The magnetosphere of a planet is controlled by a number of factors such as the intrinsic magnetic field, the atmosphere and ionosphere, and the solar wind. Different combinations of these control factors are at work at the terrestrial planets Mercury, Venus, Earth, and Mars, hence they form a very suitable set for quantitative comparative studies. A significant intrinsic dipolar magnetic field is present only on Earth and on Mercury. However, the configuration at Mercury differs considerably from that at Earth because Mercury does not support an atmosphere and ionosphere, the dipolar field is much weaker, the solar wind denser, and the interplanetary magnetic field stronger. Both Mars and Venus have atmospheres but lack a global planetary magnetic field, with regional crustal magnetization being present on Mars. This proposal aims at investigating and comparing electrical current systems in the space environments of terrestrial planets using magnetic vector data collected by orbiting spacecraft such as Venus Express, Mars Global Surveyor, CHAMP (Earth), and MESSENGER (Mercury). We propose to construct data-driven and physically meaningful representations that reveal and quantify the influence of various control factors. To achieve this, we will tailor Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis and other multivariate methods to the specifics of planetary magnetic field observations. In contrast to representations that build on predefined functions like spherical harmonics, basis functions in the EOF approach are derived directly from the data. EOFs are designed to extract dominant coherent variations for further interpretation in terms of known physical phenomena, and then, in a regression step, for modeling using suitable control variables. The EOF methodology thus allows quantifying the relative importance of control factors for each planet individually, and thus contributes to the solution of topical science questions. The resulting empirical models will facilitate comparative studies of current systems at the terrestrial planets.
Submarine Hangrutschungen stellen ein bedeutendes Risiko für Offshore-Infrastrukturen und Küstengebiete dar, da sie zum Beispiel gefährliche Tsunamis auslösen können, wie der Storegga Slide vor der Küste Norwegens. Neben anderen Präkonditionierung für Hangrutschungen, wie steile Hangneigung oder Überdruck in den Porenräumen der Sedimente verursach im Zusammenhang mit Eiszeiten, wurde die Auflösung von Gashydraten in vielen Studien diskutiert. Die weltweite räumliche Überscheidungen von submarinen Hangrutschungen und Gashydratvorkommen hat zu der Hypothese geführt, dass die Auflösung von Gashydraten in Zeiten von Meeresspiegelsenkung oder Erderwärmung eine Hangrutschung auslösen kann. Dieser Prozess entfernt die zementierenden Gasyhdrate aus den Porenräumen und das frei werdende Gas verursacht zusätzlichen Überdruck . Obwohl Studien mithilfe von numerischen Modellierungen gezeigt haben, dass diese Hypothese realistisch ist, konnte die Forschung keine geologischen oder geophysikalischen Beweise dafür finden, dass dieser Prozess wirklich eine Hangrutschung ausgelöst hat. Außerdem zeigen verschiedene Studien, dass viele submarine Hangrutschungen retrogressiv sind und auf dem mittleren bis unteren Kontinentalhang ausgelöst werden. Diese Beobachtung lässt vermuten, dass andere Prozesse die Rutschungen auslösen. Davon abgesehen gibt es keinen Zweifel, dass Gashydrate die geotechnischen Eigenschaften von Sedimenten stark beeinflussen. Daher ist es wichtig ihren Einfluss auf die Hangstabilität weiter zu untersuchen und neue Hypothesen zu testen. Das übergeordnete wissenschaftliche Ziel dieses Antrags ist es, (1) die globale Relevanz von Gashydratgefüllten Rissen für Hangstabilität zu ergründen und (2) den Einfluss von Scherfestigkeitsvariationen auf Störungsverläufe und Stressmerkmale, wie z.B. Bohrlochausbrüche, zu verstehen. Bis jetzt war es nicht möglich gewesen, den Zusammenhang zwischen Gashydraten und Hangstabilität herzustellen, da ein umfangreicher Datensatz aus geotechnischen, geologischen und geophysikalischen Daten aus einem Gebiet mit Gashydrate verursachten Rutschungen nicht verfügbar war. Die IODP Expedition 372 hat dies geändert. Uns stehen jetzt Logging-While-Drilling Daten und Sedimentkerne von dieser Expedition zur Verfügung, genauso wie ein hochauflösender 3D Seismik Datensatz, der mit dem GEOMAR P-Cable System im Jahre 2014 aufgezeichnet wurde. Diese Daten im Zusammenhang mit einer Scherzelle für Gashydrathaltige Sedimente auf dem neusten Stand der Technik am GEOMAR, die es erlaubt die Deformation der Probe live mit einem 4D X-ray CT zu beobachten, wird es uns ermöglichen, einen Entscheidenden Schritt vorwärts in der Gashydrat- und Hangstabilitätsforschung zu machen.
