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Vergangene und zukünftige Entwicklung der Eismassen auf Svalbard - Klimaantrieb und Telekonnektionen

Der Klimawandel ist eine der Hauptherausforderungen für die Menschheit im 21. Jahrhundert. Seine Auswirkungen sind vielschichtig wobei der anwachsende Massenverlust von Gletschern außerhalb der großen Eisschilde sowie deren bedeutender Beitrag zum Meeresspiegelanstieg zu den am stärksten hervorstechenden zählt. Diesbezüglich sind die Gletscher und Eiskappen der Arktis aufgrund ihres großen Volumens und ihrer großen Oberfläche, die als Kontaktfläche zum Klima- und Ozeanantrieb und damit zum Klimawandel selber fungiert, von besonderer Bedeutung. Da die Arktis darüber hinaus diejenige Region der Erde mit dem höchsten, prognostizierten, zukünftigen Temperaturanstieg ist, wird erwartet, daß sich die Bedeutung der arktischen Eismassen für den Meeresspiegelanstieg auch in Zukunft fortsetzt oder sogar noch steigern wird.Die großen Gletscher der Nordpolarregion umgeben den arktischen Ozean in ähnlichen Breitenlagen, weisen aber in jüngster Zeit ein inhomogenes Verhalten auf. Diese Tatsache legt eine räumliche Variabilität der klimatischen und ozeanischen Antriebsmechanismen der Gletschermassenbilanz innerhalb der zirkumarktischen Regionen nahe und offenbart damit die Diversität der Einflüsse des Klimawandels. Bezüglich der Variabilität der Antriebsmechanismen weist Svalbard in der Arktis eine einzigartige Lage auf. Es liegt an der Grenze zwischen kalten, polaren Luftmassen und Ozeanwassern und den Einflüssen des Westspitzbergenstroms, welcher der hauptsächliche Warmwasserlieferant für das arktische Umweltsystem ist. Darum verspricht das Erforschen der Reaktionen der Gletscher auf Svalbard auf die Veränderlichkeit des Klima- und Ozeanantriebs bedeutende Einblicke in die komplexe Kausalkette zwischen Klimawandel, der Variabilität der Klima- und Ozeanbedingungen in der Arktis und der Reaktion der arktischen Landeismassen. Das Ziel des Projektes ist es eine zuverlässige Abschätzung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der klimatischen Massenbilanz aller Gletscher und Eiskappen auf Svalbard zu erreichen und diese mit dem Klima- und Ozeanantrieb in Verbindung zu setzen. Dazu wird ein räumlich verteiltes, von statistisch downgescalten Klimadaten angetriebenes Model zur Berechnung der klimatischen Massenbilanz aufgesetzt. Die Massenbilanz aller Gletscherflächen auf Svalbard wird für den Zeitraum 1948-2013 modelliert und die zeitlich variablen Felder von Ablation, Akkumulation, wiedergefrorenem Schmelzwasser und klimatischer Massenbilanz für anschließende geostatistische Studien genutzt. Diese Studien werden potentielle Einflüsse der raumzeitlichen Variabilität von großräumigen Mustern des Luftdrucks, der Meereisbedeckung und der Meeresoberflächentemperatur auf die Variabilität der Gletschermassenbilanz auf Svalbard identifizieren und analysieren. Auch Telekonnektionen zu fernen Modi der atmosphärischen Zirkulation werden durch Studien bezüglich der potentiellen Einflüsse verschiedener atmosphärischer Zirkulationsindizes in die Betrachtungen einbezogen.

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.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Polare Fische und der globale Wandel: Wie beeinflussen multiple Umweltressoren den Stoffwechsel arktischer & antarktischer Fische?

