Das Schwerpunktprogramm ist multidisziplinär aufgebaut mit den interdisziplinär verwobenen Schwerpunkten:-- Physik und Chemie von Ozean, Eis und Atmosphäre -- Geowissenschaften -- Biowissenschaften. Die Polarregionen sind von großer Bedeutung für moderne Umweltforschung sowie für die Beurteilung von zukünftigen Klimaänderungen und ihren Folgen. Da die Reaktionen in den Polargebieten schneller erfolgen als in temperierten oder tropischen Zonen, gelten sie als Schlüsselgebiete der Erde. Dies gilt auch für die Lithosphärenforschung sowie für die Erforschung von globalen Klimaereignissen, Ozeanen und der Ökologie. Zudem beeinflussen sie das globale Wettergeschehen und den Wärmehaushalt. Während der letzten 45 Millionen Jahre ist Antarktika durch die Plattentektonik klimatisch und ozeanografisch isoliert worden. Der daraus resultierende Klimaeinfluss schuf den antarktischen Zirkumpolarstrom und die Vereisung beider Pole. Dieser Zirkumpolarstrom bildet das größte Zirkulationssystem der Erde. Er beeinflusst die Bildung von antarktischem Tiefenwasser und ist die Heimat für produktive Meereslebensgemeinschaften, die sich an die Extrembedingungen angepasst haben. Im Weddell- und Rossmeer schieben sich die Schelfeise hunderte Kilometer in das Meer hinaus, wobei die physikalischen und biologischen Prozesse unter ihnen unerforscht sind. Das Wasser unter dem Schelfeis besitzt hohe Dichten und fließt den Hang hinunter, um sich in die Tiefsee zu ergießen, wo es wiederum alle Weltmeere durchströmt. Die natürlichen Schwankungen des Erdklimas sind in marinen Sedimenten und in Eiskernen Grönlands und Antarktikas gespeichert. Überraschende Ergebnisse deutscher Forscher zeigten, dass Klimaumschwünge in Zeitskalen von nur Jahren oder Dekaden erfolgten. Ein anderer Aspekt der Klimaforschung betrachtet die Abnahme des polaren Ozons. Kontinuierliche Messungen belegen, dass die Ozonabnahme einhergeht mit einer Zunahme des schädlichen UV-B. Bedingt durch ihre Geschichte und Lage haben sich gerade an den Polen spezielle Habitate ausgebildet, die besonders empfindlich auf solche Störungen reagieren. Deshalb können Klimaänderungen und ihre Auswirkungen hier eher erkannt werden als in anderen Ökosystemen. Zusätzlich stellt die Antarktis mit ihren Organismen einen wichtigen Anteil der Biodiversität. Polarforschung muss deshalb eine Sonderrolle zukommen bei Themen wie z.B. Kontinententstehung und -zerfall, Klimaarchiv und Sensitivität gegenüber Umweltveränderungen.
Langfristige Veränderungen von Gezeiten zählen zu den bemerkenswertesten Facetten der Ozeandynamik. Zur Entschlüsselung dieser Signale wird im vorliegenden Projekt ein mehrschichtiger Modellierungsansatz auf globalen und regionalen Skalen entwickelt, der Meeresspiegelvariationen, Veränderungen der ozeanischen Dichtestruktur und Migrationsbewegungen von antarktischem Schelfeis in klassische Gezeitensimulationen einflechtet. Die Reaktion primärer Partialtiden auf diese Antriebsmechanismen wird in einer ersten Ausbaustufe von ~1970 bis 2015 erarbeitet, wobei hochauflösende barokline (3D) Simulationen im Nordostatlantik und um Australien rigoros in globale barotrope (2D) Vorwärtsläufe eingebettet werden. Die Validierung der Simulationsergebnisse gegenüber robusten und großräumigen Gezeitentrends aus Wasserstandsbeobachtungen legt den Grundstein für konkrete Projektionen von Ozeangezeiten bis zum Jahr 2100 unter Annahme realistischer Emissionsszenarien. Veränderte Randbedingungen in globalen und regionalen Gezeitenläufen einhergehend mit Meeresspiegelanstieg, Ozeanerwärmung und ausdünnendem Schelfeis werden hierzu in konsistenter Weise aus gekoppelten Klimamodellen abgeleitet. Erweiterte barokline und globale Sensitivitätsexperimente liefern einen Überblick über Küstenabschnitte, in denen mit nennenswerten Gezeitenentwicklungen durch großflächige Veränderungen der Dichtestruktur zu rechnen ist. Neben dem reinen Prozessverständnis soll auch Augenmerk auf die Abschätzung von Unsicherheiten der numerisch modellierten Tidenvariabilität in den kommenden Dekaden gelegt werden. Das Projekt ebnet in seiner Gesamtheit den Weg für eine verlässlichere Quantifizierung von säkularen Gezeitensignalen in Anwendungsbereichen (z.B. Küstenschutz) und der Ozeanographie nahestehenden Wissenschaftsdisziplinen.
