Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.
Im Lauf der letzten Dekaden wurde für große Teile der Arktis eine signifikante Erwärmung der Erdoberfläche und des oberflächennahen Untergrunds beobachtet. Deren Folgen zeigen sich bereits heute - beispielsweise in einer Ausbreitung der Buschvegetation und einer Vertiefung der saisonalen Auftauschicht. In Anbetracht der Bedeutung von Änderungen in Permafrostregionen für Umwelt, Infrastruktur und Klimasystem besteht ein dringender Bedarf, Parameter dieses Raumes großflächig zu bestimmen und kontinuierlich zu überwachen. Durch die Weite und spärlichen Besiedelung der Arktis sind diese Umweltdaten jedoch nur unzureichend verfügbar und ihre Erhebung ist kostenintensiv. In diesem Kontext können fernerkundliche Daten einen wichtigen Beitrag leisten; Flugzeug- und Satellitengestützte Systeme ermöglichen eine effiziente und flächendeckende Aufnahme von Oberflächeneigenschaften. Ziel des Projekts ist die Identifizierung und Quantifizierung von Zusammenhängen zwischen Eigenschaften der Erdoberfläche, welche durch Fernerkundung abgeleitet werden können, und Eigenschaften des Untergrunds, die den Zustand von Permafrostgebieten charakterisieren. Basierend auf diesen Ergebnissen ist ein weiteres Ziel die Erstellung von konzeptionellen Modellen, welche die Verschränkung und Verbindung von Umwelt-Parameter zeigen. Die Arbeiten werden in einem skalenübergreifenden Multi-Sensor-Ansatz durchgeführt. Der Fokus wird dabei auf die Identifizierung der Kopplungen zwischen Oberfläche und Untergrund, sowie auf den Einfluss des Betrachtungsmaßstabs gelegt. Als fernerkundliche Daten stehen zur Verfügung: (1) grob aufgelöste optische und thermische Satellitendaten, (2) mittel-aufgelöste Radar- und Multi-Spektraldaten und (3) hoch-aufgelöste Thermal-, Hyperspektral- und Laserscanner-Daten von regionalen Befliegungen. Die Charakterisierung des Untergrunds erfolgt mittels (1) geomorphologischer Kartierung, (2) Zeitreihen-Analyse der Temperatur und Bodenfeuchte aus abgeteuften Sensoren, (3) Ground Penetrating Radar (GPR) und (4) elektrischen Widerstandsmessungen. Fernerkundliche Daten der Erdoberfläche und geophysikalische Daten zum Untergrund werden mit multivariaten statistischen Methoden analysiert - mit dem Ziel Zusammenhängen zwischen Oberflächen- und Untergrund-Parametern des periglazialen Systems zu identifizieren und zu quantifizieren. Als Untersuchungsgebiete wurden die Mackenzie Delta Region und das Peel Plateau identifiziert. Beide Regionen liegen in Nord Kanada und zeigen innerhalb geringer Distanzen verschiedenartige, durch Permafrost geprägte Ökosysteme. Zudem stehen durch Vorstudien Daten zur Verfügung; zum einen Referenzdaten von Feld-Kampagnen und zum anderen Satellitenbilder verschiedener Sensoren. Darüber hinaus wird vom Alfred Wegener Institut eine Befliegung dieser Gebiete geplant und finanziert. Das Flugzeug wird mit einer vielfältigen Instrumentenauswahl bestückt; u. a. ein flugzeuggetragenes GPR, ein Laserscanner und eine hyperspektral Kamera.
Most human activity in the Arctic takes place along permafrost coasts, making them a key interface. They have become one of the most dynamic ecosystems on Earth because permafrost thaw is now exposing these coasts to rapid change: change that threatens the rich biodiversity, puts pressure on communities that live there and contributes to the vulnerability of the global climate system. NUNATARYUK will determine the impacts of thawing coastal and subsea permafrost on the global climate, and will develop targeted and co-designed adaptation and mitigation strategies for the Arctic coastal population. NUNATARYUK brings together world-leading specialists in natural science and socio-economics to: (1) Develop quantitative understanding of the fluxes and fates of organic matter released from thawing coastal and subsea permafrost; (2) Assess what risks are posed by thawing coastal permafrost, to infrastructure, indigenous and local communities and people's health, and from pollution; (3) Use this understanding to estimate the long-term impacts of permafrost thaw on global climate and the economy. NUNATARYUK will be guided by a Stakeholders' Forum of representatives from Arctic coastal communities and indigenous societies, creating a legacy of collaborative community involvement and a mechanism for developing and applying innovative evidence-based interventions to enable the sustainable development of the Arctic.
