Der Sauerstoffgehalt der Weltozeane ist notwendig zum Überleben der meisten Organismen und seine Abnahme hat damit einen enormen wirtschaftlichen Einfluss. Weil sich das globale Klima weiter ändert, werden nicht nur die Meere immer wärmer wodurch sie immer weniger Sauerstoff aufnehmen können, auch werden immer mehr Nährstoffe von den Kontinenten in den Meere gespült so dass viele Küstenregionen immer mehr Sauerstoff verlieren. Um den Einfluss des abnehmenden Sauerstoffgehalts auf marine Ökosysteme besser zu verstehen, brauchen wir Rekonstruktionen aus der Vergangenheit um zu verstehen was genau in der Zukunft passieren wird. Foraminiferen sind der ideale 'Proxy' um diese Änderungen zu rekonstruieren, weil sie nicht nur unter niedrigen Sauerstoffbedingungen überleben können sondern sogar auch weiter kalzifizieren, was notwendig ist um die Geochemie der Schalen zu nutzen. Während der Kalzifizierung werden z.B. redox-empfindliche Elemente wie Mangan in den Schalen eingebaut, was als Hinweis für frühere Sauerstoffbedingungen genutzt werden kann. Mit diesem Antrag plane ich, Mn/Ca in Foraminiferen zu nutzen, um zu zeigen wie der Pazifik im späten Pliozän den Großteil seinem Sauerstoffs verloren hat und damit seinen heutigen sauerstoffarmen Zustand erreichte. In diesem Projekt werde ich die nachfolgenden Hypothesen prüfen; zum ersten dass der Pazifik sein Sauerstoffgehalt innerhalb kürzester Zeit, nach dem Beginn der Nordhemisphären Vereisung (ca. 2.7 Ma), durch Wassermassenstratifizierung im Nordpazifik verloren hat; zweitens dass die Stratifizierung im Nordpazifik während des M2-Glazial (ca. 3.3 Ma) für die Abnahme des Sauerstoffgehalts des gesamten Pazifiks verantwortlich war; und drittens dass sich der Sauerstoffgehalt des Pazifik während der ersten Interglaziale (ca. 2.5 Ma) nach dem Beginn der Nordhemisphäre Vereisung zeitweise erholte.
Wir schlagen vor, IODP/ODP-Daten einzusetzen, um numerische Modelle für die Entstehung von Gashydraten in marinen Sedimenten zu kalibrieren. Wir möchten dabei besonders untersuchten, was mit dem Methangas geschieht, das entsteht wenn Gashydrate begraben und unterhalb der Stabilitätszone zersetzt werden. Dieses Gas kann entweder in die Stabilitätszone aufsteigen, um dort neues Hydrat zu bilden oder gemeinsam mit dem Sediment begraben werden. Wenn das Gas in die Stabilitätszone zurückfließt, kann dort sehr viel Hydrat akkumulieren. Ohne diese Rückführung liegt die Hydratsättigung im Porenraum dagegen in der Regel bei kleiner als 1 Prozent . In den Modellen, die bisher genutzt wurden, um die Hydratmenge im globalen Ozean abzuschätzen wurde angenommen, dass das Gas begraben und nicht zurückgeführt wird. Die tatsächliche Hydratmenge könnte sehr viel größer sein als bisher vermutet, falls die Gasrückführung ein weitverbreitetes Phänomen ist. Der Rolle der Gashydrate im Klimasystem und ihr Potential als fossiler Energieträger wären dann größer als bisher vermutet.
Die wichtigsten Energietranfers im mesoskaligen Skalenbereich (zwischen 100m und 10km) wird identifiziert, quantifiziert und parametrisiert, mit dem Ziel sie in globale Klimamodelle zu integrieren. Dies wird mit Hilfe numerischer Ansätze erreicht, die aus zwei verschiedenen Modellstudien bestehen, spezialisiert auf turbulente Flüsse und regionale Ozeanprozesse, sowie mit Hilfe eines Feldprogrammes, welches die Ostsee als ein 'natürliches Labor' für die Beobachtung von sub-mesoskaligen Energietransfers nutzt.
