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Vergleichende Untersuchungen zu spätglazialen und holozänen Gletscherschwankungen ausgewählter Gebiete in Alpen, Kaukasus, Tienshan und Altai

Hauptziel der gemeinsamen Forschung von deutschen, österreichischen, russischen und kasachischen Geographen in diesem Projekt ist die Untersuchung spätglazialer und holzäner Gletscherschwankungen ausgewählter Gebiete im Kaukasus, Tienshan und Altai sowie deren Vergleich mit den Alpen. Eine räumliche und zeitliche Gegenüberstellung dieser Vergletscherungen in stärker ozeanisch bis kontinental geprägten Hochgebirgen der Mittelbreiten steht im Vordergrund der Untersuchungen, um daraus Aussagen über Synchronität oder Asynchronität von Klimaschwankungen in den letzten ca. 20.000 Jahren abzuleiten. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei der Frage der Gletscherschwankungen im Spätglazial und Holozän. In Auseinandersetzung mit Literaturangaben zu Vergletscherungen im Kaukasus, Tiensham und Altai sowie dem derzeitigen Forschungsstand über das letzte Hochglazial und die spätglazialen bis holozänen Gletschervorstöße sollen Fortschritte in der stratigraphischen und zeitlichen Einordnung und in der klimageschichtlichen Interpretation erzielt werden. Dazu werden moderne Methoden der relativen und absoluten Datierung herangezogen.(...) Die Arbeiten stellen einen Beitrag zur Erforschung der quartären Landschaftsgeschichte in den Untersuchungsgebieten dar und geben eine Basis zur Kennzeichnung des Naturraumpotentials.

Jungquartäre Klima- und Landschaftsentwicklung im Werchojansker Gebirge und in der Zentraljakutischen Tiefebene

Ziel des Vorhabens ist die Rekonstruktion der jungquartären Klima- und Landschaftsentwicklung des Werchojansker Gebirges und seines westlichen Vorlandes (NO-Sibirien). Im Vordergrund stehen folgende Fragen: (a) Wann war das Maximum der spätpleistozänen Vergletscherung? (b) Herrschte im Interstadial der letzten Kaltzeit (40-30 ka) ein warm-feuchtes Klima, welches möglicherweise die Zhiganskvergletscherung begünstigte? (c) War die mittelpleistozäne Samarov-Vergletscherung tatsächlich schwächer als das Maximum während des Spätpleistozäns? (d) Was war die Ursache für den Süßwasserzustrom aus Lena und Jana in die Laptevsee am Ende des Pleistozäns (Bölling/Alleröd)? Das Projekt wird von einem deutsch-russischen Team interdisziplinär (Paläoklimaforschung, Quartärgeologie, Geomorphologie, Geokryologie, Bodengeographie und Paläopedologie) durchgeführt. Ausgehend von der rezenten Vergletscherung im westlichen Werchojansker Gebirge werden die geomorphologischen, geokryologischen und bodengeographisch-paläopedologischen Befunde entlang ausgewählter Transsekte bis zu den Terrassen der Flüsse Lena und Aldan hin erfasst. Mit Hilfe absoluter und relativer Methoden wird die Chronologie der Gletschervorstöße und Klimaschwankungen erfasst. In der Synthese werden diese Befunde mit denen benachbarter Regionen verglichen.

Detection and Attribution des Klimawandels im Hochgebirge anhand der Kryosphäre: Auflösung der Prozessebene

Der menschliche Einfluss auf großräumige Änderungen des Klimas hat in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen, sowohl in Atmosphäre, Ozean und Kryosphäre. Die genauen Eigenschaften physikalischer Prozesse und Mechanismen, die den menschlichen Einfluss von großräumigen auf lokale Skalen übertragen, sind allerdings kaum bekannt. Dies bedeutet eine erhebliche Unsicherheit für die Folgen des Klimawandels in der Zukunft. Das Problem der Übertragung betrifft auch den Gletscherrückgang im Hochgebirge, der überdies ein seltener Indikator für den Klimawandel in der mittleren Troposphäre ist. --- Das vorliegende Projekt hat das Ziel, unser Verständnis des Klimawandels in großer Höhe entscheidend zu verbessern. Das Fundament dafür legt eine neuartige und interdisziplinäre Methodik, mit der wir den menschlichen Anteil am Klimawandel in der großräumigen Klimadynamik, der regionalen Zirkulation über den ausgewählten Gebirgen sowie in der atmosphärischen Grenzschicht der dortigen Gletscher quantifizieren können. Die Verknüpfung prozessauflösender, physikalischer Modelle von globaler bis lokaler Skala sowie außergewöhnliche Messungen auf Gletschern in großer Höhe spannen diese Methodik auf. Sie wird letztlich ermöglichen, den menschlichen Anteil präzise zu erklären und die dafür verantwortlichen Mechanismen ausweisen zu können, inklusive der empfindlichsten Zusammenhänge im multiskaligen System ('Achillesfersen'). --- Der Einfluss des Projekts wird sich deutlich über die Glaziologie hinaus erstrecken. Unser Wissen über das globale Klimasystem wird durch den besser verstandenen Aspekt der Verknüpfung zwischen bodennahen Luftschichten und der mittleren Troposphäre profitieren. Auf regionalen und lokalen Skalen helfen die Ergebnisse für die Abschätzung von Klimafolgen, da Gletscheränderungen Wasserreserven und Naturgefahren beeinflussen. Und schließlich werden die Ergebnisse neue Wege für die Klimafolgenforschung allgemein aufzeigen, indem sie eine prozessauflösende und skalenübergreifende Methodik demonstrieren.

