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Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Leben am Limit: Die Tiefe Biosphäre des West Antarktischen Kontinentalrandes

Die tiefe Biosphäre umfasst eine diverse aber nur wenig untersuchte Gemeinschaft aus Mikroorganismen in Sedimenten und Gesteinen. Mikrobiologische und geochemische Untersuchungen der letzten Jahrzehnte haben gezeigt, dass bakterielles und archeales Leben weit verbreitet ist in marinen Sedimenten und sich dort bis in Tiefen von mehreren Kilometern unter dem Ozeanboden erstreckt und noch in über hundert Millionen Jahre alten Ablagerungen überdauert. Bestimmungen von Zellzahlen und deren Extrapolation auf einen globalen Maßstab legen den Schluss nahe, dass die marine tiefe Biosphäre ein bedeutendes Reservoir an Kohlenstoff darstellt und durch ihren Stoffwechselreaktionen direkten Einfluss auf das Leben an der Erdoberfläche nimmt. Obwohl Mikroorganismen der tiefen Biosphäre somit vermutlich einen enormen Einfluss auf globale Stoffkreisläufe ausüben, ist vergleichsweise wenig über ihre Zusammensetzung und Aktivität mit zunehmender Sedimenttiefe und zwischen den unterschiedlichen Regionen der Weltmeere bekannt. Ein Bereich der Ozeane, für den zurzeit so gut wie keine Informationen hinsichtlich der Verbreitung und Zusammensetzung der tiefen Biosphäre vorliegt, ist der Kontinentalrand der Westantarktis. IODP Expedition 379 hat in dieser Region zwei kontinuierliche und überwiegend ungestörte Sedimentabfolgen von exzellenter Qualität erbohrt. Diese erlauben es erstmalig die tiefe Biosphäre in marinen Sedimenten der West Antarktis bis in eine Tiefe von ca. 800 m unter dem Meeresboden zu untersuchen. Änderungen im Porenwasserchemismus, wie das Aufzehren von Sulfat und das plötzliche Auftreten von Methan in einer Tiefe von ca. 670 Metern unter dem Meeresboden, liefen erste Hinweise auf die Existenz einer tiefen Biosphäre in dieser bis jetzt wenig untersuchten Region. Um die Gesellschaft an Mikroorganismen und die durch sie durchgeführten Prozesse qualitative und quantitative zu erfassen, wird in diesem Projekt ein Multiproxyansatz gewählt, der aus der Mengenbestimmung und Identifizierung von Verteilungsmustern von intakten polaren Lipiden, der Kohlenstoffisotopie leichter Kohelnwasserstoffe und direkten Zellzählungen besteht. Diese Untersuchungen werden durch komplementäre phylogenetischen Analysen und Kultivierungsexperimenten ergänzt. Ergebnisse der hier geplanten Untersuchungen werden damit neue Erkenntnisse hinsichtlich der Zusammensetzung und Verteilung der mikrobiellen Vergesellschaftung in einer Region unseres Planeten führen, welche mit Blick auf die tiefe Biosphäre komplettes Neuland darstellt.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Die magmatische Entwicklung eines Inselbogens am Beispiel der Neuen Hebriden

Die magmatische Entwicklung von ozeanischen Inselbögen und ihre mögliche Bedeutung für das Verständnis von Subduktions-Initiierung sind momentan Schwerpunkte des IODP mit den Bohrfahrten 350, 351 und 352 im Izu-Bonin-Mariana (IBM) Inselbogen, forearc und rear-arc. Die meisten Modelle zur Subduktions-Initiierung basieren auf Untersuchungen am IBM, aber es ist nicht klar, ob diese auch für andere ozeanische Inselbögen gelten. Der New Hebrides Inselbogen (NHIA) ist einer der jüngsten der Erde und entstand durch Subduktions-Initiierung vor etwa 15 Millionen Jahren, als die Kollision des Ontong Java Plateaus einen Umschwung der Subduktionsrichtung erzwang. Das ODP Leg 134 erbohrte sieben Kerne mit Längen bis 1100 m im forearc und backarc des NHIA und förderte viele magmatische Gesteine und Aschenlagen mit vulkanischen Gläsern mit Altern bis in das mittlere Miozän. In diesem Projekt wollen wir die alten Proben mit modernen Methoden neu analysieren, um die magmatische Entwicklung des NHIA zu untersuchen und mit der des IBM zu vergleichen. Dazu wollen wir auch weitere bisher schlecht untersuchte submarine Proben analysieren und mit Geländearbeiten auf den Inseln des zentralen NHIA die Magmenbildung im Verlauf der Zeit bis mindestens 20 Ma definieren. Diese neuen Daten werden auch Einblicke in den Effekt der Subduktion des d'Entrecasteaux Rückens auf die Magmenbildung des NHIA geben, die vor etwa 2 Ma begann. Diese Untersuchungen sind wichtig für das globale Verständnis von Subduktionsprozessen und der damit einhergehenden Magmenbildung im Erdmantel.

