermischung im Nordatlantik

Das Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung der zeitlichen Variabilität in der Energie von internen Wellen und der Stärke von vertikaler Vermischung in Abhängigkeit des Nordatlantikstroms und dem damit verbundenen Wirbelfeld. Hierfür werden 5-6 Jahre von Strömungsmesserdaten und Temperatur/Leitfähigkeitsmessungen von drei Verankerungen entlang eines Schnittes westlich des Mittelatlantischen Rückens (MAR) sowie LADCP/CTD Daten von fünf Schifffahrten genutzt. Konkrete wissenschaftliche Ziele dabei sind:- Erstellung von Zeitserien der Energie in internen Wellen unter Benutzung der Verankerungszeitreihen von Strömung und Schichtung- Untersuchung der Zeitskalen auf denen Veränderungen in der Energie interner Wellen stattfinden. Mögliche Ursachen für Variabilität sind der Windeintrag, Position des Nordatlantikstroms und Wirbel- Identifizierung von Prozessen, welche die beobachteten internen Wellen generieren, wie z.B. Gezeiten, Stürme, Jahresgang, Wirbel, die Arme des Nordatlanikstroms (Verhältnis von lokalen zu großräumigen Erzeugungsmechanismen)- Bestimmung der Vermischungsraten (Temperaturinversionen, Thorpe Skalen, Feinstrukturparameterisierung) in Abhängigkeit der variablen Hintergrundbedingungen Hierfür werden zunächst Spektren potentieller und kinetischer Energy der internen Wellen auf ihre Abhängigkeit von veränderlichen Hintergrundbedingungen wie z.B. Wind, Gezeiten, Wirbel, Schichtung und Variabilität im Nordatlantikstrom sowieso des Einflusses der Topographie untersucht. Die instrumentelle Ausstattung der Verankerungen seit Sommer 2012 erlaubt zusätzlich die Approximation der internen Wellen durch vertikale Moden und damit verbunden die Berechnung von Energieflüssen, welche wichtige Informationen über die Menge und die Variabilität in der Energie, die in internen Wellen im Nordatlantik transportiert wird, liefern. Außerdem geben diese so gewonnenen Energieflüsse in Kombination mit der Berechnung von Ausbreitungspfaden von internen Wellen, welche am mittelatlantischen Rücken erzeugt wurden, Aufschluss über die relative Bedeutung der Topographie des MAR für die Erzeugung von internen Wellen. Beginnend vom Sommer 2015 werden die Analysen erweitert, indem Temperatur- und Druckdaten mit hoher Tiefenauflösung für die Berechnung von Thorpe Skalen und Dissipationsraten und deren zeitlichen Variabilität genutzt werden. Weitere Informationen über die zeitliche und räumliche Variabilität der Vermischungsraten im Nordatlantik werden durch die Analyse von Diffusionsraten, die anhand von LADCP/CTD Daten und einer Feinstrukturparameterisierung berechnet werden, erlangt. Dies liefert weitere Aufschlüsse über die dominanten Prozesse in der Erzeugung von internen Wellen und vertikaler Vermischung im Nordatlantik, sowie deren zeitlicher und räumlicher Variabilität.

Vertikale Verteilung von Wolkenkondensationskernen in marinen und kontinentalen Luftmassen in Europa und ihre Verbindung zur Wolkentropfenanzahlkonzentration in warmen Wolken