Wir quantifizieren die Diffusivität von Wirbeln und untersuchen die Interaktion von Wirbeln mit der mittleren Strömung sowie submesoskaligen Prozessen in Schlüsselregionen des Ozeans mit Hilfe von Lagrange-Partikelstatistik in Ozeanmodellen und Beobachtungen. Die Datengrundlage liefert ein Drifterexperiment und in-situ Beobachtungen an der Benguela-Auftriebsfront. Zusätzlich entwickeln wir eine energetisch konsistente Parametrisierung von meso- und submesoskaligen Prozessen welche wir für den globalen Ozean testen werden, wobei der Fokus auf Skalen von 100 km - 1 km liegt.
Als Teil der globalen thermohalinen Zirkulation transportiert das Antarktische Zwischenwasser (AAIW) Wärme und Salz, es belüftet die intermediären Tiefen des Ozeans, und verteilt Nährstoffe aus dem Südozean (SO) in die nährstoffarmen Tropen. AAIW ist daher von globaler Bedeutung für die marine Biogeochemie und den Kohlenstoffkreislauf. Die Bildung des AAIW ist direkt an die Intensität des Auftriebs von Zirkumpolarem Tiefenwasser im SO gekoppelt und wird moduliert von den Westwinden und saisonaler Aussüßung durch Meereisexport und -abschmelzen. Obwohl es unbestritten ist, dass Transport und Zusammensetzung von AAIW eine wichtige Rolle für die ozeanischen und klimatischen Änderungen der letzten Deglaziation spielten, gibt es bisher nur wenige längere Aufzeichnungen der AAIW-Variabilität. Obwohl noch immer kontrovers, gibt es basierend auf Proxy-Daten zunehmende Einigkeit über einen anhaltenden oder nur leicht abgeschwächten AAIW-Export im Atlantik während des letzten glazialen Maximums. Neodym(Nd)-Isotopendaten, die eine größere und schnelle Variabilität nahelegten, wurden inzwischen sedimentären Überprägungen identifiziert, ein Problem, das auf den kontinentalen Schelfen, von denen diese Daten überwiegend stammen, kaum vermeidbar ist. Um diese Effekte zu umgehen und ein Verständnis der AAIW-Variabilität auf langen Zeitskalen zu erlangen, schlagen wir eine neue Studie vor, die nur Bohrkerne von Lokationen im offenen Ozean im Südatlantik (DSDP Site 516), dem Südostpazifik (ODP Site 1236) und der Tasmansee (DSDP Site 592 und IODP Site U1510) nutzt. Diese Sedimente weisen zwar niedrige Sedimentationsraten auf, vorläufige Daten zeigen aber die erwartete Amplitude benthischer O- und C-Isotopen im Zwischenwasser. Die Sedimente waren durchweg oxisch, was die verlässliche Anwendung von Nd-Isotopen und Seltenerdelement-Proxies für die Wassermassenrekonstruktion erlaubt. Diese Daten werden O- und C- Isotopendate benthischer Foraminiferen und von Spurenmetallproxies für Temperatur (Mg/Ca, Li/Mg) und Nährstoffgehalt (Cd/Ca) vervollständigen. Nach Etablierung einer benthischen Isotopenstratigraphie für jeden Bohrkern sollen glazial-interglaziale Schlüsselintervalle vor, während und nach dem Mittelpleistozänen Übergang (MPT) auf alle Proxies analysiert werden. Diese Aufzeichnungen der Variabilität der Quellen des AAIW, des Nährstoffgehalts und der Temperatur werden die letzten 1,5 Millionen Jahre in verschiedenen Becken abdecken. Dies wird neue Einsichten in die Rolle liefern, die die AAIW-Variabilität für die globale Umwälzzirkulation gespielt hat, die den SO mit den niedrigen Breiten verbindet, wie die Ozeanzirkulation auf Änderungen orbitaler Parameter der Eisschilde reagierte, und welchen Einfluss dies auf den Kohlenstoffkreislauf an glazialen Terminationen des Pleistozäns hatte.