The geomagnetic field shields our habitat against solar wind and radiation from space. Due to the geometry of the field, the shielding in general is weakest at high latitudes. It is also anomalously weak in a region around the south Atlantic known as South Atlantic Anomaly (SAA), and the global dipole moment has been decreasing by nearly 10 percent since direct measurements of field intensity became possible in 1832. Due to our limited understanding of the geodynamo processes in Earths core, it is impossible to reliably predict the future evolution of both dipole moment and SAA over the coming decades. However, lack of magnetic field shielding as would be a consequence of further weakening of dipole moment and SAA region field intensity would cause increasing problems for modern technology, in particular satellites, which are vulnerable to radiation damage. A better understanding of the underlying processes is required to estimate the future development of magnetic field characteristics. The study of the past evolution of such characteristics based on historical, archeo- and paleomagnetic data, on time-scales of centuries to millennia, is essential to detect any recurrences and periodicities and provide new insights in dynamo processes in comparison to or in combination with numerical dynamo simulations. We propose to develop two new global spherical harmonic geomagnetic field models, spanning 1 and 10 kyrs, respectively, and designed in particular to study how long the uninterrupted decay of the dipole moment has been going on prior to 1832, and if the SAA is a recurring structure of the field.We will combine for the first time all available historical and archeomagnetic data, both directions and intensities, in a spherical harmonic model spanning the past 1000 years. Existing modelling methods will be adapted accordingly, and existing data bases will be complemented with newly published data. We will further acquire some new archeomagnetic data from the Cape Verde islands from historical times to better constrain the early evolution of the present-day SAA. In order to study the long-term field evolution and possible recurrences of similar weak field structures in this region, we will produce new paleomagnetic records from available marine sediment cores off the coasts of West Africa, Brazil and Chile. This region is weakly constrained in previous millennial scale models. Apart from our main aim to gain better insights into the previous evolution of dipole moment and SAA, the models will be used to study relations between dipole and non-dipole field contributions, hemispheric symmetries and large-scale flux patterns at the core-mantle boundary. These observational findings will provide new insights into geodynamo processes when compared with numerical dynamo simulation results.Moreover, the models can be used to estimate past geomagnetic shielding above Earths surface against solar wind and for nuclide production from galactic cosmic rays.