Die starke Klimaerwärmung in der Arktis führt zum Auftauen des Permafrostbodens und bedroht damit sowohl das Gleichgewicht von Ökosystemen als auch die Stabilität wichtiger Infrastrukturen. Das Forschungsprojekt PermaRisk wird ein neuartiges Modell für die Simulation von Erosions- und Massenbewegungsprozessen in Permafrostlandschaften entwickeln. Mit Hilfe dieser Technologie werden die Risiken der Klimaerwärmung in der Arktis erstmalig realistisch bewertet werden können. Landoberflächenmodelle, mit denen Prozesse in Permafrostlandschaften simuliert werden, sind momentan nicht in der Lage, Erosions- und Massenbewegungsprozesse darzustellen. Modellrechnungen zur zukünftigen Entwicklung des Permafrostes sind daher mit erheblichen Unsicherheiten belegt. Folgende Forschungsfragen sind daher bislang nicht beantwortet und stehen im Mittelpunkt des vorliegen Projekts: 1. Wie verändert sich die Intensität von Erosion und Massenbewegungen durch die Klimaerwärmung? 2. Welche Auswirkungen haben zukünftige Erosion und Massenbewegungen auf Infrastruktur und Ökosystemfunktionen wie die Bereitstellung von Energie, Wasser und Nährstoffe in der Arktis? 3. Welche Wechselwirkungen sind zwischen den Erosionsprozessen und dem Klima zu erwarten? Um diese kritischen Fragen zu beantworten, müssen die Fähigkeiten von Landoberflächenmodellen deutlich erweitert und verbessert werden.
Die wissenschaftlichen Ziele des Teilprojekts Teilprojekt 2 sind eine verbesserte modellhafte Beschreibung der Permafrost-Kohlenstoffdynamik sowie die Durchführung verschiedener Projektionsrechnungen zur Bestimmung von Treibhausgasfreisetzung durch Permafrostdegradation. Es soll die zentrale Frage beantwortet werden, unter welchen Erwärmungsszenarien sich die heutige Kohlenstoffsenke der terrestrischen sibirischen Arktis in eine Kohlenstoffquelle wandeln kann, und welchen Beitrag diese Treibhausgasfreisetzung zum globalen Treibhausgaseffekt liefert. In Zusammenarbeit mit Kollegen vom MPI-M, welche die Arbeiten am Landoberflächenmodell JSBACH übernehmen, wird MPI-BGC für dieses Teilprojekt atmosphärische inverse Modellierungen durchführen, welche mit den Modellen des MPI-M verknüpft werden. Die Forschungsschwerpunkte im Rahmen des 2. Teilprojekts von KoPF werden auf Modellentwicklung, Sensitivitätsanalysen, und Modellevaluierung gelegt. Der Arbeitsplan des MPI-BGC Teils von TP2 umfasst die folgenden Aufgaben: Inversionsrechnungen sollen in einem ersten Schritt Treibhausgasbilanzen für das Zielgebiet erstellen, welche als Vergleichsprodukt zum Landoberflächenmodell (MPI-M) den alleinigen Blickpunkt der Atmosphäre widerspiegeln. In einem zweiten Schritt werden wir die atmosphärische Inversion zur Evaluierung des verbesserten JSBACH Modells einsetzen. Hier ist das primäre Ziel, mittels geostatistischer Verfahren systematische räumliche und zeitliche Abweichungen zwischen dem Landoberflächenmodell und der atmosphärischen Perspektive zu identifizieren, und somit mögliche strukturelle Einschränkungen im Hinblick auf die größerskalige Repräsentativität von JSBACH zu verbessern.
