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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.

Der Einfluss der SML auf die Spurengasbiogeochemie und den Ozean-Atmosphäre-Gasaustausch

Labor- und Feldstudien zeigen, dass die Oberflächengrenzschicht des Ozeans (â€Ìsurface microlayerâ€Ì, kurz SML) die biogeochemischen Kreisläufe von klimaaktiven und atmosphärisch wichtigen Spurengasen wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Kohlenstoffmonoxid (CO), Methan (CH4), Lachgas (N2O) und Dimethylsulfid (DMS) stark beeinflusst: (i) Jüngste Studien aus den PASSME- und SOPRAN-Projekten haben hervorgehoben, dass Anreicherungen von oberflächenaktiven Substanzen (d.h. Tensiden) einen starken (dämpfenden) Effekt sowohl auf die CO2- als auch auf die N2O-Flüsse über die SML/Atmosphären-Grenzfläche hinweg haben und (ii) Spurengase können durch (mikro)biologische oder (photo)chemische Prozesse in der SML produziert und verbraucht werden. Daher kann der oberste Teil des Ozeans, einschließlich der SML, verglichen mit dem Wasser, das in der Mischungsschicht unterhalb der SML zu finden ist, eine bedeutende Quelle oder Senke für diese Gase sein, was von sehr großer Relevanz für die Forschungseinheit BASS ist. Die Konzentrationen von CO2, N2O und anderen gelösten Gasen in der SML (oder den oberen Zentimetern des Ozeans) unterscheiden sich nachweislich von ihren Konzentrationen unterhalb der SML. Typischerweise werden die Nettoquellen und -senken wichtiger atmosphärischer Spurengase mit Konzentrationen berechnet, die in der Mischungsschicht gemessen wurden und mit Gasaustauschgeschwindigkeiten, die die SML nicht berücksichtigen. Diese Diskrepanzen führen zu falsch berechneten Austauschflüssen, die in der Folge zu großen Unsicherheiten in den Berechnungen der Klima-Antrieben und der Luftqualität in Erdsystemmodellen führen können. Durch die Verknüpfung unserer Spurengasmessungen mit Messungen von (i) der Dynamik und den molekularen Eigenschaften der organischen Materie und speziell des organischen Kohlenstoffs (SP1.1; SP1.5), (ii) der biologischen Diversität und der Stoffwechselaktivität (SP1.2), (iii) den optischen Eigenschaften der organischen Materie (SP1.3), (iv) der photochemischen Umwandlung der organischen Materie (SP1.4) und (v) den physikalischen Transportprozessen (SP2.3) werden wir ein umfassendes Verständnis darüber erlangen, wie die SML die Variabilität der Spurengasflüsse beeinflusst.

Kaltwasserkorallen-Vorkommen vor Neuseeland, Vorhaben: Strukturelle Kartierung und Erfassung des Artenspektrums und biologischer Interaktionen in Kaltwasserkorallensystemen im Südwest-Pazifik

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Tephrochronostratigraphie in den marinen und terrestrischen Sedimenten von Neuseeland: Bezugspunkt für den Miozänen bis Quartären explosiven Vulkanismuses