Der Bergbau ist seit dem Altertum bekannt und liefert Edelmetalle, Kohle, Mineralien und Gesteine, die wirtschaftlich und industriell genutzt werden, sowie Baumaterialien. Trotz vieler positiver Auswirkungen auf die Menschheit hat der Bergbau eine der schädlichsten Auswirkungen auf die Umwelt. Bei dem Problem der Umweltverschmutzung durch den Bergbau handelt es sich in vielen Fällen um den Akkumulationseffekt von jahrzehntelangen oder sogar jahrhundertelangen Aktivitäten an bestimmten Orten. Das Ziel des vorgeschlagenen Forschungsprojekts ist es, magnetische Parameter zu ermitteln, die Veränderungen in der Ausbreitung der Verschmutzung in Böden in der Umgebung von Bergbauabfällen steuern, die nach der Schließung des Bergbaus jahrelang verlassen wurden. Dies geschieht durch den Vergleich von vier historischen Bergbaugebieten in Polen und Deutschland. Das Projekt befasst sich mit der Verteilung von Schwermetallen (HM), die aus Abraumhalden in die nähere Umgebung sickern. Es ist bekannt, dass viele große Verschmutzungsquellen wie Kraftwerke, Schmelzwerke und Bergbaubetriebe neben schädlichen HM auch eisenhaltige magnetische Mineralien wie Magnetit und Maghemit freisetzen. Daher bietet das vorgeschlagene Projekt einen neuen, interdisziplinären und bisher ungenutzten Ansatz zur Untersuchung der vertikalen und horizontalen Verteilung von HMs, die mit magnetischen Partikeln assoziiert sind, unter Verwendung von zwei sich ergänzenden Methoden: die Anisotropie der ferromagnetischen Suszeptibilität, die die bevorzugte Ausrichtung der magnetischen Körner und damit die Richtung der HMs-Migration anzeigt, und die Methode der Bodenleitfähigkeit (GCM-EM), die ein Maß für die Fähigkeit des Wassers ist, den elektrischen Fluss durch gelöste Ionen (einschließlich HMs) aufzuzeichnen. Dazu werden in-situ-Messungen der magnetischen Suszeptibilität, des vertikalen Gradienten des Magnetfeldes und der GCM-EM sowie eine detaillierte Beprobung von Bodenprofilen für Anisotropieanalysen durchgeführt. Der Gehalt an HMs wird durch magnetische Parameter abgeschätzt, die proportional zur Konzentration der magnetischen Partikel sind, die mit HMs assoziiert sind. Diese Untersuchungen werden durch geochemische und statistische Standardanalysen unterstützt Das erwartete Ergebnis des Projekts ist die Bestimmung der Schadstoffausbreitungswege und -senken. Die räumliche Verteilung der HM-Belastung ist in hohem Maße fallabhängig und wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst; daher werden die lokale Topographie, die klimatischen und meteorologischen Bedingungen, der Boden und die Vegetation sowie die menschlichen Aktivitäten im Rahmen des Projekts sorgfältig geprüft. Darüber hinaus wird das Projekt das Verständnis der vom Menschen verursachten Bodenbildungsprozesse und der Ausbreitung der Metallverschmutzung verbessern und gleichzeitig eine neue Methode zur Verfolgung der Kontamination entwickeln. Außerdem wird es die potenziellen Umweltauswirkungen historischer Bergbauabfälle bewerten.
Durch DynaDeep wird ein Verständnis der Funktionsweise und Relevanz des Land-Meer Übergangs im Untergrund von Hochenergiestränden gewonnen werden. Wir nehmen an, dass dieser einen hoch dynamischen Bioreaktor und einzigartiges mikrobiologisches Habitat darstellt und Netto-Stoffflüsse in Richtung Meer stark beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen werden sechs Teilprojekte gemeinsam Felduntersuchungen und experimentelle Arbeiten durchführen und diese mit mathematischen Modellen integrativ kombinieren. P1 wird Grundwasserströmungs- und -transportprozesse als Funktion hydro- und morphodynamischer Randbedingungen untersuchen. Wir postulieren, dass die gegenwärtigen Konzepte zur Grundwasserströmung und Salzverteilung in subterranen Ästuaren unter Tideeinfluss für Hochenergiebedingungen nicht anwendbar sind. Stattdessen erwarten wir dynamische und variable Änderungen von Salinitäten, Fließrichtungen und Aufenthaltszeiten. P1 wird die Strandmorphologie mit Hilfe von Kameraaufnahmen, Laserscannern und Drohnen untersuchen und diese mit numerischen Modellen kombinieren, um typische Adaptionszeiten und -skalen der Strandmorphologie abzuleiten. Durch nicht-invasive geophysikalische Methoden werden die Salzverteilungsmuster im Untergrund zu verschiedenen Zeiten abgeleitet werden. Umwelttracer werden genutzt, um Aufenthaltszeiten im Untergrund zu bestimmen. Morphologische, hydro(geo)logische und geophysikalische Daten des STE Online Observatory dienen der Erstellung numerischer Modelle, die Grundwasserströmung und Salztransport abbilden. Die Kenntnis der Verteilung von Wasserkörpern und -grenzflächen, Fließgeschwindigkeiten, Aufenthaltszeiten und des Ausmaßes der Mischung im Untergrund bildet die Grundlage für die biogeochemischen Untersuchungen in den Teilprojekten P2-P6.