Mapping and monitoring the break-up events on Wilkins Ice Shelf and identification of mechanisms and processes leading to break-up. Within this activity we integrate various high and moderate-resolution satellite images with special emphasis on SAR data. The analysis covers currently a time period back to 1986 (Landsat TM) with increasing dense time series to present. In close collaboration with the European Space Agency (ESA) and the German Aerospace Center (DLR) acquisition plans for the ENVISAT ASAR and TerraSAR-X instruments are implemented and the respective data analysed. Since September 2009, this activity is supported by a DFG research grant. Main aim is to derive surface velocity fields of the ice shelf and its tributary glaciers by satellite remote sensing as input for icedynamic modelling and fracture mechanical analyses.
Der Weddellwirbel transportiert Wärme zu den Schelfeisen der Antarktis und reguliert die Dichte der Wassermassen, die den untersten Ast der globalen Umwälzzirkulation versorgen. Er stellt somit einen fundmentalen Bestandteil des globalen Klimasystems dar. Jedoch ist sehr wenig darüber bekannt, wie der Weddellwirbel auf langfristige Änderungen des atmosphärischen Antriebs reagieren wird. Der Auftrieb stellt eine wichtige Komponente im Klimasystem dar, da er Quellwassermassen durch Wärmeverluste und durch von Eisschmelze hervorgerufene Süßwassereinträge modifiziert. Während die beobachteten positiven Langzeittrends von Nährstoffkonzentrationen und Salzgehalten auf einen verstärkten Auftrieb hindeuten, könnte die im gleichen Zeitraum beobachtete Reduktion der Aufnahme von anthropogenem Kohlenstoff auf einen verringerten Auftrieb schließen lassen. Zusätzlich zum Auftrieb ist auch die Rolle der turbulenten wirbelbedingten Diffusion von Wärme kaum verstanden, aber möglicherweise von großer Bedeutung. Sie könnte einen wichtigen Mechanismus darstellen, um Wärme vom südlichen Ast des Weddellwirbels sowohl hin zum Zentrum maximaler Auftriebs zu befördern, als auch zu den Schelfeisen der Antarktis, wo die Wärme deren Abschmelzen und somit auch den Meeresspiegelanstieg vorantreiben könnte.Meine Vorarbeiten zeigen, dass Maud Rise eine wichtige Rolle für den Wärmehaushalt des Weddellwirbels spielt, dass aber gleichzeitig die kritischen Prozesse lokal bislang kaum in Feldstudien aufgelöst worden sind. Die Erforschung der Bedeutung von Maud Rise bezüglich des Wärmehaushalts ist von aktueller Bedeutung, da die Weddell-Polynya in 2017 nach vier Dekaden der Abwesenheit direkt über Maud Rise zurückgekehrt ist.Das Ziel von WedUP ist es, die langzeitlichen, großräumigen Änderungen der Zirkulation und des Auftriebs im Weddellwirbel zu bestimmen und deren Auswirkungen auf den Wärmehaushalt des Ozeans zu erforschen. Verbesserte Abschätzungen der räumlich und saisonal schwankenden Eddy-Diffusion sollen Analysen zum Beitrag von wirbelbedingten Wärmetransporten sowohl vom Zentrum des Weddellwirbels als auch zu den Schelfeisen ermöglichen. Abschließend soll eine Fallstudie basierend auf den zuvor erfolgten Auswertungen mit dem Ziel durchgeführt werden, die Rolle des Ozeans für das Auftreten der Weddell-Polynya in 2017 zu erforschen. WedUP wird den umfangreichen Datensatz des Argo-Float Observatoriums nutzen, das eine Abdeckung des Weddellwirbels seit 2002 zu allen Jahreszeiten und auch in von Meereis bedeckten Gebieten gewährleistet. Diese Daten sollen mit seehundgebundenen, schiffsgebundenen, und verankerungsgebundenen Messungen kombiniert werden, um die raumzeitlichen Änderungen des Salzgehalts und der Schichtung in Oberflächennähe zu erfassen. Die Erfassung von Langzeittrends in den Nährstoffkonzentrationen, oberflächennahen Salzgehalten und Radionukliden soll mich in die Lage versetzen, Änderungen der Rate des Auftriebs im Inneren des Weddellwirbels zu bestimmen.