Während der IODP Expeditionen 372 und 375 wurden die Ursachen und Auswirkungen von 'Slow Slip' Erdbeben sowie große untermeerische Hangrutsche und assoziierte Gashydrate vor der Nordinsel Neuseeland untersucht. Sedimente bis in die Kreide welche eingeschaltete Tephralagen vom Miozän bis Holozän enthalten wurden erbohrt und beprobt. Die Bohrlokationen befinden sich im Pazifik, ca. 250 km in der Windrichtung der vulkanischen Taupo Zone (TVZ), einer der größten und am häufigsten aktiven silizischen Zentren der Welt, und befinden sich auch nahe der Coromandel Vulkanfront (CVZ) einem spärlich untersuchten Neogenen vulkanischen Inselbogen. Die Tephreninventare dieser intermediär entfernten Bohrlokationen stellen das fehlende Glied zwischen den proximalen Land- und sehr distalen ODP-Aufschlüssen dar, um eine nahezu komplette Eruptionshistorie für den Neuseeländischen explosiven Vulkanismus vom Miozän bis Holozän zu etablieren. Deshalb liegt der Fokus dieses Projektes auf den vulkanischen Produkten Neogener und Quartärer neuseeländischer explosiven Eruptionen. Tephraablagerungen der Expeditionen 372&375, ergänzt durch terrestrische Abalgerungen und Tephren in älteren und distaleren ODP Bohrlokationen ergeben die einmalige Gelegenheit die Geschichte des hochexplosiven Vulkanismuses beider Inselbogensysteme sowie ihrer Spuren in den marinen Sedimente über eine Zeitspanne von mindestens 12 Ma zu untersuchen und zu vergleichen. Um quantitative und qualitative Aussagen über die Herkunft und Eruptionsabfolge, einschließlich als Kryptotephren überlieferter kleinere Eruptionen, machen zu können werden geochemische, petrologische, sowie vulkanologische Herangehensweisen und Methoden angewendet. Vor allem die kritische Lücke nicht vorhandener Spurenelement-Zusammensetzungen in terrestrischen Vergleichsproben, als auch distaler mariner Tephren, wird geschlossen werden. Diese Daten werden durch absolute Alterdatierungen unterstützt um die existierenden Altersmodelle zu bestätigen. Stabile Altersmodelle sind wichtig um dann räumliche und zeitliche Veränderungen von Eruptionsprozessen, Magnituden und Frequenzen von großen Vulkaneruptionen beider Vulkansysteme, TVZ und CVZ, zu untersuchen. Schließlich werden die somit gewonnenen Zusammensetzungsdaten und die Eruptionsabfolgen dazu dienen um Fragen hinsichtlich der Widerkehrrate und Zyklizität in beiden Systemen zu beantworten und damit auch das erste Mal überhaupt eine Neogene Zweitserie diesbezüglich heranziehen. Die Daten werden es auch ermöglichen die zeitliche und räumliche Sedimentzusammensetzung am Kontentalhang und der hereinkommenden Platte in Bezug auf den vulkaniklastischen Eintrag hin zu charakterisieren und die Frage beantworten wie diese sich auf mechanische, kohäsive, und hydrogeologische Eigenschaften der Sedimente auswirken. Zusätzlich ermöglichen die Sedimentgeochemie und der Tephralagen, intakte gerutschte Sedimentblöcke wieder in ihre ursprüngliche stratigraphische Abfolge zurückzuordnen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Beginn und Modifikationen der Intensitaet und Pfade des Wassermassenaustauschs zwischen suedoestlichem Pazifik und Suedatlantik mit Fokus auf dem Falkland Plateau

Durch die Öffnung der Drake Passage und der Scotia See wurde ein Wassermassenaustausch zwischen dem südlichen Pazifik und dem Südatlantik ermöglicht. Auf diese Weise kam es zu einem Transfer von Wärme und Energie zwischen den beiden Ozeanen. In Kombination mit der Öffnung des Tasman Gateways wurde so die Entwicklung des antarktischen Zirkumpolarstroms (ACC) und somit eine thermische Isolation der Antarktis möglich, was als eine Hauptursache für den Einsatz weitreichender Vereisungen diskutiert wird. Sowohl die tektonischen Bewegungen in der Drake Passage und der Scotia See als auch klimatische Veränderungen haben zu Modifizierungen in Intensität und Pfad des ACCs und der Wassermassen, welche der ACC umfasst, geführt. Das Einsetzen des ACCs sowie diese Modifizierungen sind in sedimentären Strukturen dokumentiert, die auf dem Falkland Plateau abgelagert wurden. Eine Untersuchung dieser Sedimentdrifts, welche durch Zirkumpolares Tiefenwasser, Weddell See Tiefenwasser und Antarktisches Bodenwasser geformt wurden, wird zu Information über Veränderungen der ozeanischen Zirkulation als Folge tektonischer Bewegungen und Klimaänderungen führen. Ein Gitter hochauflösender reflexionsseismischer Daten, welche während der Expedition MSM81 mit FS Maria S Merian gesammelt wurden, wird die Entschlüsselung der Sedimentdriftstrukturen und ihrer Modifikation und Umformung durch die Wassermassen sowie die Identifizierung von Depozentren und ihrer Verlagerung als Folge der Verlagerung der Pfade der Wassermassen erlauben, was dann Rückschlüsse auf Klimaänderungen und tektonische Bewegungen ermöglicht.Weieterhin bildendie seismischen Daten die Basis eines site survey Datenpaketes für IODP proposal 862, welches die früheste Phase des Wassermassenaustauschs über die Drake Passage untersuchen wird.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Nichtmischbare Sulfidschmelzen: Einblicke in Fraktionierungsprozesse chalkophiler Elemente in der ozeanischen Kruste

