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Wechselwirkungen zwischen saisonale arktische Meereisprozessen und Stabilität der Halokline – auf dem Weg zum Verständnis arktischer Gas- und Stoffflüsse

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.

Helicopter-borne Magnetics in the Arctic region

The study of the geodynamic evolution of the Arctic continental margin and opening of the Arctic Ocean represents a primary target of BGR research and is studied within the frame of the CASE programme. In addition to onshore geological investigations, BGR conducts airborne aeromagnetic surveys. The available series contains the results of aeromagnetic surveys from the CASE program as well as cooperation projects (PMAP, NARES & NOGRAM), which were obtained with helicopters or fixed-wing aircraft in the Arctic.

Ökologische Interaktionen zwischen Zoo- und Phytobenthos der Polarmeere unter Berücksichtigung von Abwehrmechanismen gegenüber Fraßdruck

Benthische Makroalgengesellschaften des Nordpolarmeeres bieten vielen Evertebraten Lebensraum, Kinderstube, Schutz und Nahrung. Die zugrundeliegenden ökologischen Interaktionen zwischen Zoo- und Phytobenthos der Arktis sind im Gegensatz zu gemäßigten und tropischen Regionen wenig bekannt. Das Projekt untersucht deshalb erstmalig biologische und chemische Interaktionen zwischen Evertebraten und Makroalgen auf Spitzbergen (KoldeweyStation) unter Berücksichtigung von Abwehrmechanismen gegenüber Fraßdruck. Zu Beginn sollen Freilanduntersuchungen (Taucharbeiten) zur qualitativen und quantitativen Erfassung der mit Makroalgen assoziierten Evertebraten durchgeführt werden, um gezielt herbivore Tiere in anschließenden Fütterungsversuchen als Generalisten, Generalisten mit Präferenz oder Spezialisten zu identifizieren. Ergänzende Biotests dienen dazu, Hinweise auf strukturelle und/oder chemische Eigenschaften der Pflanzen zu erhalten, die den unterschiedlichen Fraß der Herbivoren an verschiedenen Makroalgen-Arten beeinflussen. Von besonderem Interesse sind Untersuchungen zum chemischen Schutz der Algen gegen Fraß, in denen der zugrundeliegende Wirkmechanismus und die chemische Struktur von wirksamen Sekundärmetaboliten in Kooperation mit Naturstoffchemikern bearbeitet werden sollen.

Wie prägen kohärente Luftströmungen den Einfluss des Golfstroms auf die großskalige atmosphärische Zirkulation der mittleren Breiten?

Über dem Nordatlantik und Europa wird die Variabilität der großräumigen Wetterbedingungen von quasistationären, langandauernden und immer wiederkehrenden Strömungsmustern â€Ì sogenannten Wetterregimen â€Ì geprägt. Diese zeichnen sich durch das Auftreten von Hoch- und Tiefdruckgebieten in bestimmten Regionen aus. Verlässliche Wettervorhersagen auf Zeitskalen von einigen Tagen bis zu einigen Monaten im Voraus hängen von einer korrekten Darstellung der Lebenszyklen dieser Strömungsregime in Computermodellen ab. Um das zu erreichen müssen insbesondere Prozesse, die günstige Bedingungen zur Intensivierung von Tiefdruckgebieten aufrecht erhalten, und Prozesse, die den Aufbau von stationären Hochdruckgebieten (blockierende Hochs) begünstigen, richtig wiedergegeben werden. Aktuelle Forschung deutet stark darauf hin, dass Atmosphäre-Ozean Wechselwirkungen, insbesondere entlang des Golfstroms, latente Wärmefreisetzung in Tiefs, und Kaltluftausbrüche aus der Arktis dabei eine entscheidende Rolle spielen. Dennoch mangelt es an grundlegendem Verständnis wie solche Luftmassentransformationen über dem Ozean die großskalige Höhenströmung beeinflussen. Darüber hinaus ist die Relevanz solcher Prozesse für Lebenszyklen von Wetterregimen unerforscht. In dieser anspruchsvollen drei-jährigen Kollaboration zwischen KIT und ETH Zürich streben wir an ein ganzheitliches Verständnis zu entwickeln, wie Wärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre und diabatische Prozesse in der Golfstromregion die Variabilität der großräumigen Strömung über dem Nordatlantik und Europa prägen. Zu diesem Zweck werden wir ausgefeilte Diagnostiken zur Charakterisierung von Luftmassen mit neuartigen Diagnostiken zur Bestimmung des atmosphärischen Energiehaushaltes verbinden und damit den Ablauf von Wetterregimen und Regimewechseln in aktuellen hochaufgelösten numerischen Modelldatensätzen und mit Hilfe von eigenen Sensitivitätsstudien untersuchen. Dazu werden wir unsere Expertise in größräumiger Dynamik und Wettersystemen, sowie Atmosphäre-Ozean Wechselwirkungen â€Ì insbesondere während arktischen Kaltluftausbrüchen â€Ì und der Lagrangeâ€Ìschen Untersuchung atmosphärischer Prozesse nutzen. Im Detail werden wir (i) ein dynamisches Verständnis entwickeln, wie Luftmassentransformationen entlang des Golfstroms die Höhenströmung über Europa beeinflussen, mit Fokus auf blockierenden Hochdruckgebieten, (ii) die Bedeutung von Luftmassentransformationen und diabatischer Prozesse für den Erhalt von Bedingungen, die die Intensivierung von Tiefdruckgebieten während bestimmter Wetterregimelebenszyklen bestimmen, untersuchen, (iii) diese Erkenntnisse in ein einheitliches und quantitatives Bild vereinen, welches die Prozesse, die den Einfluss des Golfstroms auf die großräumige Wettervariabilität prägen, zusammenfasst und (iv) die Güte dieser Prozesse in aktuellen numerischen Vorhersagesystemen bewerten. Diese Grundlagenforschung wird wichtige Erkenntnisse zur Verbesserung von Wettervorhersagemodellen liefern.

