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Struktur und Abundanz oligotropher Bakterien in Nord- und Südpolarmeer

Der Antarktische Ozean ist mit Chlorophyllgehalten von weniger als 0,3 my g per Liter und Primärproduktionsraten von weniger als 50 mg C pro m2 pro Tag extrem nährstoffarm oder ultraoligotroph. In den Wintermonaten mit kaum messbarer Photosynthese werden die biologischen Umsetzungen im Pelagial im wesentlichen von den Bakterien dominiert. So konnten obligat und fakultativ oligotrophe Bakterien als die dominante Population über den Gunnerus- und Astrid-Rücken im Antarktischen Ozean nachgewiesen werden. Sie machten hier mit etwa 10 Prozent der gesamten Bakterienzahlen einen beträchtlichen Anteil der kultivierbaren Bakterien aus. Der Arktische Ozean ist dagegen starken terrestrischen Einflüssen durch die Einträge größerer Wasserfrachten von sibirischen Flüßen ausgesetzt. Maximale Produktionsraten von 1320 mg pro m2 pro Tag wurden im Sommer in der Frobisher Bay, Kanada, gemessen. Die Chlorophyllkonzentrationen im Meerwasser schwankten in Abhängigkeit der Wassertiefe zwischen 0,22 und 1,4 my g pro Liter im nördlichen Foxe Basin, im östlichen Teil der kanadischen Arktis. Von 9 Stationen in der Framstraße und der westlichen Grönlandsee konnten obligat oligotrophe Bakterien nur an einer Station nachgewiesen werden. Die Abundanz und Struktur oligotropher Bakteriengemeinschaften in Nord- und Südpolarmeer soll nun mit klassischen und molekularbiologischen Methoden eingehender untersucht werden. Es wird erwartet, dass nach Anreicherung der oligotrophen Bakterien in der Dialysekammer durch den Einsatz der Laserpinzette und Einzelzellkultivierungen der Anteil und die Diversität der oligotrophen Isolate erheblich vergrößert werden können.

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.

Helicopter-borne Magnetics NARES I (Robeson Channel)

During the German-Canadian Nares Strait Expedition in 2001, an aeromagnetic survey was carried out across the northern part of the Nares Strait including the Hall Basin, Judge Daly Promontory and in Robeson Channel in cooperation with the Canadian GSC. 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 survey NARES I (Robeson Channel) was carried out with a flight line spacing of 2 km, and control profiles were flown every 10 km. During the expedition, 5470 km of line data were collected. The aeromagnetic data were recorded by a magnetometer, which was towed approx. 25 m beneath the helicopter and recorded at a constant altitude of 305 m (1000 ft) above ground.

A validation data set of phytoplankton pigment concentrations and phytoplankton groups measured on water samples collected from various expeditions

This data set composes quality controlled in situ measurements of eight major pigments based on HPLC collected from various expeditions from 2016 to 2023. There are two subsets: subset 1 is the test dataset (99 matchups) extracted from and takes up 30 % of a global in situ PFT matchup data set, while the other 70 % was used for the retuning of the PFT algorithm for Sentinel 3 OLCI sensors. Subset 1 spans from 2016 to 2021 and is part of the global data set described in Xi et al. (2023): https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.954738. Subset 2 containing 134 matchups is a newly compiled dataset that composites in situ PFT data collected from four recent mostly polar expeditions with the research vessel Polarstern (Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, 2017), that are PS126 (May–June 2021), PS131/1 (June–Aug 2022) and PS136 (May–June 2023) in the north Atlantic to the Arctic Ocean, and PS133 (Oct–Nov 2022) in the Southern Ocean. The in situ PFT data were derived from quality-controlled HPLC pigment concentrations using diagnostic pigment analysis (DPA) with updated pigment-specific weighting coefficients following Xi et al. (2023). This published data set has been used to validate satellite PFT products generated for the EU funded Copernicus Marine Service (CMEMS, https://marine.copernicus.eu/), which are derived from multi-sensor ocean color reflectance data and sea surface temperature using an empirical orthogonal function based approach (Xi et al. 2020; 2021).