Es sollen Techniken entwickelt werden um die Kopplung zwischen Atmosphäre und Ozean durch die Formation und das Brechen von Oberflächenwellen im Ozean zu quantifizieren. Diese Techniken beinhalten eine numerische Implementierung von diffusen Grenzflächenmethoden für eine thermodynamisch konsistente und voll gekoppelte Simulationen der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser, sowie Feldexperimente zur gleichzeitigen Messung von Luftstrom, der Ozeanwellenkopplung, und der turbulenten Energiedissipation im oberen Ozean.
Vermischungsprozesse in dichtegetriebenen Strömungen erzeugen starke Wassermassenmodifikationen, die in diesem Projekt anhand des Dänemarkstraßen-'Overflows' untersucht werden. Basierend auf Beobachtungen und numerischer Modellierung versuchen wir die Wege und Prozesse zu verstehen, durch die Energie vom mesoskaligen Wirbelfeld zu den Submesoskalen und zu den dissipativen turbulenten Skalen transportiert wird. Der Effekt der Vermischung auf größere Skalen wird durch Vermischungsparametrisierungen in großskaligen Modellsimulationen untersucht.
Ein verbessertes IDEMIX-Modell für den Ozean wird erweitert um ein neues hochfrequentes, 'high-mode' Energiekompartment, Antrieb durch Dissipation mesoskaliger Wirbel, anisotropen Gezeitenantrieb sowie der Interaktion der Wellen mit der mittleren Strömung. Es wird validiert mit Hilfe von Beobachtungen und Modellergebnissen der Forschungs-Bereiche T, W und L und in ICON und FESOM implementiert in Zusammenarbeit mit dem Synthese-Bereich S.
Um regionale Meeresspiegeländerungen und deren Auswirkungen auf die Gesellschaft zu verstehen, müssen neue Formen von integrierter Forschung beschritten werden, die einen weiten, fächerübergreifenden Bogen spannen muss, von physikalischen bis hin zu sozialwissenschaftlichen Disziplinen. Nur ein solches Programm, wie es unter dem SPP 1889 'SeaLevel' etabliert wurde, kann die wissenschaftliche Basis für die Entwicklung von Informationen hervorbringen, die zur Unterstützung von Küstenschutz und Küstenzonen-Management und für die zur Minimierung des Einflusses von ansteigenden Meeresspiegel auf Gesellschaften erforderlich ist. Um ein solches interdisziplinäres Programm zum Erfolg zu führen, ist ein proaktives, ausgedehntes Projektmanagement erforderlich. Dieses gilt für jedes SPP, es gilt um so mehr für interdisziplinäre SPP, wie es das SPP SeaLevel ist. Während der zweiten Förderphase des SPP SeaLevel wird ein Hauptaugenmerk der Koordination darin liegen, eine kontinuierliche interdisziplinäre wissenschaftliche und organisatorische Koordination und Unterstützung aller Projekte bereitzustellen, das bestehende Netzwerk innerhalb des SPP weiter auszubauen, die Öffentlichkeitsarbeit und Gleichstellungsmaßnahmen weiter zu verstärken und in dieser zweiten und letzten Phase besonders auch die Sichtbarkeit und den Nutzen der SPP SeaLevel Ergebnisse zu maximieren. Hierfür wird die Koordination kontinuierlich die Zusammenarbeit aller Projekte und aller involvierten Disziplinen fördern und voranbringen und gewonnenen Informationen innerhalb des SPP und mit der internationalen Community austauschen. Die Koordination wird wie zuvor in allen ihren Aspekten und Modulen in ihrer Verantwortung bei D. Stammer liegen, der die allgemeine Verantwortung für das SPP trägt. D. Stammer wird unterstützt durch die Assistenz von Eleni Tzortzi, die wie in der ersten Phase dem SSP in allen Koordinationsaspekten und Modulen zur Seite stehen wird, die das SPP-Netzwerk weiter fördern wird, die reguläre Projekttreffen organisieren wird und die besonders in dieser zweiten Phase Abschlusskolloquien und Sonderausgaben eines wissenschaftlichen Journals mit unterstützen wird. Ohne diese Vollzeitunterstützung kann eine erforderliche Koordination dieses interdisziplinären SPP nicht garantiert werden.
