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Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Eisflussintensitäten und Provenienzunterschiede im Amundsenmeer-Sektor während Plio- und Pleistozäner Super-Interglaziale - Indikatoren für den Kollaps des Westantarktischen Eisschilds in der Vergangenheit?

Das zukünftige Verhalten des Westantarktischen Eisschilds (WAIS) bleibt eines der kritischsten Unbekannten bei globalen Klima- und Meeresspiegelvorhersagen (IPCC, 2014). Vergangene Super-Warmperioden während des Plio- und Pleistozäns könnten als Analoga für Klimaszenarien dienen, die für die kommenden Jahrzehnte und Jahrhunderte vorhergesagt werden. Modellstudien legen nahe, dass Temperaturanomalien während dieser Zeiträume zu einem teilweisen oder vollständigen WAIS-Kollaps führten. Es fehlen jedoch noch eisproximale geologische Beweise solcher möglichen Zusammenbrüche. Während der IODP Exp. 379 konnten wir Bohrkerne von zwei Standorten bergen, die diese Intervalle abdecken. Insbesondere wird die Intensität der Eisentladung (Quantifizierung von Eisschutt; IRD) an 571 Proben untersucht. Ferner werden Indikatoren für die Sedimentherkunft und den möglichen Kollaps an ausgewählten Proben bestimmt, um die ost- und westantarktischen IRD-Quellen (Mineralogie und Ar-Ar-Datierung) zu unterscheiden. Die analytischen Arbeiten für das Projekt werden von studentischen Hilfskräften durchgeführt, die die Möglichkeit haben, Abschlussarbeiten zu verfassen. Die erzeugten Daten werden für die Datenintegration mit IODP-Projektpartnern, die Synthese und die endgültige Veröffentlichung verwendet.

Aerobic mikrobielle Aktivität in der Tiefsee abyssal Ton

Meeressedimente enthalten schätzungsweise größer als 10^29 mikrobielle Zellen, welche bis zu 2.500 Meter unter dem Meeresboden vorkommen. Mikrobielle Zellen katabolisieren unter diesen sehr stabilen und geologisch alten Bedingungen bis zu einer Million mal langsamer als Modellorganismen in nährstoffreichen Kulturen und wachsen in Zeiträumen von Jahrtausenden, anstelle von Stunden bis Tagen. Aufgrund der extrem niedrigen Aktivitätsraten, ist es eine Herausforderung die metabolische Aktivität von Mikroorganismen unterhalb des Meeresbodens zu untersuchen. Die Transkriptionsaktivität von diesen mikroben kann seit Kurzem metatranskriptomisch untersucht werden, z.B. durch den Einsatz von Hochdurchsatzsequenzierung von aktiv transkribierter Boten-RNA (mRNA), die aus Sedimentproben extrahiert wird. Tiefseetone zeigen ein Eindringen von Sauerstoff bis zum Grundgebirge, welches auf eine geringe Sedimentationsrate im ultra-oligotrophen Ozean zurückzuführen ist. Der Sauerstoffverbrauch wird durch langsam respirierende mikrobielle Gemeinschaften geprägt, deren Zellzahlen und Atmungsraten sehr niedrig gehalten werden durch die äußerst geringe Menge organischer Substanz, die aus dem darüber liegendem extrem oligotrophen Ozean abgelagert wird. Die zellulären Mechanismen dieser aeroben mikroben bleiben unbekannt. Im Jahr 2014 hat eine Expedition erfolgreich Sedimentkerne von sauerstoffangereichertem Tiefseeton genommen. Vorläufige metatranskriptomische Analysen dieser Proben zeigen, dass der metatranskriptomische Ansatz erfolgreich auf die aeroben mikrobiellen Gemeinschaften in diesen Tiefseetonen angewendet werden kann. Wir schlagen daher vor diese Methode mit einem hohen Maß an Replikation, in 300 Proben von vier Standorten, anzuwenden. Dieser Einsatz wird es uns ermöglichen, Hypothesen in Bezug auf zelluläre Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens, mit einer beispiellosen statistischen Unterstützung, zu testen.Wir warden den aeroben Stoffwechsel, welcher die langfristige Existenz von Organismen in Tiefseetonen unterstützt, bestimmen, Subsistenzstrategien identifizieren in aeroben und anaeroben Gemeinden unterhalb des Meeresbodens, und extrazelluläre Enzyme und ihr Potenzial für den organischen Substanzabbau charakterisieren. Die folgenden Fragen werden damit beantwortet: Wie das Leben im Untergrund über geologische Zeiträume unter aeroben Bedingungen überlebt? Was die allgegenwärtigen und einzigartigen Mechanismen sind, die langfristiges Überleben in Zellen unter aeroben und anaeroben Bedingungen fördert? Was die Auswirkungen von Sedimenttiefe und Verfügbarkeit von organischer Substanz auf die mikrobielle Produktion von extrazellulären Hydrolasen unter aeroben und anaeroben Bedingungen sind? Dies wird sowohl ein besseres Verständnis dafür liefern, wie mikrobielle Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens verteilt sind und was ihre Rolle in biogeochemischen Zyklen ist, als auch wie das Leben über geologische Zeiträume unter extremer Energiebegrenzung überlebt.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Freisetzung von volatilen Komponenten und Erzmetallen aus Magmen intraozeanischer Bögen: Erkenntnisse aus Hochdruckexperimenten und der Analyse von Schmelzeinschlüssen am Beispiel des Brothers Vulkans, Kermadec-Bogen