Im südlichen Weddellmeer hat der Energietransfer aus Küstenpolynjen in die Atmosphäre einen großen Effekt auf die atmosphärische Grenzschicht, auf die Meereisproduktion und die damit verbundene Bildung von High-Salinity Shelf Water (HSSW). Die Kenntnis der Fläche der Polynjen, ihrer Bedeckung mit dünnem Eis, der atmosphärischen Antriebsprozesse und der ozeanischen Prozesse sind von großer Bedeutung für die Quantifizierung der Meereisproduktion und der HSSW-Bildung, die einen bedeutenden Antrieb für die globale thermohaline Zirkulation des Ozeans darstellt und die Schmelzraten an der Basis des Filchner-Ronne-Schelfeises entscheidend mitbestimmt. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist die Quantifizierung der Meereisproduktion und HSSW-Bildung im südlichen Weddellmeer für die letzte Dekade (2002-2012). Als neuartigen Ansatz werden wir eine Synergie von Atmosphären- /Meereis- /Ozeanmodellierung und Fernerkundung von Dünneisdicken verwenden. Das Community Climate Model COSMO-CLM wird als Atmosphärenmodell und das FESOM-Modell des AWI wird als Meereis- /Ozeanmodell verwendet. Dünneisdicken abgeleitet aus MODIS-Daten dienen zur unabhängigen Bestimmung von Meereisproduktion und zur Assimilation in FESOM. Die Projektergebnisse sind eine verbesserte Bestimmungen der HSSW- und Meereisproduktion sowie eine Fehlerbestimmung der unterschiedlichen Methoden. Diese Quantifizierung der Meereisproduktion über dem kontinentalen Schelf im südlichen Weddellmeer ist nicht nur für Fragestellungen der Ozeanographie und Meteorologie wichtig, sondern betrifft auch die Robustheit von Klimaprojektionen zur Zukunft der antarktischen Schelfeise und des antarktischen Eisschilds.
Antarktische Schelfeissysteme werden als besonders klimasensitiv eingestuft, da schon geringe Änderungen der Randbedingungen (Meeresspiegelhöhen; Akkumulationsraten) zu einem Vorstoß bzw. Rückzug der Eisfront und zu stellenweisen Gründen bzw. Aufschwimmen des Eiskörpers führen können. Mit einem erweiterten numerischen Schelfeis-Inlandeis-Fließmodell soll die glaziale Entwicklung solcher Systeme für verschiedene Klimaszenarien erstmals detailliert simuliert werden. Dadurch sind neue grundlegende Erkenntnisse über Art und Ausmaß der Auswirkungen unterschiedlicher Veränderungen auf die Fließdynamik und Geometrie des Eiskörpers zu erwarten. Sensitivitätsstudien für Schelfeissysteme mit stark vereinfachter Geometrie sollen dazu beitragen, insbesondere die Rolle von Eiskuppeln, Eishöckern und Bruchstrukturen bei sich ändernden klimatischen/glaziologischen Randbedingungen besser zu verstehen und quantitativ beschreiben zu können. Darauf aufbauend liegt eine weitere Zielsetzung dieses Vorhabens in der Abschätzung der Reaktion des Filchner-Ronne-Schelfeises auf veränderten Massenfluss zwischen Eiskörper und Ozean. Wir gehen davon aus, dass die so gewonnenen Erkenntnisse sich auch auf andere west- und ostantarktischen Saumschelfeise anwenden lassen. Damit wird ein Beitrag zum besseren Verständnis der Reaktion westantarktischer Schelfeise auf großskalige anthropogene Klimaänderungen erbracht.