Nichtmischbare Sulfidschmelzen sind in der ozeanischen Kruste als magmatische Sulfide erhalten und zeichnen die Entwicklung von S und chalkophilen Elementen im magmatischen System auf. Neuste Ergebnisse zeigen systematische Unterschiede in deren Mineralogie und Chemie zwischen konvergenten und divergenten Plattengrenzen, die Prozesse die hierfür verantwortlich sind, sowie deren Einfluss auf die Verteilung chalkophiler Elemente sind jedoch weitestgehend unbekannt. Faktoren die die Löslichkeit von S in Silikatschmelzen kontrollieren beinhalten: (1) Temperatur, (2) Druck, (3) Sauerstofffugazität und (4) Fraktionierungsgrad. Die Bedingungen bei der Aufschmelzung des oberen Mantels und der Differentiation von Magmen in der Kruste unterscheiden sich zwischen Mittelozeanischen Rücken und Subduktionszonen, der Einfluss dieser Prozesse auf die Verteilung von S, Metallen und Halbmetallen in Magmen ist jedoch schlecht verstanden. Diese Prozesse kontrollieren die Entwicklung und den Kreislauf von S und chalkophilen Elementen in der ozeanischen Lithosphäre, die Zusammensetzung hydrothermaler Sulfide am Meeresboden, die Bildung der kontinentalen Kruste, die Zusammensetzung von vulkanischen Gasen und möglicherweise von epithermal-porphyrischen Lagerstätten.Diese Fragen sollen im Rahmen des Projekts bearbeitet werden, indem der magmatische Fluss von Metallen und Halbmetallen (z.B. Co, Ni, Cu, Se, Ag, Te, PGE, Au, Bi) durch die ozeanische Lithosphäre an Mittelozeanischen Rücken und ozeanischen Subduktionszonen untersucht wird. Neuste Methoden ermöglichen es die Spurenelementgehalte in magmatischen Sulfiden aus allen Abschnitten der ozeanischen Lithosphäre erstmals aus einer globalen Perspektive und unter Berücksichtigung des plattentektonischen Milieus und der zeitlichen Entwicklung des Systems zu messen. Proben die die initiale Phase ozeanischer Spreizung beim Zerbrechen eines Kontinents, sowie heutige vulkanische Aktivität an Mittelozeanischen Rücken dokumentierend ermöglichen es zusammen mit einer Abfolge von den jüngsten Laven am Meeresboden zu den ältesten am Übergang zu den Sheeted Dykes, die zeitliche Entwicklung des magmatischen Systems in hoher Auflösung zu untersuchen. Hierfür ist eine kontinuierliche Beprobung vom oberen Lithosphärenmantel bis in die oberste Kruste notwendig, was nur mit Bohrkernen aus DSPD, ODP und IODP Expeditionen möglich ist. Wir haben entsprechende Bohrkerne identifiziert und zusammen mit Proben vom Meeresboden und aus alter ozeanischer Lithosphäre (z.B. Troodos Ophiolith) kann ein vollständiges Spektrum von Perdiotiten des oberen Mantels, Grabbros der unteren Kruste, Sheeted Dykes und Laven basaltischer bis rhyolitischer Zusammensetzung untersucht werden. Magmatische Sulfide sind in vielen dieser Proben bekannt. Durch diesen Ansatz können erstmals Modelle entwickelt werden die den magmatischen Kreislauf chalkophiler Spurenelemente durch die gesamte ozeanische Lithosphäre an konvergenten und divergenten Plattengrenzen abbilden.

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).

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.

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