Das Hauptziel der in 2018 durchgeführten IODP Expedition 376 war die Untersuchung magmatisch-hydrothermaler Systeme und damit assoziierter Erzmetallablagerungen (von z.B. Cu und Au) in intraozeanischen Vulkanbögen. Die Expedition konzentrierte sich auf die Erkundung des Brothers Unterwasservulkans, der, im Gegensatz zu einigen anderen Vulkansystemen entlang des Kermadec-Bogens, dazitische bis rhyolitische Schmelzen fördert. Besonders am Brothers Vulkan ist neben der extremen Anreicherung an Cl die große Bandbreite an unterschiedlichen Zusammensetzungen (z.B. im Alkali- und Aluminiumoxidgehalt und in Mg). Ziel des Vorhabens ist deshalb, die Natur und Zusammensetzung der freigesetzten volatilen Phasen (u.a. ob es sich um einphasige oder zweiphasige Fluide handelt) zu untersuchen, sowie deren Einfluss auf Fraktionierungstrends und auf die Anreicherung von Metallen während der Differenzierung.Um dies zu erreichen, werden komplementäre analytische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt: 1) Hauptelementanalysen von Matrixgläsern und Glaseinschlüssen sollen Aufschluss über die Herkunft der felsischen Magmen sowie die Fraktionierungs- und Differenzierungsprozesse geben; 2) Hochdruck-Kristallisationsexperimente sollen die Bedingungen in der Magmakammer und die Rolle der volatilen Komponenten, insbesondere von Cl und H2O, bei der Fraktionierung von Magmen beleuchten; 3) Spurenelementanalysen von Glaseinschlüssen in Plagioklas und Klinopyroxen liefern Informationen über den Einfluss volatiler Komponenten und der Sauerstofffugazität auf die Anreicherung von Erzmetallen (z.B. Fe, Cu, Zn, W, Au). Da die meisten Glaseinschlüsse Quench-Kristalle und Blasen enthalten, müssen sie zunächst bei hohen Drücken wieder homogenisiert werden. Die Kombination der drei geplanten Arbeitspakete wird einen wichtigen Beitrag dazu leisten, die Entwicklung der Metallanreicherung in Cl-reichen magmatischen Systemen während der Differenzierung und im magmatisch-hydrothermalen Stadium nachvollziehen zu können.