Electrical conductivity is a key parameter in models of magnetic field generation in planetary interiors through magneto-hydrodynamic convection. Measurements of this key material parameter of liquid metals is not possible to date by experiments at relevant conditions, and dynamo models rely on extrapolations from low pressure/temperature experiments, or more recently on ab-initio calculations combining molecular dynamics and linear response calculations, using the Kubo-Greenwood formulation of transport coefficients. Such calculations have been performed for Fe, Fe-alloys, H, He and H-He mixtures to cover the interior of terrestrial and giant gas planets. These simulations are computationally expensive, and an efficient accurate scheme to determine electrical conductivities is desirable. Here we propose a model that can, at much lower computational costs, provide this information. It is based on Ziman theory of electrical conductivity that uses information on the liquid structure, combined with an internally consistent model of potentials for the electron-electron, electron-atom, and atom-atom interactions. In the proposal we formulate the theory and expand it to multi-component systems. We point out that fitting the liquid structure factor is the critical component in the process, and devise strategies on how this can be done efficiently. Fitting the structure factor in a thermodynamically consistent way and having a transferable electron-atom potential we can then relatively cheaply predict the electrical conductivity for a wide range of conditions. Only limited molecular dynamics simulations to obtain the structure factors are required.In the proposed project we will test and advance this model for liquid aluminum, a free-electron like metal, that we have studied with the Kubo-Greenwood method previously. We will then be able to predict the conductivities of Fe, Fe-light elements and H, He, as well as the H-He system that are relevant to the planetary interiors of terrestrial and giant gas planets, respectively.
Whether primordial bodies in the solar system possessed internally-generated dynamos is a fundamental constraint to understand the dynamics and timing of early planetary formation. Paleointensity studies on several meteorites reveal that their host planets possessed magnetic fields within an order-of magnitude of the present Earths field. Interpretation of paleointensity data relies heavily on fundamental knowledge of the magnetic properties of the magnetic carriers, such as the single to multidomain size threshold or how the saturation magnetization varies as a function of grain size, yet very little knowledge exists about these key parameters for some of the main magnetic recorders in meteorites: the iron-nickel alloys. Moreover, most meteorites have experienced some amount of shock during their histories, yet the consequence of even very small stresses on paleointensity data is poorly known.We wish to fill these gaps by magnetically characterizing Fe-Ni alloys as a function of grain size and by determining how absolute and relative paleointensity data are biased by strain levels lower than those petrologically observable (less than 4-5 GPa). For example, our preliminary work shows that an imposed stress of 0.6 GPa will reduce absolute paleointensity estimates by 46Prozent for single domain magnetite-bearing rocks. In general, paleointensity determinations possess inherent disadvantages regarding measurement precision and the inordinate amount of human time investment. We intend to overcome these limitations by extending and improving our fully automated magnetic workstation known as the SushiBar.
2D- und 3D-Modelle der Konvektion und Schmelzprozesse in Mars, Venus und ähnlichen Einplattenplaneten werden mit Modellen der Mineralogie und thermoelastischen Eigenschaften des Mantels kombiniert, um die Entwicklung dieser Planeten seit der Erstarrung des Mantels vor 4.4-4.5 Mrd. Jahren zu simulieren und gewisse geologische Strukturen auf ihrer Oberfläche zu erklären. Von besonderem Interesse sind die Stabilität ihrer Lithosphären, die verschiedenen vulkanischen Strukturen auf der Venus und die Bildung zweier anscheinend langlebiger vulkanischer Zentren auf dem Mars. Zentrale Aspekte sind der Einfluss von Phasenübergängen von Mantelmineralen auf globale Konvektionsmuster und die Dynamik von Mantelplumes sowie der Einfluss von Spurenkomponenten (Radionuklide und flüchtige Bestandteile) und ihre Umverteilung durch Konvektion, Schmelzen und Vulkanismus. Angesichts der begrenzten Kenntnis der Zusammensetzung und des Mantel-Kern-Verhältnisses werden gewisse Modellparameter wie die Dicke des Mantels, das Verhältnis von Magnesium und Eisen und der Radionuklid- und Wassergehalt variiert. Desweiteren werden die Bedeutung der Oberflächentemperatur und, im Fall von Mars, der Effekt lateraler Temperatur- und Dickevariationen in der Lithosphäre wie sie z.B. von der Krustendichotomie verursacht werden sowie die Rolle alter chemischer Heterogenitäten erkundet. Dabei sollen auch Parameterkombinationen einbezogen werden, die nicht für Mars oder Venus relevant, aber von allgemeinem Interesse z.B. im Hinblick auf Exoplaneten sind. Die Modelle werden geophysikalische und geochemische Observablen ergeben, die mit realen Beobachtungen verglichen werden können.