Die Anzahl der verfügbaren Wolkenkondensationskerne (CCN) beeinflusst maßgeblich die mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften, wie z.B. die Wolkentropfenanzahlkonzentration (CDNC) und deren Größenverteilung. CDNC und die Tropfengröße steuern sowohl die Strahlungseigenschaften als auch die Lebensdauer von Wolken. Dies wirkt sich komplex auf die Energiebilanz der Erde aus. Aktuelle Klimamodelle basieren häufig auf Annahmen über CCN Anzahlkonzentrationen und andere CCN bezogene Eigenschaften (z.B. Hygroskopizität), da für viele Regionen auf der Erde repräsentative Daten fehlen. Wenn vorhanden, handelt es sich bei diesen CCN Daten um bodengebundene Messungen, welche somit nicht - mit Ausnahme von Bergstationen - in der für Wolkenbildungsprozesse relevanten Höhe durchgeführt wurden. Für die Karibikregion wurde gezeigt, dass die bodengebundenen CCN Messungen für die gesamte marine Grenzschicht repräsentativ zu sein scheinen also auch für die Wolkenbildungsregionen. Im hier vorgeschlagenen Projekt wollen wir überprüfen, ob bodengebundene CCN Messungen auch in anderen Erdregionen repräsentativ sind für die CCN Anzahl in der Wolkenbildungsregion, und wenn ja, unter welchen Bedingungen. Dies würde die Anwendung von CCN Daten in Modellen stark vereinfachen. Dazu wird die Gültigkeit der Beobachtungen in der Karibik, in zwei gegensätzlichen Umgebungen getestet werden, einmal in einer marinen und einmal in einer kontinentalen Umgebung. Die Messkampagne zu marinen CCN soll auf den Azoren (Portugal) durchgeführt werden. Wir werden kontinuierlich verfügbare CCN Daten von der Azoren Eastern Nordatlantik (ENA) Station auf der Insel La Graciosa (auf Meereshöhe) mit Daten von der Bergstation Pico (Pico Island, 2225 m ü.d.M.) kombinieren. Ergänzend werden CCN und CDNC Messungen auf der Helikopter-Messplattform (ACTOS) durchgeführt, um die vertikale Lücke zwischen den Meeresspiegel- und Bergmessungen zu schließen. Die kontinentalen bodengebundenen CCN Messungen werden kontinuierlich an der ACTRIS Station Melpitz durchgeführt. Die vertikale CCN und CDNC Verteilung wird in Melpitz mit Hilfe eines Ballons in mehreren einwöchigen Kampagnen einmal pro Jahreszeit gemessen werden. Darüber hinaus werden wir mit Hilfe der Aerosol-Wolken-Wechselwirkungsmetrik (ACI) die in der Wolke in-situ gemessen CCN Eigenschaften (das heißt Anzahl und Hygroskopizität) mit den CDNC quantitativ verbinden. Es wird außerdem eine Sensitivitätsstudie mit einem Cloud-Parcel Model durchgeführt, welches durch die realen Messungen in der Atmosphäre angetrieben werden wird. Dies wird einen Einblick in das Übersättigungsregime von frisch gebildeten Wolken gewähren.Die CCN Daten selbst, die Erkenntnisse zu CCN Eigenschaften und ihrer vertikalen Verteilung sowie die quantitative Verbindung zwischen CCN und CDNC werden im Hinblick auf das Verständnis und die Modellierung der Wolkentropfenaktivierung sowie der mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften von außerordentlichem Wert sein.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1006: Bereich Infrastruktur - Internationales Kontinentales Bohrprogramm, Teilprojekt: Die Verknüpfung von terrestrischen und marinen Ökosystemreaktionen auf Klimaschwankungen seit der letzten Zwischeneiszeit in südosteuropäischen Refugien (Ohridsee und Golf von Korinth)