Untersuchung der Laser-induzierten Plasmaausbildung im Wasser beim Doppelpuls-LIBS bei einem hydrostatischen Druck von 60 MPa (LIBS60)

Das Ziel des Forschungsvorhabens liegt in der grundlegenden Untersuchung der Kavitäts-/Plasmaausbildung und der Plasmastrahlung in einer Doppelpuls-LIBS-Anwendung an metallischen Proben unter Wasser bei einem Wasserdruck von bis zu 60 MPa. Zunächst ist hierfür die Laser-induzierte Kavität zu analysieren, um daraus Informationen über die Geometrie, Lebensdauer und die entstehende Schockwelle abzuleiten. Hierbei ist von besonderem Interesse, wie sich die wesentlichen Prozessparameter auf die Kavität auswirken und wie sich die Lebensdauer der Kavität steigern lässt. Des Weiteren sind Störquellen für die Kavitäts- bzw. Plasmaerzeugung von Interesse, wie das optische Durchbruchverhalten im Wasser in Abhängigkeit vom Wasserdruck. Weiterhin gilt es, die Voraussetzungen und die zeitlichen Perioden für die Emission von Linienstrahlung im Verhältnis zur Kontinuumstrahlung, herauszuarbeiten. Für die Elementanalyse durch LIBS ist die Untersuchung der Linienprofile von Interesse, hierbei insbesondere die Absorptions- und Verbreiterungsmechanismen eines Laser-induzierten Plasmas bei hohem Wasserdruck in Hinblick auf die Auswertbarkeit von Einzellinien. Mit diesem Wissen sollen Schlussfolgerungen auf die erforderliche Technik, geeignete Auswertemethoden und die erreichbare Genauigkeit für LIBS in der Tiefsee gezogen werden.

Veränderung globaler Umweltfaktoren und Zyklizität in Tiefseesedimenten des Pazifik (Leg 185) und des Atlantik von der Kreide bis heute

Die paläoklimatische und paläozeanographische Entwicklung des nordwestlichen Pazifik (ODP Leg 185) soll auf unterschiedlichen Zeitskalen untersucht und mit Daten aus dem Atlantik versehen werden. Anhand von sedimentologischen, mikropaläontologischen, geochemischen und stabilen Isotopen-Daten sollen Veränderungen der Akkumulationsraten klimatisch und ozeanographisch sensitiver Komponenten dokumentiert werden. Diese sollen mit biostratigraphischen und chemostratigraphischen Methoden sowohl im Hinblick auf die langfristigen zeitlich-räumlichen Trends, als auch mit frequenzanalytischen Methoden hochauflösend analysiert werden. Von besonderem Interesse sind die Intensitäten der atmosphärischen Zirkulation und die marine Produktivität sowie deren räumliche und zeitliche Variabilität. Diese Umwelt-Parameter sind vor allem in der Zusammensetzung der Feinfraktion und in den Akkumulationsraten von äolischem Staub, biogenem Opal und organischem Material überliefert. Der Vergleich mit ausgewählten DSDP/ODP-Sites im Atlantik soll Hinweise auf Zirkulationsregime und Wasseraustausch beider Ozeane geben.

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).

Deep OCean Test ARray DOCTAR (OBS part)

This is the first deployment of a teleseismic broadband array consisting of 12 three-component stations with an aperture of about 50 km in the deep ocean in about 5000 m water depth. The data can be compared with two other deployments on Madeira and in western Portugal mainland which had similar array layouts and recording time spans (network Y7). The broadband data enable furthermore analysis of the crust and upper mantle beneath the array near to the Gloria fault, a major transform fault in the North Atlantic. Recordings of numerous local and regional earthquakes make a precise location of active structures possible. Waveform data is available from the GEOFON data centre, under network code 3J.

Alternative Szenarien, innovative Technologien und Überwachungskonzepte für die Speicherung von Kohlendioxid unter dem Meeresboden, Leitantrag; Vorhaben: Implementierung eines CO2-Injektionsexperimentes mit aktivem Monitoring

Bewertung der Umweltauswirkungen von Tiefseebergbau von Manganknollen und Massivsulfiden, Vorhaben: Entnahme und Aufbereitung von Sedimentproben

Alternative Szenarien, innovative Technologien und Überwachungskonzepte für die Speicherung von Kohlendioxid unter dem Meeresboden, Vorhaben: Charakterisierung krustaler Stoffkreisläufe, biogeochemische Beobachtung und Modellierung der CO2-Injektion am Reykjanes-Rücken

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

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