Permafrost ecosystems in the high Northern latitudes are estimated to store about 1700 Petagram of carbon, which is roughly 50% of the total global belowground carbon, or about double the amount currently contained in the global atmosphere. Future climate projections indicate a strong warming potential for these regions over the next century, which may significantly alter the biogeochemical processes governing the carbon cycle, and thus holds the potential to partly destabilize and release these enormous existing carbon reservoirs. At the same time, the database on carbon exchange fluxes between surface and atmosphere is sparse compared to the size of the region, and significant gaps exist concerning e.g. the coverage of specific landscape units, or observations during the cold season. As a consequence, many processes within the permafrost carbon cycle remain poorly understood, leading to large uncertainties in climate model simulations for this region. To close existing gaps in both flux Arctic flux databases and process understanding, integrated monitoring and modeling tools are required that provide insight into feedback mechanisms between permafrost ecosystems and climate change. This project will establish year-round observation systems in the permafrost region that integrate over multiple spatiotemporal scales to capture carbon flux variability from local to continental levels. The obtained information will be used to identify causal links between environmental drivers and patterns in carbon fluxes based on an integrated framework of atmospheric transport modeling, multivariate statistics, geostatistical inversion and biogeochemical process modeling. The resulting insights into biogeochemical mechanisms will help to improve process representation in modeling frameworks, with the overarching objective to reduce uncertainties in climate projections.
Mit dem Verbundprojekt 'KoPf' wird ein Konsortium aus sechs deutschen und neun russischen Forschungseinrichtungen im Rahmen von vier Teilprojekten die Auswirkungen von Klimaänderungen auf den Kohlenstoffkreislauf in Permafrost beeinflussten Landschaften untersuchen. In enger deutsch-russischer Kooperation werden die Untersuchungen in Sibirien durchgeführt, der Region mit den weltweit größten Permafrostgebieten. Aufgrund ihrer Sensitivität gegenüber Klimaänderungen und ihres gleichzeitig bedeutsamen Einflusses auf das Klima werden die Permafrostgebiete als eines der wichtigsten Kippelemente des globalen Klimasystems angesehen. Eine Erwärmung des Permafrostes führt zur Zunahme der saisonalen Auftautiefe und damit zu einer erhöhten Bildung klimarelevanter Spurengase durch verstärkten mikrobiellen Abbau von Permafrost-Kohlenstoff. Um die modelbasierten Projektionen des Effektes von tauendem Permafrost auf das Klimasystem und dessen Rückkopplungen zu verbessern, sollen im Rahmen von 'KoPf' die Auswirkungen der Permafrost-Degradation auf die Veränderung der Landoberfläche und der Kohlenstoffflüsse zwischen terrestrischen Landoberflächen und der Atmosphäre in der sibirischen Arktis quantifiziert werden. Das Verbundprojekt wird damit erheblich zum Verständnis der zukünftigen Entwicklung von Permafrostlandschaften im Zuge einer globalen Erwärmung und deren Auswirkungen auf den Kohlenstoff- und Spurengashaushalt beitragen.
Die Hauptaufgabe des Projekts besteht darin, den Einfluss von Permafrosttauen auf die, sich unter Klimawandel ändernde, Netto-Kohlenstoffbilanz der hohen Breiten abzubilden. Zuerst soll das zu verwendende Landoberflächenmodell JSBACH für die Darstellung von besonders relevanten Prozessen der Permafrost-Kohlenstoff-Dynamik verbessert werden. Danach soll das Modell für verschiedene Szenarienrechnungen zukünftiger Erwärmung angewendet werden, um zu beurteilen, wie deutlich und zu welchem Zeitpunkt die Freisetzung von Kohlenstoff aus auftauendem Permafrost den globalen Temperaturanstieg verstärkt. Im Rahmen der Analysen soll untersucht werden, ob das Ökosystem der sibirischen Arktis von einer gegenwärtigen Kohlenstoffsenke in eine zukünftige Quelle übergehen kann. Zum Einsatz wird das MPI Erdsystemmodell (MPI-ESM) in der CMIP-6 Konfiguration kommen. Zu Projektbeginn sollen Beobachtungsdatensätze zu Kohlenstoffvorkommen und -verteilung in Permafrostböden genutzt und in geeigneter Weise in das Modell implementiert werden, um eine verbesserte Modellinitialisierung zu ermöglichen. Des Weiteren soll auf das im Teilprojekt TP3 erzielte Wissen über die spezifische Zersetzbarkeit organischen Materials in sibirischen Böden angewendet werden, um ein verbessertes Tuning des Bodenkohlenstoffmodells zu ermöglichen. Sensitivitäts-Modellläufe sollen den Einfluss dieser Parameter auf Größe und zeitliche Dynamik der Kohlenstofffreisetzung aus Permafrostböden verdeutlichen. Eine Validierung von MPI-ESM hinsichtlich der Abbildung von Methanflüssen in Sibirien soll auf der Basis von Invers-Modellierungsergebnissen erfolgen. Die zentralen Modellsimulationen zur Quantifizierung des Rückkopplungsmechanismus durch Permafrost-Kohlenstoff werden dann für unterschiedlich starke anthropogene Emissions-Szenarien (SSP2.6 bis SSP8.5) durchgeführt, wobei die Modellsimulationen den Zeitraum bis zum Jahr 2300 abdecken sollen.