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.

Charakterisierung von Mineralstaub-Deposition mit hoher Zeitauflösung im Hinblick auf Partikelgröße, Zusammensetzung und atmosphärische Alterung an für ein atmosphärisch-ozeanisches Staubbudget relevanten Standorten

Nass- und Trockendeposition sind die wesentlichen Prozesse, die Mineralstaub aus der Atmosphäre entfernen. Teragramm Mineralstaub werden pro Jahr interkontinental verfrachtet. Erreicht Staub weitab von seiner Quelle wieder die Erdoberfläche, kann er erheblichen Einfluss auf Ökosysteme haben. Insbesondere ozeanische Ökosysteme sind in ihrer Bioproduktivität nährstofflimitiert. Diese Nährstoffe können durch Mineralstaub eingetragen werden. Trotz der Bedeutung der Deposition sind Messungen bislang rar, und Staubmodelle, die sich an den wenigen Messungen validieren, zeigen erhebliche Fehler. Hauptsächlich der Mangel an geeigneten Messdaten behindert im Moment das weitergehende Verständnis des Staubzyklus. Fehlende standardisierte Messtechnik zur Trockendepositionsmessung erschwert bislang gute Datenerfassung. Daher wird ein neuer automatisierter Nass- und Trockendepositionssammler entwickelt und charakterisiert. Der Sammler wird mit meteorologisch relevanter Zeitauflösung (Stunden bis Tage) betrieben und damit einen großen Nachteil vergangener Messungen beheben, nämlich eine Zeitauflösung von meist Wochen bis Monaten. Durch den Einsatz automatisierter rasterelektronenmikroskopischer Einzelpartikel-Analyse wird ein bisher unerreichter Daten-Detailreichtum für Partikelgrößen von 700 nm bis 100 mym zur Verfügung stehen, einschließlich Partikelgrößenverteilung, Elementzusammensetzung und Partikel-Mischungszustand. Besondere Aufmerksamkeit wird potentiellen Nährstoffen wie Fe, P, K, Mg und Ca gewidmet. Für ausgewählte Proben wird weiterhin Partikel-Hygroskopizität bestimmt.Nach der Testphase auf der Insel Frioul, Frankreich, während der der Sammler im Vergleich zur dort existierenden Zeitreihe validiert wird, werden drei Instrumente an Stationen in Betrieb genommen, die für Staubeintrag in die relevant Ozeane sind: Sao Vicente, Kap Verde und Barbados im Saharischen Ausfluss so wie Heimaey, Island, im arktischen Staub. In einer zweiten Phase (nach dem vorliegenden Projekt) soll das Netzwerk dann erweitert werden durch New Island, Falkland im südamerikanischen Ausfluss, Amakusa, Japan im asiatischen Ausfluss und die Insel Amsterdam zwischen dem südafrikanischen und dem australischen Ausfluss. Zum ersten Mal werden aus diesem Projekt kontinuierliche Zeitreihen der Nass- und Trockendeposition von Mineralstaub zur Verfügung stehen, die tägliche bzw. Ereignis-basierte Zeitauflösung und zudem Partikel-Größenauflösung bieten. Hieraus werden atmosphärische Schlüsselfaktoren abgeleitet, die zur Deposition führen. Weiterhin wird eine Partitionierung zwischen Nass- und Trockendeposition und ihr Größenverteilung von Nährstoffen - insbesondere P und Fe - untersucht. Partikel-Mischungszustand und Form werden durch ein Mischungsmodell und Bildanalyse bestimmt. Eine öffentliche Datenbank wird bereitgestellt, die z. B. für Modellvalidierung zu Verfügung steht. Es ist geplant, die Stationen nach Ende der DFG-Finanzierungphase weiter zu betreiben.

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