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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.

Palaeo-Evo-Devo of Malacostraca - a key to the evolutionary history of 'higher' crustaceans

In my project I aim at a better understanding of the evolution of malacostracan crustaceans, which includes very different groups such as mantis shrimps, krill and lobsters. Previous studies on Malacostraca, on extant as well as on fossil representatives, focussed on adult morphology.In contrast to such approaches, I will apply a Palaeo-Evo-Devo approach to shed new light on the evolution of Malacostraca. Palaeo-Evo-Devo uses data of different developmental stages of fossil malacostracan crustaceans, such as larval and juvenile stages. With this approach I aim at bridging morphological gaps between the different diverse lineages of modern malacostracans by providing new insights into the character evolution in these lineages.An extensive number of larval and juvenile malacostracans is present in the fossil record, but which have only scarcely been studied. The backbone of this project will be on malacostracans from the Solnhofen Lithographic Limestones (ca. 150 million years old), which are especially well preserved and exhibit minute details. During previous studies, I developed new documentation methods for tiny fossils from these deposits, e.g., fluorescence composite microscopy, and also discovered the first fossil mantis shrimp larvae. For malcostracan groups that do not occur in Solnhofen, I will investigate fossils from other lagerstätten, e.g., Mazon Creek and Bear Gulch (USA), or Montceaules- Mines and La-Voulte-sur-Rhône (France). The main groups in focus are mantis shrimps and certain other shrimps (e.g., mysids, caridoids), as well as the bottom-living ten-footed crustaceans (reptantians). Examples for studied structures are leg details, including the feeding apparatus, but also eyes. The results will contribute to the reconstruction of 3D computer models.The data collected in this project will be used for evaluating the relationships within Malacostraca, but mainly for providing plausible evolutionary scenarios, how the modern malacostracan diversity evolved. With the Palaeo-Evo-Devo approach, I am also able to detect shifts in developmental timing, called heterochrony, which is interpreted as one of the major driving forces of evolution. Finally, the reconstructed evolutionary patterns can be compared between the different lineages for convergencies. These comparisons might help to explain the convergent adaptation to similar ecological niches in different malacostracan groups, e.g., life in the deep sea, life on the sea bottom, evolution of metamorphosis or of predatory larvae.As the project requires the investigation of a large number of specimens in different groups, I will assign distinct sub-projects to three doctoral researchers. The results of this project will not only be published in peer-reviewed journals, but will also be presented to the non-scientific public, e.g., during fossil fairs or museum exhibitions with 3D models engraved in glass blocks.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Die Öffnung der Fram-Straße und ihr Einfluss auf Sedimenttransport, Klima und Ozeanzirkulation zwischen Arktis und Nordatlantik

Die Öffnung im frühen Neogen und anschließende Verbreiterung und Vertiefung der Fram-Straße, der einzigen Tiefenwasserverbindung zwischen Arktischem und Atlantischem Ozean, stellt ein grundlegendes tektonisches Ereignis dar, das weitreichende Konsequenzen fuer die globale Ozeanzirkulation und die Klimaentwicklung sowie fuer Sedimentationsprozesse in den angrenzenden Ozeanbecken und entlang der Kontinentalränder hatte. Die entstandenen Sedimentarchive erlauben es in der Kombination von seismischen Kartierungen mit stratigraphischen Untersuchungen an existierenden DSDP/ODP-Bohrkernen, Rueckschluesse auf die Entwicklungsgeschichte dieser tiefen Meeresstrasse auf tektonischen Zeitskalen (100.000-1.000.000 Jahre) zu ziehen. Die seismostratigraphische Untersuchung von sedimentären Strukturen anhand teilweise neu zu bearbeitender reflexionsseismischer Profile in der Fram-Straße und den Antragstellern neu zugänglich gemachter externer Daten von den angrenzenden bzw. konjugierten Kontinentalrändern von Grönland und Norwegen (Daten von BGR, NPD, GEUS) stellt somit wertvolle Informationen ueber die regionale tektonische, ozeanographische und klimatische Entwicklung bereit, u.a der Vereisungsgeschichte der nördlichen Hemisphäre. Unser Ziel ist es, aus den Reflexionsmustern und internen Sedimentstrukturen seismischer Profile auf die Ablagerungsmechanismen zu schließen, um damit wiederum tektonische Prozesse sowie Veränderungen der ozeanischen Zirkulation in der Fram-Straße zu rekonstruieren. Einen wesentlichen Beitrag dazu leisten veröffentlichte und geplante Überarbeitungen der Chronostratigraphie der DSDP/ODP-Bohrkerne der Lokationen 343, 642/643, 909, 910, 912 und 913, die eine Datierung der seismischen Grenzflächen (Reflektoren) und eine sedimentologische Charakterisierung der seismischen Einheiten ermöglichen.