Dieses hybride ICDP/IODP-Projekt hat zum Ziel: (a) die empfindliche Vegetationsreaktion von zwei Zufluchtsorten auf der Balkanhalbinsel (Ohrid/ICDP im Norden und Korinth/IODP im Süden) im letzten Klimazyklus auf hundertjähriger Skala zu verbinden, (b) die Lead-Lag-Beziehungen zwischen terrestrischen und marinen Ökosystemen auf globale Klimaschwankungen auf lokaler und regionaler Ebene in bestimmten stratigraphischen Horizonten seit der letzten Zwischeneiszeit zu untersuchen. Die beiden Untersuchungsgebiete liegen in Schlüsselpositionenen im östlichen Mittelmeerraum, der sehr empfindlich auf abrupte Klimaschwankungen reagiert und es erlaubt, Einflüsse sowohl aus höheren (z. B. Nordatlantik) als auch aus niedrigeren Breitengraden (z. B. afrikanischer Monsun) nachzuweisen. Die Bestimmung der Zusammensetzung, Fülle und der Abfolge der Vegetation in den nördlichsten und südlichsten Refugialstandorten des Pindus-Gebirges wird es uns ermöglichen, bioklimatische Schwellenwerte und die Vegetationsdynamik während einer Zeit abrupter Klimaschwankungen mit hoher Amplitude zu rekonstruieren. Neben Vegetationsverschiebungen erfassen Sedimente aus dem Golf von Korinth auch Veränderungen in marinen Ökosystemen. Somit können Lead-Lag-Beziehungen im lokalen Ausdruck der Klimaschwankungen zwischen dem terrestrischen und dem marinen Bereich unter Umgehung chronologischer Unsicherheiten bestimmt werden. Das Verständnis des Zusammenspiels zwischen klimatischen, ökologischen und tektonischen Faktoren auf suborbitaler Ebene innerhalb des Grabensystems wird es uns folglich ermöglichen, das Hauptziel der IODP Exp. 381 zu erreichen. Durch die Untersuchung der Vielfalt und Fülle der gemäßigten Baumarten während der letzten Eiszeit greift dieses Projekt eines der wichtigsten wissenschaftlichen Ziele des SCOPSCO ICDP-Projekts auf, das sich mit Pflanzenresilienz und Schutzstrategien in Südosteuropa befasst.

Seawater carbonate chemistry and benthic foraminifera Ammonia sp. mass, size, and growth rate during experiments, 2013

About 30% of the anthropogenically released CO2 is taken up by the oceans; such uptake causes surface ocean pH to decrease and is commonly referred to as ocean acidification (OA). Foraminifera are one of the most abundant groups of marine calcifiers, estimated to precipitate ca. 50 % of biogenic calcium carbonate in the open oceans. We have compiled the state of the art literature on OA effects on foraminifera, because the majority of OA research on this group was published within the last three years. Disparate responses of this important group of marine calcifiers to OA were reported, highlighting the importance of a process-based understanding of OA effects on foraminifera. We cultured the benthic foraminifer Ammonia sp. under a range of carbonate chemistry manipulation treatments to identify the parameter of the carbonate system causing the observed effects. This parameter identification is the first step towards a process-based understanding. We argue that CO3 is the parameter affecting foraminiferal size-normalized weights (SNWs) and growth rates. Based on the presented data, we can confirm the strong potential of Ammonia sp. foraminiferal SNW as a CO3 proxy.

Seawater carbonate chemistry and seasonal variations of Fucus vesiculosus fertility in the western Baltic Sea

Ocean warming and acidification may substantially affect the reproduction of keystone species such as Fucus vesiculosus (Phaeophyceae). In four consecutive benthic mesocosm experiments, we compared the reproductive biology and quantified the temporal development of Baltic Sea Fucus fertility under the single and combined impact of elevated seawater temperature and pCO2 (1100 ppm). In an additional experiment, we investigated the impact of temperature (0–25°C) on the maturation of North Sea F. vesiculosus receptacles. A marked seasonal reproductive cycle of F. vesiculosus became apparent in the course of 1 year. The first appearance of receptacles on vegetative apices and the further development of immature receptacles of F. vesiculosus in autumn were unaffected by warming or elevated pCO2. During winter, elevated pCO2 in both ambient and warmed temperatures increased the proportion of mature receptacles significantly. In spring, warming and, to a lesser extent, elevated pCO2 accelerated the maturation of receptacles and advanced the release of gametes by up to 2 weeks. Likewise, in the laboratory, maturation and gamete release were accelerated at 15–25°C relative to colder temperatures. In summary, elevated pCO2 and/or warming do not influence receptacle appearance in autumn, but do accelerate the maturation process during spring, resulting in earlier gamete release. Temperature and, to a much lesser extent, pCO2 affect the temporal development of Fucus fertility. Thus, rising temperatures will mainly shift or disturb the phenology of F. vesiculosus in spring and summer, which may alter and/or hamper its ecological functions in shallow coastal ecosystems of the Baltic Sea.

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