CASE Outcrop Data (WMS)

The web service of the dataset comprises the locations of outcrops with respective information on the lithology, stratigraphy, rock age and tectonic data collected during the CASE expeditions. The data attributes include stereographic projections and sketches of tectonic structures derived from the outcrop data. At the end of the 1980s, BGR initiated the research program Circum-Arctic Structural Events (CASE) to reconstruct the plate tectonic processes during the evolution of the Arctic Ocean using terrestrial data from the surrounding continental margins. One of the scientific questions of the CASE programme is as simple as it is complex: How did the Arctic Ocean, this large basin between the Eurasian and North American continental plates, develop? There are still no conclusive answers to this question in terms of plate tectonics. In contrast to the marine expeditions of geophysicists in the Arctic Ocean, geologists on land along the various coastal areas of the Arctic Ocean can directly touch, examine and map rocks, structures, folds and fault zones and determine the respective ages of the movements. This makes it possible to directly compare rock units and deformation zones on different continental plates and thus also to reconstruct when these plates collided, how long they remained next to each other and when and how they separated again. Since the inception of BGR’s Arctic research, the primary focus and research areas have been along the continental margins between Spitsbergen and the Canadian Arctic Archipelago via Greenland, to the Yukon North Slope on the border with Alaska. On the opposite side of the Arctic Ocean, there have been expeditions to Yakutia, the mainland areas near the Laptev Sea, the New Siberian Islands and to the Polar Ural with Russian partners. An important method for the interpretation of the geological evolution of the Arctic is the examination of tectonic structures (faults, folds, cleavage etc.), the determination of the kinematics and the age of the tectonic movements.

Multibeam bathymetry processed data (dataset compilation) of RV POLARSTERN & RV MARIA S. MERIAN during 44 cruises from 1984 to 2024, Fram Strait, Greenland Sea, Arctic Ocean

The Long-Term Ecological Research observatory HAUSGARTEN was established by the Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in the Fram Strait in summer 1999 to detect and track the impact of large-scale environmental changes on the marine ecosystem in the transition zone between the northern North Atlantic and the central Arctic Ocean. In this area, bathymetric data have been recorded with multibeam echosounders during 44 research expeditions on RV Polarstern and RV Maria S. Merian since 1984. From these data, a digital elevation model was generated and geostatistical analyses were performed to calculate geospatial derivatives and quantitative terrain descriptors for subsequent terrain analyses and habitat mapping. The dataset covers an area from 78°N to 81°N and 6°W to 12°E. To create the data product, archive data was used from seven different multibeam echosounders in various raw data formats. This data has been processed and cleaned with CARIS HIPS & SIPS, including sound velocity correction for datasets from 1999 and newer. Older datasets are calculated with a static sound velocity of 1500 m/s. Soundings where exported for gridding with Generic Mapping Tools (GMT) nearneighbor. The resulting Digital Elevation Model (DEM) is in the WGS84/Arctic Polar Stereographic (EPSG:3995) projection with a cell size of 100m x 100m. The hillshade was computed with a combination of slope and synthetic illumination with a vertical exaggeration of 10. Slope inclination was calculated with GDAL tool Slope with the formula of Zevenbergen and Thorne (1987) in degree. Terrain Ruggedness Index (TRI) was computed with the QGIS tool Ruggedness index following the approach of Riley et al. (1999) in meters. For the Bathymetric Position Indices (BPI), focal statistics have been calculated with the GRASS tool "r.neighbors" and the QGIS raster calculator following the concept of the Topographic Position Index (Weiss, 2001) with a circular reference area of 99 cells (broad) and 9 cells (fine). The additional coverage polygon layer gives and overview on the used datasets and their corresponding metadata. The map gives an overview on the LTER HAUSGARTEN area and the HAUSGARTEN 2024 DEM.