Modeled environmental data-layers and changes predicted under RCP2.6, 4.5 and 8.5 for the deep Atlantic Ocean

The data layers provided show current values for seawater temperature, pH, calcite and aragonite saturation (%), oxygen concentration, and particulate organic carbon (POC) flux to the seafloor at different depths (500, 1000, 2000, 3000, and 4000m) at the present day (1951-2000) and changes in these variables expected between 2041-2060 and 2081-2100 under different RCP scenarios. The data layers were generated following the methods described in Levin et al. (2020). In short, in 2019, we obtained the present day and future ocean projections for the different years which were compiled from all available data generated by Earth Systems Models as part of the Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5 (CMIP5) to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Three Earth System Models, including GFDL‐ESM‐2G, IPSL‐CM5A‐MR, and MPI‐ESM‐MR were collected and multi-model averages of temperature, pH, O2 , export production at 100-m depth (epc100), carbonate ion concentration (co3), and carbonate ion concentration for seawater in equilibrium with aragonite (co3satarg) and calcite (co3satcalc) were calculated. The epc100 was converted to export POC flux at the seafloor using the Martin curve (Martin et al., 1987) following the equation: POC flux = export production*(depth/export depth)0.858. The export depth was set to 100 m, and the water depth using the ETOPO1 Global Relief Model (Amante and Eakins, 2008). Seafloor aragonite and calcite saturation were computed by dividing co3 by co3satarg and co3satcalc. All variableswere reported as the inter-annual mean projections between 1951-2000, 2041-2060, and 2081-2100. The data for calcite and aragonite saturation can be found in Morato et al. (2020).

The influence of seawater pH on U/ Ca ratios in the scleractinian cold-water coral Lophelia pertusa

The increasing pCO2 in seawater is a serious threat for marine calcifiers and alters the biogeochemistry of the ocean. Therefore, the reconstruction of past-seawater properties and their impact on marine ecosystems is an important way to investigate the underlying mechanisms and to better constrain the effects of possible changes in the future ocean. Cold-water coral (CWC) ecosystems are biodiversity hotspots. Living close to aragonite undersaturation, these corals serve as living laboratories as well as archives to reconstruct the boundary conditions of their calcification under the carbonate system of the ocean. We investigated the reef-building CWC Lophelia pertusa as a recorder of intermediate ocean seawater pH. This species-specific field calibration is based on a unique sample set of live in situ collected L. pertusa and corresponding seawater samples. These data demonstrate that uranium speciation and skeletal incorporation for azooxanthellate scleractinian CWCs is pH dependent and can be reconstructed with an uncertainty of ±0.15. Our Lophelia U / Ca-pH calibration appears to be controlled by the high pH values and thus highlighting the need for future coral and seawater sampling to refine this relationship. However, this study recommends L. pertusa as a new archive for the reconstruction of intermediate water mass pH and hence may help to constrain tipping points for ecosystem dynamics and evolutionary characteristics in a changing ocean.

Seawater carbonate chemistry and behavioural trait expression of polar invertebrates

Here, we examine the ecosystem ramifications of changes in sediment-dwelling invertebrate bioturbation behaviour—a key process mediating nutrient cycling—associated with nearfuture environmental conditions (+ 1.5 °C, 550 ppm [pCO2]) for species from polar regions experiencing rapid rates of climate change. This dataset is included in the OA-ICC data compilation maintained in the framework of the IAEA Ocean Acidification International Coordination Centre (see https://oa-icc.ipsl.fr). Original data were downloaded from Polar Data Centre (see Source) by the OA-ICC data curator. In order to allow full comparability with other ocean acidification data sets, the R package seacarb (Gattuso et al, 2024) was used to compute a complete and consistent set of carbonate system variables, as described by Nisumaa et al. (2010). In this dataset the original values were archived in addition with the recalculated parameters (see related PI). The date of carbonate chemistry calculation by seacarb is 2024-07-11.

