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.
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.
Der Klimawandel betrifft die Hydrologie in alpinen Regionen in besonderem Maße durch Temperaturanstieg, mehr und intensiveren Regenereignissen, auch während der Wintermonate. Diese Veränderungen führen zu vermehrten Naturgefahren wie übermäßigem Oberflächenabfluss und Murenabgänge. Einer der Gründe für solche Ereignisse ist eine reduzierte Infiltrationskapazität des (teil-)gefrorenen Bodens. Wenn Regen- oder Schmelzwasser nicht ausreichend infiltrieren kann, induziert der Oberflächenabfluss eine Bodenerosion, was zu Murenabgängen führen kann. Wenn Wasser entlang präferentieller Fließwege in tiefere Schichten infiltriert und zwischen gefrorenen Schichten der Porendruck steigt, so kann dies zu mechanischem Versagen des Hanges führen. Durch signifikanten Oberflächenabfluss findet kaum Grundwasserneubildung statt und die puffernde Wirkung des Grundwasserkörpers entfällt. Dies ist besonders für Regionen, in denen Schnee- und Gebirgswasser wesentlich zum Grundwasserhaushalt beitragen von großer Bedeutung. In diesem Projekt wird die thermo-hydraulische Wechselwirkung zwischen infiltrierendem Wasser und Boden bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt untersucht. Dazu werden hochentwickelte Modellansätze, numerische Simulationswerkzeuge, sowie Versuche im Labor wie im Gelände eingesetzt. Präferentielle Fließwege, z.B. Makroporen durch Wurzelwachstum oder Wurmlöcher, im Boden sind dabei wesentlich, denn sie ermöglichen eine schnellere Infiltration des Wassers in den Boden und weisen zudem eine anderes Einfrier- und Auftauverhalten auf als kleine Poren der Bodenmatrix. Das Verständnis des Einflusses von Makroporen auf das Gefrieren und Schmelzen von Wasser während der Infiltration ist daher wesentlich für jede weitere Analyse. Wasserinfiltration wird durch die Temperatur der beteiligten Phasen bestimmt. Das infiltrierende Wasser ist wärmer als der Gefrierpunkt, während der Boden gefroren ist. Die Temperaturentwicklung der einzelnen Phasen hängt vom Wärmeübertrag zwischen den Phasen ab. Da Wärmeübertrag und hydraulischer Fluss stark gekoppelt und zudem rund um den Gefrierpunkt sehr dynamisch sind, bedarf es besonderer Sorgfalt bei der theoretischen Beschreibung des thermohydraulischen Verhaltens. Mit einem tiefgreifenden Verständnis vom Einfluss präferenzieller Fließwege und dem Wärmeübertrag zwischen den beteiligten Phasen können spezifische geologische und meteorologische Gegebenheiten identifiziert werden, welche entweder extremen Oberflächenabfluss oder Hangversagen verursachen. Dieses Wissen kann in der Vorsorge als auch im Grundwassermanagement alpiner Gebiete Anwendung finden.
Der 200-km große Chicxulub-Einschlagskrater in Yucatán, Mexiko, wurde im Rahmen der IODP-ICDP Expedition 364 erbohrt. Die Bohrung hat zum ersten Mal eine zentrale Ringstruktur (Peak Ring) erfasst, welche ein gebirgiger Ring ist, der in großen Impaktstrukturen auftritt und sich innerhalb des Kraterrands über die Topographie des Kraterbodens erhebt. Dieser Antrag befasst sich mit zwei Hauptfragen, die im Rahmen der Expedition 364 gestellt wurden: 1) Welche Eigenschaften und Bildungsmechanismen sind für Peak Rings wichtig? 2) Wie werden Gesteine während großer Impakte entfestig, um dabei den Kollaps und die Bildung relativ weiter, flacher Krater zu ermöglichen?In Bezug auf die erste Frage gibt es zwei konkurrierende Modelle der Peak Ring-Bildung: i) Ein konzeptionelles geologisches Modell, das auf geologische und fernerkundliche Beobachtungen des Mondes und anderer planetarer Körper fußt, und die Rolle eines großen Anteils an Impaktschmelze für die Peak Ring-Bildung betont, und ii) ein numerisches Modell, das Hydrocode-Simulationen einsetzt, um die Peak Ring-Bildung zu berechnen. Die zwei Modelle prognostizieren deutlich unterschiedliche kinematische Pfade und strukturelle Deformationsmerkmale in den Peak Rings, und eine Voruntersuchung der Kerne von Expedition 364 zeigt, dass diese Merkmale grundsätzlich vorhanden sind. Wir werden die Kerne mit quantitativen mikro- und makrostrukturellen Methoden untersuchen, um die Deformationsgeschichte des Peak Rings zu entschlüsseln und damit Grundsatzdaten liefern, die diese Modelle bestätigen.Die zweite Frage spricht die Problematik der vorübergehenden Schwächung des Targets an, die für die Kraterbildung nötig ist, und ein fortwährendes Problem der Kratermechanik darstellt. Drei Modelle liegen vor: 1) Akustische Fluidisierung sieht die Reduktion der Reibung durch seismische Erschütterungen vor. 2) Thermal Softening postuliert eine Erhitzung durch Stoßwellen und plastische Verformung. 3) Strain Rate Weakening/Frictional Melting setzt z.B. eine lokale Herabsetzung der Reibung durch Schmelzen voraus. Die Bohrkerne ermöglichen es uns, die Relevanz der drei Modelle einzuschätzen. Wir werden die die Kerne auf spezifische mikrostrukturelle Merkmale untersuchen, um zwischen den Schwächungsmechanismen zu unterscheiden. Zudem wird die Entfestigung durch Impaktschädigung mittels mechanischer Versuche im Labor untersucht. Wir werden die Bedeutung der ratenabhängigen Spröddeformation auswerten als ein Prozess, der durch Pulverisierung die Gesteinsfestigkeit beeinflusst.Unsere makro- und mikrostrukturellen Analysen werden wir zu einem kinematischen Modell für den Chicxulub-Peak Ring zusammenführen. Als Beitrag zu einem vertieften Verständnis der Peak Ring-Bildung im Sonnensystem kann dies zu einer verbesserten Interpretation von Fernerkundungsstudien an großen Kratern führen. Potentiell werden hierdurch auch die speziellen Prozesse des Chicxulub-Impakts besser verstanden, die das K-Pg Aussterbeereignis auslösten.