Systematische Verbesserung von Atom Trap Trace Analysis für 39Ar und deren Anwendung zur Erstellung einer tausendjährigen Paläotemperaturzeitreihe aus Grundwasser

Das Edelgasradioisotop 39Ar ist einzigartig, da es das einzige Isotop ist, das den wichtigen Altersbereich von ca. 50 bis 1000 Jahren abdeckt. Damit ist es von großem Interesse für die Datierung in Ozeanagraphie, Glaziologie und Hydrogeologie. Die Entwicklung der Atom Trap Trace Analysis (ATTA) hat 81Kr Datierung möglich gemacht und hat das Potenzial, fundamental neue Anwendungen von 39Ar zu eröffnen. In einem Vorgängerprojekt haben wir zum ersten Mal gezeigt, dass die Messung von 39Ar an natürlichen Proben mit ATTA möglich ist. Aufbauend auf der im vorherigen Projekt und weiteren Vorarbeiten erworbenen Erfahrung soll das vorliegende Projekt die intellektuellen und instrumentellen Grundlagen von ATTA für 39Ar (ArTTA) als neues Werkzeug der Isotopenhydrologie schaffen. Wir zielen darauf ab, ArTTA vom proof-of-principle Stadium zu einer voll etablierten Methode voranzubringen und seine erste umfassende Anwendung durchzuführen. Basierend auf der vorhandenen Expertise in Grundwasser- und Paläoklimaforschung und unter Nutzung der Vorteile von Grundwasser als Testfeld für ArTTA, planen wir, die erste detaillierte Paläotemperaturzeitreihe für das letzte Jahrtausend aus Grundwasser zu gewinnen. Wir haben die folgenden zwei zentralen Ziele identifiziert: 1. Signifikante Verbesserung der Effizienz der ArTTA Apparatur. Eine Erhöhung der Zählrate ist notwendig, um den Probendurchsatz sowie die erreichbare Messgenauigkeit zu verbessern. 2. Realisierung der ersten kompletten Studie zur 39Ar-Datierung von Grundwasser mit ArTTA, um Grundwasser-Altersverteilung und Paläoklimaentwicklung auf der Zeitskala von Jahrhunderten zu bestimmen.

Die Auswirkung der dynamischen und thermodynamischen Eigenschaften der Strömung auf die räumliche und zeitliche Verteilung von Niederschlag im südlichen Patagonien

Der weit nach Süden vordringende Keil Südamerikas ist weltweit die einzige nennenswerte Landmasse zwischen ca. 45° und 60°Süd. Das senkrecht zur Hauptwindrichtung verlaufende Andengebirge stellt eine wirksame Barriere für die Westwinddrift dar und hat einen bestimmenden Einfluss auf die hemisphärische Zirkulation sowie das lokale Wettergeschehen. Das Gebirge zwingt die maritimen Luftmassen zum Aufsteigen, was häufig mit intensiven Steigungsregen auf der Luvseite der Anden einhergeht. Durch die Überströmung des Gebirges kommt es zur Ausbildung von speziellen Prozessgefügen in der atmosphärischen Strömung sowohl auf der Meso- als auch regionaler Skala. Der damit einhergehende Transport und Austausch von Energie und Masse beeinflusst maßgeblich die Entstehung und den Ausfall von Hydrometeoren. Trotz der starken Wechselwirkung zwischen Strömung, Topographie und Niederschlag wurde in Patagonien darüber bisher nur wenig geforscht. Das vorgeschlagene Forschungsvorhaben leistet daher einen Beitrag zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen dynamischen Prozessen und der räumlichen und zeitlichen Variabilität von Niederschlag in dieser Region. Ziel des Projektes ist die Quantifizierung wichtiger Prozesse die neue Aufschlüsse über die relevanten Mechanismen liefern soll. Anhand von hochauflösenden numerischen Simulationen werden an Einzelfallstudien die dynamischen und thermodynamischen Eigenschaften der atmosphärischen Strömung im Detail analysiert. Begleitende Sensitivitätsstudien mit vereinfachten analytischen Modelle werden zudem Aussagen zu den Auswirkungen der atmosphärischen Variabilität auf die Niederschlagsverteilung liefern. Das aus der Studie gewonnene Prozessverständnis ist eine wichtige Grundlage für weiterführende Forschungsarbeiten im Bereich der Hydrologie, Glaziologie und Ökologie.