Ozeanerwärmung, -versauerung und die Umweltverschmutzung, nehmen zunehmend Einfluss auf die arktische und antarktische Umwelt. Antarktische, stenothermen Fische haben sich evolutionär an die dortigen stabilen Umweltbedingungen angepasst, welche z.B. genetische und funktionellen Veränderungen beinhalten. Diese könnten u.a. die Anpassungsmöglichkeiten antarktischer Fische gegenüber Umweltveränderungen beeinträchtigen. Vergleichsweise dazu leben arktische, gadoide Fische in einem Gebiet mir größeren Umweltschwankungen. In Anbetracht desen wird sich die Klimaveränderung wahrscheinlich unterschiedlich auf Arktische und Antarktische Fische auswirken.Das Herz-Kreislaufsystems stenothermer Fischarten ist prinzipiell nur geringfügig auf Umweltveränderungen zu reagieren. Hierbei stellt die Herzfunktion einen Schlüsselfaktor dar. Studien deuten des Weiteren auf negative und interagierende Einflüsse von Ozeanerwärmung- und versauerung auf Embryos und Larvalen polarer Fischarten hin. Die Exposition der Fische gegenüber mehreren, kombinierten Umweltstressoren kann zudem zu Verschiebungen im Energiehaushalt führen. Diese können eine verringerte Energieverfügbarkeit für andere, lebensnotwendige Funktionen zur Folge haben.Der Antrag befasst sich mit der Frage, wie sich die Umweltstressoren anthropogene Umweltverschmutzung, Klimaerwärmung und Ozeanversauerung auf den Energiestoffwechsel verschiedener Lebensstadien arktischer und antarktischer Fische auswirkt. Die Kernfragen lauten:Beeinträchtigt das Zusammenspiel multipler Stressoren den Schadstoffstoffwechsel polarer Fische? Verursachen multiple Stressoren eine Verschiebung im Energiehaushalt arktischer und antarktischer Fische? Wie beeinflussen Schadstoffe die aerobe und Herzfunktion der verschiedenen Entwicklungsstadien polarer Fische?Was für negative Folgen könnten aus ökologischer Sicht für arktische Gadoiden und antarktische Notothenioiden draus resultieren?Der Antrag soll ein grundsätzliches Verständnis für molekulare, mitochondriale, zellulare und Stoffwechselprozesse schaffen, welche der Anfälligkeit polarer Fische gegenüber Umweltstressoren zugrundeliegen. Als Maß für evolutionäre Anpassungsfähigkeit sollen die Akklimationskapazitäten der verschiedenen Lebensstadien polarer Fische untersucht werden.Für einen Breitengraden-Vergleich von Toleranzen gegenüber Umweltfaktoren konzentriert sich der Antrag auf ökologisch und biologisch vergleichbare stenotherme Arten. Somit wird eine Datengrundlage geschaffen, um die evolutionär verschiedenen aber gleichermaßen stenothermen arktische und antarktische Fische vergleichen zu können.Die in diesem Antrag eruierte physiologische Empflindlichkeit polarer Fische gegenüber Klimawandel sollen abschließend dazu dienen, die zukünftigen Risiken menschengemachter Umweltrisiken für diese Tiere abgeschätzen zu können. Schließlich wird das Projekt eine Grundlage für Management- und Schutzmaßnahmen polarer Ökosysteme gegenüber fortschreitendem globalen Wandel bilden.

Herkunft von Schelfwasser und Pazifischem Wasser in der arktischen Salzgehaltsschichtung abgeleitet von stabilen Sauerstoffisotopen