Die teilweise submarine Campi Flegrei Caldera (CFC) (Süditalien) gilt als eine der aktivsten Calderen weltweit und steht daher im Fokus von Öffentlichkeit und Wissenschaft gleichermaßen. Dementsprechend wurde sie auch zum Thema der ICDP und IODP Programme. Während das ICDP Projekt (CFDDP) bereits genehmigt und eine Pilotbohrung erfolgreich abgeteuft wurde (12/2012), existiert zum dazugehörigen IODP Projekt zurzeit nur einen Bohrvorschlag (671). Um das amphibische Bohrvorhaben zu unterstützen, wurden in den letzten Jahren zwei mehrkanalseismische (MKS) Datensätze in italienisch-deutscher Kooperation gesammelt. Im Hinblick auf das Bohrprojekt ist ein niederfrequenter 3D MKS Datensatz (25 m Profilabstand, 20-200 Hz) von besonderer Bedeutung. Diese tiefeindrigenden Seismik liefert erstmals Informationen über die tiefe Caldera-Geometrie (ca. 2-3 km) in der ICDP-IODP Zieltiefe. Die Akquise dieser neuen Daten zusammen mit dem aktiven ICDP Bohrvorhaben sowie umfangreicher zusätzlicher Forschung motivierte die Ausführung eines weiteren Magellan Workshops (02/2017), mit dem Ziel den amphibischen Bohransatz revitalisieren.Während der Original Antrag darauf abzielte ausgewählte, ICDP-IODP relevante MKS Profile zu prozessieren und interpretieren um einen amphibischen ICDP-IODP Bohrantrag vorzubereiten, fokussiert sich dieser 24-monatige Folgeantrag auf die Bearbeitung des gesamten niederfrequenten 3D Datensatzes (156 Profile). Solch eine 3D Vorgehensweise ermöglicht eine beispiellose Untersuchung aller Facetten der tiefen Calderastockwerke sowie des magmatischen-hydrothermalen Systems. Diese Studie schafft somit die Voraussetzungen ICDP-IODP Bohrresultate über eine große Fläche interpolieren und verbinden zu können. Schlussendlich ermöglicht eine solch integrative Herangehensweise ein 3D Abbildung des Calderasystems, welche unser gesamtes Verständnis von Calderavulkanismus revolutionieren könnte.Die Ziele des beantragten Projekts folgen Empfehlungen vom dem 2017 Magellan Workshop und sind eng verbunden mit dem ICDP-IODP Vorhaben. Wissenschaftlich liegt der Hauptfokus auf dem Verständnis von (1) Eruptionsmechanismen von gigantischen calderaformenden Vulkanausbrüchen, (2) der Verbindung von flachen hydrothermal-magmatischen Strukturen und Prozessen im tiefen Untergrund, sowie (3) den Unterschieden zwischen terrestrischer und mariner vulkanischer Aktivität. Um die Ziele zu erfüllen, muss zunächst ein sorgfältiges 3D MKS Prozessing und eine Analyse durchgeführt werden. Basierend darauf sollen dann wichtige Charakteristika wie beispielweise Ignimbritablagerungen, magmatische Features, Vulkangebäuden, hydrothermal modifizierte Zonen, Aufstiegswege, Störungszonen, die maximale Mächtigkeit der Calderafüllung, sowie ungestörte sedimentäre Ablagerungen kartiert werden. Schlussendlich sind die Resultate des vorliegenden Antrags essentiell für die finale Platzierung des abgelenkte ICDP Bohrloch sowie der marinen IODP Bohrungen.