Ziel des angestrebten Projektes ist es, ein interaktiv gekoppeltes Eis-Ozean-Modellsystem zu schaffen, das dynamische Prozesse in und um die Antarktis bis zu 1km präzise auflösen kann. Der Antarktische Eisschild reagiert wesentlich langsamer als typische Zeitskalen von Klimaschwankungen. Da der Eisschild sich nie vollständig im Gleichgewicht befindet, bedarf es eines hochaufgelösten Einschwingens des Eismodells, um die gegenwärtige Konfiguration der Antarktis möglichst realistisch darzustellen. Hierbei werden die Klimabedingungen der letzten Glazialzyklen mit berücksichtigt, die eine entscheidende Rolle für die Entwicklung des Eisschildes spielen.Wir planen mit dem gekoppelten Modell Abschätzungen vom zukünftigen Meeresspiegelbeitrag des Antarktischen Eisschildes für die kommenden Jahrhunderte zu erlangen, die zum einen durch die Energieerhaltung im gekoppelten System beschränkt sind und zum anderen die Veränderungen der letzten Glazialzyklen einbeziehen. Das gekoppelte Modell PISM-FESOM wird es uns ermöglichen, Effekte zu untersuchen, die aus verstärkten Warmwassereinträgen im Südlichen Ozean resultieren, die in ungekoppelten Simulationen bereits vorhergesagt wurden. Besonderes Augenmerk wird hierbei auf einer Einschätzung der Vulnerabilität der Eisschelfe liegen, welche als Hauptkontaktfläche zwischen Meer und Kontinentaleis agieren.
Dimethylsulfid (DMS) ist ein klimarelevantes Spurengas marinen Ursprungs, das in der Atmosphäre als Vorstufe von Kondensationskernen bei der Wolkenbildung dient. Das Südpolarmeer wurde als Region mit erheblicher DMS Freisetzung aus dem Ozean in die Atmosphäre erkannt. Schwerpunkte der DMS Produktion wurden in der Nähe des Antarktischen Kontinentes und in der Zone der saisonalen Eisschmelze ermittelt. Modellsimulationen haben gezeigt, dass Störungen der DMS Flüsse vom Ozean in die Atmsophäre die Wolkenbedeckung beeinflussen und so zu Veränderungen im Strahlungshaushalt der Atmosphäre führen können. Das Prozessverständnis für marine DMS Emissionen und ihre Vorhersage sind somit entscheidend für Szenarien zukünftiger Klimabedingungen. DMS wird im Oberflächenozean durch den bakteriellen Abbau von Dimethylsulfoniumpropionat (DMSP) freigesetzt, das wiederum durch Phytoplankton produziert wird. Der bakterielle DMSP-Abbau folgt zwei konkurrierenden enzymatischen Stoffwechselwegen: dem Demethylierungsweg und dem Spaltungsweg. Da nur der Spaltungsweg zur Produktion von DMS führt, ist ein verbessertes Verständnis von Umweltfaktoren und genetischen Voraussetzungen, die die Balance zwischen den beiden Stoffwechselwegen kontrollieren, von großer Bedeutung um die Regulation der biologischen DMS Flüsse vom Ozean in die Atmosphäre abzuschätzen. Während die globalen Auswirkungen des DMSP Umsatzes im Ozean schon vor mehr als 30 Jahren erkannte wurden, ist es durch neue Methoden der Molekularbiologie und der „Omics“ Techniken erst kürzlich möglich geworden relevante Gene des bakteriellen DMSP Stoffwechsels zu identifizieren und Einsicht in ihre phylogenetische Verteilung zu gewinnen. Bisherige Erkenntnise zum bakteriellen Umsatz von DMSP in marine Systemen basieren weitgehend auf Studien aus mittleren und niederen Breiten, während die polaren Ozeane kaum untersucht wurden. Die Analyse der Bakteriengemeinschaften im Weddellmeer mittels Amplicon Sequenzierung des 16S rRNA Gens hat hohe Abundanzen potentiell DMS produzierender Bakteriengruppen wie der Roseobacter Gruppe und SAR11 gezeigt.Im vorgeschlagenen Projekt möchten wir modernen Methode der Moleklularbiologie in Kombination mit bioinformatischen Werkzeugen anwenden um im Weddellmeer(1) die Umweltkontrolle des bakteriellen DMSP Abbaus zu analysieren(2) die Diversität und Taxonomie DMSP abbauender Bakterien zu untersuchen(3) das genetische Inventar für DMSP Transformationen zu analysieren und(4) Stoffwechsel und ökologische Strategien von Schlüsselarten zu charakterisieren.Hierzu werden Seewasserproben analysiert, die am Östlichen Weddellmeer Eisschelf, am Filchner-Ronne Eisschelf und im Weddellwirbel genommen wurden. Die zu erwartenden Ergebnisse werden das mechanistische Verständnis des bakteriellen DMSP Abbaus im Weddellmeer verbessern und zu verlässlichen Prognosen von marinen DMS Emissionen im Südpolarmeer unter zukünftigen Klimaszenarien beitragen.