Ziel des Projektes ist eine Bestandsaufnahme der Wassermassenverteilung und der Zirkulation im Arktischen Ozean. Stabile Sauerstoffisotopen (delta18O) des Wassers ist ein konservativer Tracer und werden zusammen mit hydrochemischen Daten dazu verwendet das vom Schelf stammende Süßwasser (Flusswasser und Meereis-Schmelze oder Bildung) und die aus dem Pazifik stammende Komponente zu untersuchen. Auf diese Weise wird der Einfluss dieser Wassermassen in der arktischen Salzgehaltsschichtung (Halokline), dem Atlantischen Zwischenwasser und dem Tiefen- und Bodenwasser des Arktischen Ozeans quantifiziert werden. Es ist bekannt, dass die Verteilung der Pazifischen Komponente starken Veränderungen auf dekadischen Zeitskalen unterliegt aber auch in den Süßwasserverteilungen im Transpolaren Drift Strom wurden 2007 starke Variationen beobachtet welche somit auf zusätzliche jährliche Variationen hinweisen. Es ist nicht bekannt ob die 2007 beobachteten Variationen ein permanentes Phänomen sind und ob diese mit dem weitgehenden Fehlen des Pazifischen Wassers in diesem Zeitraum zusammenhängen. Die geplante flächendeckende und quantitative Erfassung der Süßwasserverteilung und des Pazifischen Wassers werden daher dazu beitragen, den Einfluss und die möglichen Rückkopplungsmechanismen der arktischen Hydrographie auf den arktischen und globalen Klimawandel weitergehend zu verstehen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Meereis-Typen in der Antarktis abgeleitet aus Beobachtungen von satellitengestützten Mikrowellensensoren (SITAnt)

Meereis ist eine der Komponenten des Erdsystems, die die schnellsten Veränderungen während der letzten Dekaden zeigten. Zum Beispiel kontrolliert Meereis die Energie- und Gasflüsse zwischen Ozean und Atmosphäre in den Polargebieten. Aufgrund seines hohen Rückstrahlvermögens reflektiert es kurzwellige Strahlung effizient zurück in den Weltraum und beeinflusst das Ökosystem. Während die Meereisfläche in der Arktis mit etwa -4%/Dekade stark abnimmt, nimmt die Meereisfläche in der Antarktis leicht zu (etwa 1.5%/Dekade). Besonders ausgeprägt ist mit -13/Dekade die Abnahme von dickem, mehrjährigem Meereis in der Arktis. Die Fläche von mehrjährigem Eis in der Arktis kann mit Hilfe von satellitengestützten Mikrowellensensoren beobachtet werden. In der Antarktis ist die Fläche mehrjährigen Eises kleiner als in der Arktis aber mit 3 Millionen Quadratkilometern immer noch bedeutend. Zurzeit existiert keine Methode, um die Verteilung und zeitliche Entwicklung von mehrjährigem Eis in der Antarktis auf jahreszeitlichen oder dekadischen Zeitskalen zu beobachten. In diesem Projekt schlagen wir vor, eine Methode zur Bestimmung antarktischer Meereistypen, vor allem mehrjähriges Eis, zu entwickeln.Nach der Sommerschmelze nimmt der Salzgehalt von mehrjährigem Eis ab und damit ändern sich seine dielektrischen Eigenschaften und Porosität. Dadurch wird es möglich, es mit passiven und aktiven Mikrowellensensoren von anderen Eistypen zu unterscheiden. Die Bedingungen in der Antarktis, wie große Schneedicken, die Eis-Flutungen verursachen können, Schnee Schmelz-Gefrier-Zyklen und Meereisdynamik in der Eisrandzone (was zu verstärkter Rückenbildung, kleineren Schollen und Pfannkucheneis führt), erschweren die Unterscheidung von Meereistypen wie mehrjährigem von erstjährigem Eis. Für die Arktis wurden unlängst Methoden entwickelt, um solche Einflüsse, die zu falscher Eistyp-Klassifikation führen, zu verringern. Wir schlagen vor einen Algorithmus zur Bestimmung von Meereistypen inklusive zweier Korrekturmethoden, die schon an der Universität Bremen auf arktisches Meereis angewendet wurden, an die Bedingungen von antarktischem Meereis anzupassen und zu erweitern. Die vorgeschlagenen Methoden beruhen auf kombinierten Mikrowellen-Radiometer und -Scatterometer Beobachtungen für die Eistyp-Unterscheidung und auf Meereisdrift und atmosphärischen Reanalysedaten für die Korrekturmethoden. Das Ergebnis wir die erste zirkumpolare, langfristige Zeitserie von antarktischen Eistypen sein (mehrjähriges und erstjähriges Eis und potentiell auch junges Eis).

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.

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.

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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