Relative Meeresspiegelschwankungen resultieren aus dem Zusammenspiel von Eustasie, Isostasie, Tektonik und Subsidenz. Die Rekonstruktion des holozänen Meeresspiegels erlaubt es sowohl vertikale Landbewegungen als auch geophysikalische Modelle zu Glazialen Isostatischen Ausgleichsbewegungen (GIA) zu definieren, welche im Gegenzug benutzt werden um instrumentelle Meeresspiegelmessungen an Gezeitenpegeln zu korrigieren. Dementsprechend repräsentieren regionale Daten zu relativen Meeresspiegelschwankungen während des Holozäns, welche auf der Grundlage von standardisierten Protokollen erhoben wurden, den Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen zu Meeresspiegelschwankungen des vergangenen Jahrhunderts und die Grundlage für eine Bewertung von lokalen und regionalen Meeresspiegelschwankungen während des 21ten Jahrhunderts. Obwohl es für einige Gebiete genaue Daten zu holozänen Meeresspiegelschwankungen gibt sind Rekonstruktionen für Südostasien, einer vom zukünftigen Meeresspiegelanstieg hoch gefährdeten Region, noch immer begrenzt und im Bezug auf die korrekte Interpretation von Meeresspiegelanzeigern, deren Höhenbezug zu Normalnull und die Qualität der Altersbestimmungen, fragwürdig. Das übergeordnete Ziel dieses Antrags ergibt sich daher aus der Frage: Wie können wir unser Verständnis über relative Meeresspiegelschwankungen während des Holozäns in Südostasien und die damit in Zusammenhang stehenden Prozesse verbessern? Um diese Frage zu beantworten werden wir veröffentlichte Meeresspiegeldaten neu Auswerten und einem standardisierten Ansatz entsprechend in einer Datenbank zusammentragen. Diesen Datensatz werden wir anschließend mit den Forschungsergebnissen von einigen Inseln im Spermonde Archipel, einer vom zukünftigen Meeresspiegelanstieg hoch gefährdeten Region, ergänzen. Im Anschluss an die Geländearbeit werden wir einen umfassenden Datensatz an geophysikalischen Modellen erstellen welche sowohl auf den Ergebnissen der Datenbank, als auch auf den neu erhobenen Geländedaten beruhen und welche statistische Unsicherheiten im Bezug auf das gewählte Eismodell und die Mantelviskosität beinhalten. Dies wird es uns ermöglichen die volle Bandbreite von GIA Signalen zu erfassen und den Bereich zu definieren welcher am besten zu den geologischen Geländedaten passt. Die Geländedaten werden außerdem auf der Grundlage eines Bayes'schen Ansatzes statistisch ausgewertet um potentielle Muster innerhalb der holozänen Meeresspiegelschwankungen zu entdecken. Die Resultate der statistischen Auswertung werden mit den Ergebnissen einer Satellitenbildauswertung bezüglich der Bevölkerungsdichte und Landnutzungsmustern auf den Inseln im Spermonde Archipel gegengeprüft. Nicht zuletzt durch die enge Zusammenarbeit mit weltweit führenden Experten auf internationaler Ebene wird innerhalb dieses Projekts ein Doktorand in allen Bereichen der Meeresspiegelforschung ausgebildet, von Labor und Geländetechniken bis hin zur geophysikalischen Modellierung und Datenauswertung.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 228 |
| Wissenschaft | 226 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 228 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 228 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 164 |
| Englisch | 110 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 11 |
| Webseite | 217 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 219 |
| Lebewesen und Lebensräume | 186 |
| Luft | 53 |
| Mensch und Umwelt | 227 |
| Wasser | 138 |
| Weitere | 228 |