Verbesserte geodätische Gletschermassenbilanzen durch Integration von Fernerkundung, Oberflächenmassenbilanz und Firnverdichtungsmodellierung - eine Beispielstudie von James Ross Island, Antarktis

Das Vorhaben zielt auf die Verbesserung von geodätischen Gletschermassenbilanzen ab. Neben einer Verbesserung der absoluten Genauigkeit wird vor allem auch eine verbesserte Fehlerquantifizierung/-abschätzung angestrebt. Zunächst werden Höhen- und Volumenänderungen aus der Differenzierung von digitalen Geländemodellen unterschiedlicher Zeitpunkte und Quellen bestimmt. Diese werden durch verschieden Verfahren wie Photogrammetrie und SAR Interferometrie (insbesondere der deutschen TanDEM-X Mission) gewonnen. Die derzeitigen Schwierigkeiten der geodätischen Methode resultieren vor allem aus Unsicherheiten der Eindringtiefe des Radarsignals bei trockenem Schnee bzw. gefrorener Schneedecke sowie bei der anschließenden Konvertierung von Volumen- in Massenänderungen, durch die Annahme eines Dichtewertes oder Dichteprofils. Hier soll durch den Einsatz eines gekoppelten Gletschermassenhaushalt- und Firnkompaktionsmodell zusammen mit den Fernerkundungsergebnisse eine entscheidende Verbesserung erzielt werden. Um das Modell und die Untersuchungen zu initialisieren und zu validieren, sollen Felderhebungen durchgeführt werden sowie auf einen sehr umfangreichen Datenbestand des Antragstellers und der tschechischen und argentinischen Kooperationspartner zurückgegriffen werden. Um Effekte und mögliche Fehler durch das Eindringen des x-Band Radarsignals besser quantifizieren zu können, werden Aufnahmen mit Sommer und Wintersituationen untersucht und mit GNSS Referenzdaten aus Geländeerhebungen verifiziert. Ferner werden die Ergebnisse der geodätischen Methode mit dem sogenannten Input-Output Verfahren ('flux gate approach') verglichen, um eine zusätzliche Absicherung der Ergebnisse zu erzielen. Das Projekt wird in enger Kooperation mit tschechischen Wissenschaftlern der Universitäten in Brno und Prag sowie mit Kollegen des Argentinischen Antarktisinstituts durchgeführt. Als Testgebiet wurde James Ross Island, an der nordöstlichen Spitze der Antarktischen Halbinsel, ausgewählt. Auch wenn die Untersuchungsregion in der Antarktis liegt, so sollen primär methodische Entwicklungen durchgeführt werden, die auf andere Standorte übertragbar sind. Der vorgeschlagene Standort bietet aufgrund der vorhanden Datenlage und Vorarbeiten sowie der internationalen Kooperation und logistischen Möglichkeiten ideale Voraussetzungen, die zu keinen nennenswerten Mehrkosten gegenüber anderen Standorten mit vergleichbaren Gletschergrößen führen. Zudem zeigen Vorarbeiten, dass die beobachteten Höhenänderungen der Gletscher auf einem kleinen Gebiet sehr unterschiedlich sind und daher in einem Gebiet unterschiedliche Magnituden, Richtungen und Mechanismen der Änderungen sowie unterschiedliche meteorologische Bedingungen untersucht werden können. Eine Situation und Konstellation, die an kaum einem anderen Standort derart gut vorliegt.

Dynamics and stability of Wilkins and George VI ice shelves on the south-western Antarctic Peninsula

Mapping and monitoring the break-up events on Wilkins Ice Shelf and identification of mechanisms and processes leading to break-up. Within this activity we integrate various high and moderate-resolution satellite images with special emphasis on SAR data. The analysis covers currently a time period back to 1986 (Landsat TM) with increasing dense time series to present. In close collaboration with the European Space Agency (ESA) and the German Aerospace Center (DLR) acquisition plans for the ENVISAT ASAR and TerraSAR-X instruments are implemented and the respective data analysed. Since September 2009, this activity is supported by a DFG research grant. Main aim is to derive surface velocity fields of the ice shelf and its tributary glaciers by satellite remote sensing as input for icedynamic modelling and fracture mechanical analyses.