Das primäre Forschungsziel des Projekts ist das Verständnis der biotischen und abiotischen Prozesse, welche die molekulare Zusammensetzung von gelöstem organischem Material (engl. DOM) in tiefen, hydrothermal beeinflussten Sedimenten bestimmen. Hierzu steht uns bereits ein umfassender Satz von Porenwasser- und Sedimentproben aus dem Guaymas-Becken zur Verfügung, die im Rahmen der IODP-Expedition 385 (Sep. - Nov. 2019) erbohrt wurden. Die Proben wurden aus bis zu 500 Meter langen Bohrkernen von acht Bohrlokationen gewonnen, die unterschiedliche hydrothermale Gradienten aufweisen. Durch die Bestimmung der molekularen Zusammensetzung von Porenwasser-DOM und Wasser-extrahierbarem organischem Material aus dem Sediment sollen deren hydrothermale und mikrobielle Überprägung erfasst werden. Mit Hilfe von ultrahochauflösender Massenspektrometrie (FT-ICR-MS), modernen molekularbiologischen Methoden und Kohlenstoff-Isotopen-Analyse sollen aktuelle Wissenslücken zu den molekularen Eigenschaften von DOM in tiefen Sedimenten geschlossen werden. Wir werden 1) die molekulare Zusammensetzung von DOM in Organik-reichen, hydrothermal geprägten Sedimenten im Vergleich zu unbeeinflussten Sedimenten charakterisieren und 2) die Verbindung zwischen der molekularen Zusammensetzung des DOM mit dem mikrobiellen Stoffwechsel in der tiefen Biosphäre entlang von Temperatur- und Redoxgradienten entschlüsseln. Die Ergebnisse sollen zudem mit Proben aus der Wassersäule verglichen werden, die während einer FS Atlantis-Ausfahrt zum Guaymas-Becken im Jahr 2018 gewonnen wurden, um den Transport von hydrothermalen DOM in die Tiefsee zu untersuchen. Im Rahmen des Projekts werden die folgenden Hypothesen getestet: I) Die hydrothermale Aufheizung tiefer Sedimente erzeugt und setzt große Mengen von reaktivem und refraktärem DOM frei, II) Hydrothermales thermogenes DOM (engl. dissolved black carbon, DBC) trägt zur stabilen Kohlenstoff-Isotopensignatur mariner Prägung und zum Radiokarbonalter des refraktären ozeanischen DBC bei, und III) die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft in der Tiefen Biosphäre wird durch die geochemischen und thermalen Gradienten beeinflusst und hängt mit spezifischen reaktiven, hydrothermal erzeugten DOM-Verbindungen zusammen. Insgesamt bietet das Projekt die einmalige Gelegenheit, die Biogeochemie von DOM entlang hydrothermaler Gradienten in tiefen Sedimenten, aber auch im Übergang von Lithosphäre zur Hydrosphäre zu untersuchen.
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| Bund | 25 |
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| Förderprogramm | 25 |
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| offen | 25 |
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| Deutsch | 24 |
| Englisch | 25 |
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| Webseite | 25 |
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| Boden | 18 |
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| Luft | 23 |
| Mensch und Umwelt | 25 |
| Wasser | 25 |
| Weitere | 25 |