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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).

Horizontale Variabilität von arktischem Meereis, Dynamik der Atmosphäre, Aerosol, Spurengasen und Strahlung auf der km-Skala zur Untersuchung der Interaktionsprozesse der Erdsystem-Kompartimente während der Schmelzsaison (HELiPOD4ArtofMelt)

Das Projekt HELiPOD4ArtofMelt hat als übergeordnete Ziele, zum Verständnis des Einflusses von Warmluft-Einbrüchen auf die arktische Atmosphäre beizutragen, und Prozesse und Wechselwirkungsmechanismen zu verstehen, die zum räumlich inhomogenen Einsetzen des Schmelzprozesses von arktischem Meereis führen. Die Methode besteht in der Analyse von fluggestützten Messdaten, die während der Expedition Art of Melt des schwedischen Eisbrechers Oden im atlantischen Einflussbereich des Arktischen Ozeans im Mai/Juni 2023 erhoben werden. Dafür kommt die Hubschrauber-Schleppsonde HELiPOD zum Einsatz mit einer Vielzahl an Sensoren, um die räumliche Verteilung der Eigenschaften von Meereis, atmosphärischer Dynamik, Aerosol, Spurengasen und Strahlungsbudget in einem Radius von 100 km um die Oden zu charakterisieren. Zusätzlich werden weitere komplementäre Sensoren der internationalen Teilnehmer der Oden-Expedition in HELiPOD integriert, z.B. Messungen der Isotopenverteilung von Wasserdampf, um Evaporationsprozesse zu untersuchen, Bestimmung der Eiskeime, um ein Bindeglied zu Wolkeneigenschaften herzustellen, Sensoren für die Konzentration von Kohlenstoffmonoxid und Ruß, sowie Filtermessungen für zusätzliche mikroskopische Analysen im Labor. Es sind lange Flugabschnitte in niedrigen Höhen (ca. 15-20 m) geplant, um die Austauschprozesse zwischen Ozean, Meereis und Atmosphäre zu untersuchen, sowie Vertikalprofile zur Messung der atmosphärischen Stabilität und der vertikalen Verteilung und Variabilität der Parameter. Der Datensatz an gleichzeitig erhobenen Messgrößen ermöglicht es, Zusammenhänge und Wechselwirkungen zu quantifizieren. So kann z.B. eine Fläche mit einem größeren Anteil an Schmelztümpeln direkt in Zusammenhang gebracht werden mit Veränderungen bei fühlbaren und latenten Wärmeflüssen, Veränderungen bei der Größenverteilung und Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln und Veränderungen der Energiebilanz auf kleinen räumlichen Skalen. Nach der finalen Aufbereitung des großen Datensatzes wird die räumliche Variabilität der verschiedenen Parameter untersucht, um ein dreidimensionales Bild auf einer Skala von unter 1 km bis 100 km zu erhalten. Bei den Analysen mit den internationalen Partnern steht die Charakterisierung von sogenannten „Atmosphärischen Flüssen“ im Vordergrund, also von Zirkulationsmustern, die warme und feuchte Luftmassen in den arktischen Polarwirbel transportieren. Die damit assoziierten Eigenschaften und Veränderungen der Grenzschicht, wie z.B. die Veränderung der Temperaturprofile und Wärmeflüsse, werden untersucht, die letztendlich zum Abschmelzen des Meereises beitragen. Außerdem werden die Prozesse und Wechselwirkungen untersucht, die zum räumlich und zeitlich inhomogenen Einsetzen des Schmelzens von Meereis führen, basierend auf den fluggestützten Messungen, den kontinuierlichen Messungen auf der Oden, und unter Berücksichtigung des Netzwerks an Observatorien in der Arktis, wie in Spitzbergen, Grönland und Nordskandinavien.

Ostracodenfaunen und ihre Klappenchemie in hohen Breiten: Paläozeanographische Eichung über benthische Foraminiferenfaunen und deren Gehäusechemie

Vorrangiges Ziel des Projekts ist die Erfahrung der modernen benthischen Ostracodenfauna des Südatlantiks und angrenzenden Sektors des zirkumpolaren Ringozeans sowie die Kartierung ökologischer Präferenzen einzelner Arten im Ver- und Abgleich mit bereits untersuchten Umweltansprüchen benthischen Foraminiferenfaunen. Weiterhin werden die Verhältnisse der stabilen Sauerstoff- und Kohlenstoffisotope der Gehäuseklappen ausgewählter Ostracodenarten mit denen benthischer Foraminiferengehäuse aus denselben Proben und mit den entsprechenden Sauerstoffisotropenwerten Werten des Wassers sowie den Kohlenstoffisotopenwerten des gelösten anorganischen Kohlenstoffs des Bodenwassers verglichen. Ebenso werden die Mg- und Sr-Gehalte von benthischen Ostracodenklappen bestimmt und wieder mit denen benthischer Foraminiferen aus denselben Proben verglichen. Während Faunenzusammensetzungen im Nordatlantik uns Spurenelementverteilungen von Ostracoden bereits erfolgreich zur paläozeanographischen Rekonstruktion und zur Paläotemperaturbestimmung eingesetzt wurden, steht die Interpretation der Isotopenverhältnisse und deren Nutzung als paläozeanographische Proxies noch am Anfang. Die Ergebnisse aller Analysen aus Südatlantik und Weddellmeer sollen mit den Ergebnissen aus Nordatlantik und Nordpolarmeer verglichen werden. Aus der Faunenzusammensetzung und Gehäusechemie mariner benthischer Ostracoden abgeleitete Proxyparameter müssen dann vermutlich nachgereicht werden. Auch eine umgekehrte Anpassung etablierter Proxies aus benthischen Foraminiferen ist möglichl. In jedem Falle wird die Aussagekraft und Vertrauenswürdigkeit paläoozeanographischer und -klimatischer Rekontstruktionen entscheidend verbessert.

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.

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.

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