In TP3 (J. Rethemeyer, Uni Köln; G. Mollenhauer, AWI) des Verbundvorhabens erfolgt eine Bestimmung der Zusammensetzung und mikrobiellen Umsatzbarkeit des organischen Kohlenstoffs in Permafrostböden sowie des Kohlenstoffexports in limnische und marine Sedimente mithilfe von 14C als radioaktivem tracer. Schwerpunkte der Kölner Arbeitsgruppe sind 1) die Charakterisierung der Zusammensetzung der organischen Substanz in der Permafrostlandschaft und Identifizierung leicht abbaubarer und stabiler Kohlenstoffpools und 2) die Ermittlung des mikrobiellen Umsatzes fossiler und rezenter Permafrostablagerungen. Methodisch werden chemische und physikalische Fraktionierungsverfahren in Kombination mit Lipidanalytik und 14C-Datierung angewendet. Zu Projektbeginn erfolgt die Methodenentwicklung für die AMS 14C-Datierung von Lipiden und Gasen und die Planung der Expeditionen in 2014 und 2015. Schwerpunkt in 2014 ist die Auswahl geeigneter Standorte und nachfolgende 14C-Analyse des gesamten organischen Materials und physikalisch/chemisch separierter Fraktionen. In 2015-2016 erfolgt die Identifizierung und 14C-Datierung geeigneter pflanzlicher und mikrobieller Biomarker in den Permafrostablagerungen und in inkubierten Bohrkernproben (TP 5), die Gasprobenahme und anschließende 14C-Analyse sowie die Fortführung der chromatographischen Isolierung und 14C-Datierung mikrobieller Lipide. Es erfolgt eine kontinuierliche Datenauswertung und die Anfertigung von Publikationen.
Auf einem Viertel der nördlichen Hemisphäre befinden sich Permafrostböden. Das Auftauen der Böden in den Sommermonaten führt zu einer Verringerung des Bodenvolumens, wodurch sich die Landoberfläche in vielen Gebieten senkt. Zwar findet während der Gefrierperiode oftmals wieder eine Hebung statt, jedoch konnte in den vergangenen Jahren in einigen Gebieten eine Nettosenkung beobachtet werden. Diese ist auf die ansteigenden Temperaturen und die damit verbundenen höheren Auftauraten zurückzuführen. Die genannten Prozesse bringen schwerwiegende Folgen für die ansässige Bevölkerung und das Ökosystem mit sich. Bisher ist es der Wissenschaft allerdings nicht gelungen, eine Methode zu entwickeln, diese Information in hoher räumlicher Auflösung und quantitativer Genauigkeit für größere Gebiete und flächendeckend bereitzustellen: Die Probleme entstehen dabei in erster Linie durch die Einflüsse der sehr stark variierende Mikrotopographie (cm-dm-Skala), niedrige Vegetationsbedeckung (z.B. Moose) und wechselhaften Oberflächeneigenschaften (wie Wassergehalt) zwischen den einzelnen Radaraufnahmen. PermaSAR versucht dieses Problem mit Hilfe von Referenzmessungen im Testgebiet Trail Valley Creek (Northwest-Territorien, Kanada) zu reduzieren. Dafür sollen während drei Messkampagnen (Frühjahr 2015, Herbst 2015 und Frühjahr 2016) 3D-Modelle der Mikrotopographie mit Hilfe eines terrestrischen LiDAR Systems erstellt werden und genaue Höhendifferenzen durch Messungen mit einem differentiellen GPS und Subsidence-Stationen bestimmt werden. Die Referenzdaten sollen dann dazu dienen eine Methode zu entwickeln, die die Berechnung von Senkungsprozesse in Permafrostgebieten mit differentieller Interferometrie verbessert.
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