Clay and heavy minerals and total organic carbon in Arctic Ocean surface sediments – Data tables to distribution maps of Stein (2008)

Total organic carbon (TOC) and mineral assemblages are key data sets determined to characterize marine sediments in terms of sediment provenances, processes, and depositional environments. In a comprehensive review and synthesis (Stein, 2008), such data were compiled for Arctic Ocean surface sediments and shown in nine selected distribution maps: four maps of clay minerals (illite, smectite, chlorite, and kaolinite), four maps of heavy minerals (amphibole, clinopyroxene, epidote, and garnet), and one TOC map. The data used to produce these maps, are represented in the three tables of this data report. For details in background information and methodology see primary source literature cited here as well as the Stein (2008) synthesis.

Cell densities of the Arctic diatom Thalassiosira gravida in response to temperature, photoperiod and microbiome presence

In March 2023, cell densities of the Arctic diatom Thalassiosira gravida (isolated from the Central Arctic Ocean) were determined to calculate its growth rates at different temperatures and photoperiods in the presence and absence of its natural microbiome. Therefore, a full-factorial experimental design was chosen with two levels of temperature (9°C; 13.5°C) and photoperiod (16h; 24h), to which axenic and xenic diatom cultures were acclimated for one week in climate cabinets prior to the start of the actual growth experiment at a light intensity of 50 µmol photons m-2 s-1. With an initial cell density of 1500 cells/ml, axenic and xenic diatoms were grown under the respective experimental conditions until a cell density of approximately 15000 cells/ml was reached. Cell densities were determined microscopically using an inverted light microscope, following the procedure described in detail in Giesler et al. (2023, 10.3389/fmars.2023.1244639).

Nitrogen isotope and biomarker data during Late Paleocene–early Eocene

This dataset compiles raw measurements generated to investigate perturbations of the marine nitrogen cycle during the Paleocene–Eocene Thermal Maximum (PETM). It includes abundances of isoprenoidal GDGTs (isoGDGTs) and crenarchaeol mass accumulation rates, (ii) chromatographic peak areas of bacteriohopanetetrol (BHT) and BHT-x, and (iii) the nitrogen isotopic composition of bulk sediments (bulk sediment δ¹⁵N). Samples were collected from multiple ocean basins and regions: the Central Arctic Ocean (IODP 302–M0004), East Tasman Plateau in the Southwest Pacific (ODP Site 1172), Central Northern Caucasus (Kheu River), the New Jersey Shelf/Atlantic Coastal Plain (ODP 174AX Ancora), the Côte d'Ivoire–Ghana Transform Margin in the equatorial Atlantic (ODP 959), the Southeast Newfoundland Ridge in the central North Atlantic (IODP 1403), Fur Island, Denmark (Fur Formation), and the Tarim Basin, western China (Qimugen Formation). Lipid biomarker data were obtained using liquid chromatography coupled to mass spectrometry, and bulk nitrogen isotope data were measured by elemental analysis coupled to isotope-ratio mass spectrometry.

Helicopter-borne Magnetics NARES I + II (Kane Basin)

In May/June 2001, as part of the expedition NARES I, an aeromagnetic survey was carried out in the area of the eastern Kane Basin in cooperation with the Canadian GSC, in addition to the survey over the Robeson Channel and parallel to marine geophysical investigations with the Canadian icebreaker Louis S. St. Laurent. Another survey, NARES II, was conducted from Alexandra Fiord in 2003 and covered coastal areas of Ellesmere Island and the western Kane Basin. The aim of the research was to detect and localize the Wegener Fault, a transform fault between Ellesmere Island and NW Greenland, which is closely linked to the opening of the North Atlantic and the Arctic Ocean. The helicopter-borne magnetic surveys NARES I + II (Kane Basin) were carried out with a flight line spacing of 2 km, and control profiles were flown every 10 km. During the two expeditions, 11806 km of line data were collected (3573 km in 2001, and 8333 km in 2003), covering an area of approximately 20000 km². The aeromagnetic data were recorded by a magnetometer, which was towed approx. 25 m beneath the helicopter.

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