Die Wechselwirkung zwischen der Kryosphäre und dem Ozean bildet eine der Hauptursachen für lokale und globale Veränderungen des Meeresspiegels. Das Schmelzen des grönländischen Eisschildes trägt derzeit zu rund einem Drittel zum globalen Meeresspiegelanstieg bei, und der Massenverlust des Eisschildes und damit der Transport von Eis aus dem Eisschild in den Ozean beschleunigen sich weiter. Bis vor kurzem schien es, als sei die Beschleunigung der abfließenden Eisströme auf Grönlands Westküste und die Fjorde im Südosten beschränkt, während die Gletscher im Nordosten als weitgehend stabil galten. Einer dieser scheinbar stabilen Gletscher ist der Nioghalvfjerdsbrae oder 79°Nord Gletscher, der größere zweier Gletscher, die aus dem nordostgrönländischen Eisstrom gespeist werden und direkt ins Meer münden. Wegen der Existenz einer Kaverne unter der schwimmenden Eiszunge analog zu den Schelfeisen der Antarktis ist der 79°Nord Gletscher für Studien der Eis Ozean Wechselwirkung sehr interessant, besonders da das Einzugsgebiet des nordostgrönländischen Eisstroms mehr als 15% der Fläche des grönländischen Eisschildes erfasst. Aktuelle Studien weist nun auf eine Beschleunigung des Eisstromes und eine Abnahme der Eisdicke entlang der Küste von Nordostgrönland hin. Gleichzeitig wurde eine Erwärmung und eine Zunahme des Volumens des Atlantikwassers in der Ostgrönlandsee und der Framstraße beobachtet. Unser Projekt hat zum Ziel, (1) die Mechanismen zu verstehen, mit denen der Ozean Wärme aus der Framstraße und vom Kontinentalhang Nordostgrönlands in die Kaverne unter dem schwimmenden 79°N Gletscher transportiert, (2) die Rolle externer Variabilität relativ zu Prozessen innerhalb der Kaverne hinsichtlich ihres Einflusses auf das Schmelzen an der Eisunterseite zu untersuchen und (3) die wichtigsten Sensitivitäten innerhalb dieses gekoppelten Systems aus Eis und Ozean zu identifizieren. Wir verfolgen dieses Ziel durch eine Kombination von gezielter Beobachtung und innovativer hochauflösender Modellierung. Im Rahmen zweier Forschungsreisen mit dem Eisbrecher FS Polarstern werden Strömungsgeschwindigkeiten, Hydrographie und Mikrostruktur sowohl mit gefierten als auch mit verankerten Instrumenten gemessen. Diese Beobachtungen werden durch den Einsatz eines autonomen Unterwasserfahrzeugs ergänzt. Zur Modellierung nutzen wir das Finite Element Sea ice Ocean Model (FESOM), das um eine Schelfeiskomponente erweitert wurde und in einer Konfiguration betrieben wird, die mit hoher Auflösung die kleinskaligen Prozesse auf dem Kontinentalschelf vor Nordostgrönland und in der Kaverne unter dem 79°N Gletscher in einem globalen Kontext wiedergibt. Zusammen mit den Beiträgen unserer Kooperationspartner aus der Glaziologie und der Tracerozeanographie entwickelt sich aus der Synthese dieser beiden Komponenten ein detailliertes Bild der Prozesse auf dem Kontinentalschelf Nordostgrönlands, einer Schlüsselregion für zukünftige Veränderungen des globalen Meeresspiegels.
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