Global particulate organic carbon flux derived from Th-234: 13 ocean regions, 3 export depths

The 234Th–238U disequilibrium technique has been widely used to estimate the amount of particulate organic carbon (POC) exported from surface ocean layers to the deep sea. This method is based on determining 234Th fluxes from vertical 234Th–238U profiles in the water column and converting them into POC fluxes using POC/234Th ratios measured in sinking particles at a given calculation depth. We present here an extensive repository of POC fluxes, together with Th fluxes and POC/234Th ratios. Covering all the global ocean, classified in 13 regions, season and moment of the bloom and calculated at three different depths: i) a fixed depth (100 m) ii) the reference depth in the paper associated to the base of the euphotic zone iii) the 234Th–238U equilibrium depth. To ensure a compilation representative of the global ocean, the dataset were selected using the division areas proposed by the international network JETZON (Joint Exploration of the Twilight Zone Ocean Network); that agreed a division of the oceans in 13 regions based on their contrasted physics and biogeochemical characteristics. The stations from 234Th publications associated to each JETZON region were carefully selected according to their ability to represent regional environmental conditions. Furthermore, station selection was based on essential criteria such as data quality and accessibility, availability of time series, clear definition of export depth, measurements from established programs, e.g. GEOTRACES, and the presence of other additional relevant ancillary data. The data in the compilation are thus organized by region and include geographic coordinates, season, selected export depth, and other key factors (such as a description of the flux evaluation depth or the export depth zone). After 234Th–238U compilation, 234Th fluxes were calculated, when possible, at the three different depths, i), ii) and iii), under the assumption of steady-state conditions, following Le Moigne et al. 2013. Using POC/234Th ratios, POC fluxes are estimated from Th fluxes and both fluxes were included in the repository. POC/234Th ratios were chosen from pump samples, prioritizing particles larger than 53 μm when available. These ratios must be estimated at the flux calculation depth [i), ii) and iii)]. When they were not available at the calculation depth POC/234Th values were interpolated as described in the readme text file. The values of the ratios are included in the repository, specifying the depth at which they were determined and indicating whether they have been interpolated. Similarly, when 234Th, 238U concentrations were not available at the calculation depth, values were interpolated (see readme text file).

Mean Deep Ocean volume-weighted stacks

Mean Deep Ocean stacked records weighted by ocean basin volume are also provided for: benthic δ18O, MDOT and δ18Oseawater and compiled from records described for the non-weighted stacks. The weighted stacks were created using basin weights defined using fixed deep ocean volume fractions following the volumetric approach of Lisiecki and Stern (2016) (see their Table S2), and renormalised to unity at each time step to reflect the ocean volume represented by the available records.

Atlantic, Pacific and Mean Deep Ocean temperature and δ¹⁸Oseawater stacks

Stacked deep-water (>2500m) deconvolved benthic Mg/Ca–δ18O records spanning the past 1.5 Myr for: the North Atlantic comprising IODP Site U1385 [Uvigerina peregrina and Globobulimina affinis] and DSDP Site 607 [Cibicidoides wuellerstorfi, Oridorsalis umbonatus, and Uvigerina spp.] (Sosdian and Rosenthal, 2009; Ford et al., 2016); the Pacific incorporating ODP Sites 1123 [Uvigerina spp.] (Elderfield et al., 2012) and Site 1208 [Uvigerina spp.] (Ford and Raymo, 2020); and, Mean Deep Oceans including all of the above plus ODP Site 1094 [Melonis pompilioides] (Hasenfratz et al., 2019). To investigate changes in abyssal ocean density stratification across the Middle Pleistocene Transition estimates of deep-water temperature and δ18Oseawater were generated with error propagation using PSU Solver in MATLAB (Thirumalai, Quinn and Marino, 2016). PSU Solver-derived δ18O, temperature and δ18Oseawater records for each site were interpolated on a 3 kyr interval and bootstrapped. Stacks were manually created by first identifying gaps in each site's original data and then averaging the means and errors across each age interval.

4.5 million years of deep ocean carbon isotope gradients and trace metals redox data

This dataset contains a 4.5 million year record of the benthic stable carbon isotope gradient between Ocean Drilling Program Sites 982 and 807 and a long trace metals dataset from ODP Site 1208. In addition, we include compiled timeslice data from throughout the deep ocean that characterize the stable carbon isotope difference between benthic stable isotope composition of C. wuellerstorfi at Site 982 and that site.

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