Durchlässigkeits- und Fluxmessungen in porösen Aquifern

Die Kenntnis von hydraulischen Durchlässigkeiten wie auch von Wasser- und Verunreinigungsfluxen in porösen Grundwasserleitern ist von großer Bedeutung in vielen hydrogeologischen Belangen wie z.B. Beregnung, Versickerung, quantitative und qualitative Wasserwirtschaft, Risikoabschätzung bei Verunreinigungen, usw. Derzeit ist keine theoretisch gut fundierte Methode zur Messung horizontaler und vertikaler Durchlässigkeiten in der gesättigten Zone verfügbar und Methoden zur Messung von gesättigten Durchlässigkeiten in der ungesättigten Zone sind beschränkt, zeitaufwendig und fallweise unzuverlässig. Außerdem ist gegenwärtig keine Methode zur direkten Messung vertikaler Wasser- und Verunreinigunsfluxe in porösen Grundwasserleitern oder am Übergang zwischen Grund- und Oberflächengewässern bekannt. Das dargelegte Projekt basiert auf der Entwicklung einer exakten Lösung des Strömungsfeldes für das Ein- oder Auspumpen von Wasser durch eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen Filterabschnitten entlang eines ansonsten undurchlässigen Filterrohres bei verschiedenen Randbedingungen. Diese Lösung erlaubt die Ermittlung von Formfaktoren der Strömungsfelder, die zur Berechnung hydraulischer Durchlässigkeiten aus Einpressversuchen nötig sind. Die derzeit angewendeten Formeln können mit der genauen Lösung verglichen und der Einfluss anisotroper Durchlässigkeiten kann miteinbezogen werden. Eine doppelfiltrige Rammsonde wird zur bohrlochfreien Messung horizontaler und vertikaler Durchlässigkeiten in verschiedenen Tiefen unter dem Grundwasserspiegel vogeschlagen. Der Test besteht aus zwei Teilen: (1) Einpressen durch beide Filterabschnitte und (2) Zirkulation zwischen den Filtern. Die gleiche Sondenkonfiguration wird für die direkte und gleichzeitige Messung lokaler, kumulativer, vertikaler Wasser- und Verunreinigungsfluxe nach dem passiven Fluxmeter-Prinzip vorgeschlagen. Ohne zu pumpen werden die beiden Filterabschnitte hiebei durch eine mit Tracern geladene Filtersäule hydraulisch verbunden. Der vertikale Gradient im Testbereich treibt einen Fluss durch den Filter, der kontinuierlich Tracer auswäscht und Verunreinigungen im Filter hinterlässt. Aus der Analyse des Filtermaterials zur Bestimmung der Tracer- und Verunreinigungsmengen nach dem Test werden mit Kenntnis des Strömungsfeldes um die Sonde die Wasser- und Verunreinigungsfluxe bestimmt. Eine kegelförmige, doppelfiltrige Rammsonde wird weiters vorgeschlagen, um gesättigte Durchlässigkeiten sowohl über als auch unter dem Grundwasserspiegel direkt messen zu können. Die Methode basiert auf stationärer, gesättigt/ungesättigt gekoppelter Strömung aus kugelförmigen Hohlräumen. Die Möglichkeit einer transienten einfiltrigen Methode und einer Methode zur Messung anisotroper Durchlässigkeiten wird beurteilt. Die vorgeschlagenen theoretischen Konzepte werden ausgearbeitet und anhand von Laborversuchen überprüft.

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).

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.

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.

Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Dient sie zum Schutz gegen Fressfeinde und Pathogene?

Coccolithophoriden sind eine Gruppe von ca. 200-300 marinen Phytoplanktonarten, die in allen Weltmeeren vorkommt. Sie besitzen die besondere Fähigkeit eine Kalkschale (Coccosphäre) zu bauen, die sie aus vielen kleinen Kalkplättchen (Coccolithen) zusammensetzen. Aufgrund ihrer Fähigkeit zu kalzifizieren sind sie ein wichtiger Bestandteil im Klimasystem, denn die Produktion von Kalk nahe der Meeresoberfläche führt zu einem vertikalen Gradienten der Seewasseralkalinität, beschleunigt den Kohlenstoffexport in die Tiefsee und erhöht die Rückstrahlung von einfallender Sonnenenergie von der Erdoberfläche ins Weltall. Trotz intensiver Forschung an der Physiologie der Kalzifizierung und dessen biogeochemischer Relevanz konnten wir eine der entscheidenden Fragen immer noch nicht beantworten: Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Die Beantwortung dieser Frage ist von außerordentlicher Bedeutung, denn solange wir nicht wissen wozu die Kalkschale dient können wir auch nicht vorraussagen in welchem Maße sich die durch die Ozeanversauerung zu erwartende Abnhame in der Kalzifizierung negativ auf die Fitness dieser Lebewesen in ihrem natürlichen Lebensraum auswirkt. In dem hier vorgestellten Projekt möchten wir die Frage nach der Bedeutung der Kalzifizierung erforschen, indem wir untersuchen ob die Coccosphäre einen Schutz gegen planktonische Räuber, Bakterien und Viren darstellt. Dazu haben wir eigens einen experimentellen Ansatz entwickelt wobei kalzifizierte und dekalzifizierte Coccolithophoridentzellen zusammen mit deren Fressfeinden und Pathogenen kultiviert werden. Dieser Ansatz erlaubt es uns folgende Fragestellungen zu untersuchen: 1) Sind kalzifizierte Zellen besser in der Lage sich gegen Fraß und Infektion zu schützen als Zellen ohne Coccosphäre? 2) Bevorzugen Fressfeinde und Pathogene solche Zellen, bei denen die Coccosphäre entfernt wurde, wenn ihnen beides angeboten wird? 3) Sind Wachstum und Reproduktion von Fressfeinden und Pathogenen verlangsamt, wenn sie kalzifizierte Zellen fressen oder infizieren?

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