ArTTA-10mL: Ein Instrument für die 39Ar-Datierung von kleinen Eis- und Wasserproben

Das Edelgasradioisotop 39Ar ist von großem Interesse für die Datierung in Ozeanographie, Glaziologie und Hydrogeologie, da es das einzige Isotop ist, das den wichtigen Altersbereich zwischen ca. 50 und 1000 Jahren abdeckt. Die fundamental neue Messmethode der Atom Trap Trace Analysis (ATTA), welche die 81Kr Datierung zum ersten Mal möglich gemacht hat, besitzt das Potenzial, die Anwendungen von 39Ar zu revolutionieren, indem sie die benötigte Probengröße um einen Faktor 100 bis 1000 reduziert. In einem Vorgängerprojekt haben wir zum ersten Mal gezeigt, dass die Messung von 39Ar an natürlichen Proben mit ATTA möglich ist, allerdings benötigten wir dazu immer noch Tonnen von Wasser. Vor kurzem haben wir anhand von Proben aus ersten Pilotprojekten mit Ozeanwasser und alpinem Eis gezeigt, dass die 39Ar-ATTA (ArTTA) Messung an Proben von ca. 25 L Wasser oder 10 mL Ar oder weniger möglich ist. Dieser Erfolg eröffnet komplett neue Perspektiven für die Anwendung der 39Ar-Datierung, die sehr wertvolle Information ergeben wird, die ansonsten nicht zugänglich wäre. Der Bedarf für solche Analysen, insbesondere im Gebiet der Spurenstoff-Ozeanographie, ist gut etabliert und dokumentiert durch Unterstützungsschreiben von unseren derzeitigen Partnern für ArTTA Anwendungen. Dieser Antrag wird es uns ermöglichen, die weltweit ersten ArTTA Geräte zu bauen, die auf Routinebetrieb mit kleinen Proben ausgelegt sind. Wir streben den Aufbau einer 39Ar-Datierungsplattform an, welche die Anforderungen für die Datierung in den Feldern der Grundwasserforschung, Ozeanographie und Gletscherforschung erfüllt. Um sinnvolle Anwendungen in der Tracerozeanographie zu ermöglichen, wird eine Kapazität von mindestens 200 Proben pro Jahr benötigt. Das neue Gerät für die Forschung wird damit lange angestrebte Anwendungen erlauben, die sonst nicht möglich wären. Basierend auf bisheriger Forschung haben wir einen klaren Plan für den Aufbau einer kompletten Plattform für den Betrieb von ArTTA: Eine neue Probenaufbereitungslinie basierend auf dem Gettern von reaktiven Gasen erlaubt die Abtrennung von bis zu 10 mL reinem Ar aus kleinen (kleiner als 25 L Wasser oder 10 kg Eis) Umweltproben in wenigen Stunden. Diese Proben werden zum ArTTA Gerät transferiert, welches aus zwei Modulen besteht: Das Optik-Modul erzeugt die benötigten Laserfrequenzen und Laserleistung, das Atom-Modul ist der Teil in dem die Atome mit atomoptischen Werkzeugen detektiert werden, die wir im Prototyp aus dem vorherigen Projekt realisiert haben. So weit als möglich wird die Anlage aus zuverlässigen, hochleistungsfähigen kommerziellen Teilen gebaut. Das System wird in einer hochkontrollierten Containerumgebung installiert, was einen modularen Aufbau gewährleistet, der in Zukunft an unterschiedlichen Orten aufgebaut werden kann.

Dendrochronologische Untersuchungen zur Klimavariabilität und Gletschergeschichte in Südwestchina (Gongga Shan, Minya Gonkar)

Das Forschungsvorhaben soll zur Rekonstruktion der Klima- und insbesondere der Monsunvariabilität in Südwestchina beitragen. Anhand von Bohrkernen klimasensitiver Bäume entlang klimatischer Höhengradienten sollen Jahrringchronologien mehrerer Baumarten für die letzten ca. 500 Jahre erstellt werden. Diese bilden die Basis zur Rekonstruktion verschiedener saisonaler Klimaelemente, die dann zum Witterungsverlauf während des gesamten Jahres rekombiniert werden. Durch die dendrochronologische Datierung verschieden alter Moränen soll die Gletschergeschichte der letzten Jahrhunderte rekonstruiert werden. Diese Daten werden durch Altersdatierungen mit der C14-Methode von fossilen Pflanzen- und Bodenresten ergänzt. Ein Vergleich der Gletschergeschichte des Gongga Shan mit dem zentralen Osttibet soll Unterschiede in der Dynamik des ostasiatischen Zweigs des Monsunsystems und des Indischen Monsunsystems zutage treten lassen. In Zusammenarbeit mit Prof. Richter (Erlangen) werden Studien zum Bestandesalter und zur Vegetationsdynamik von Pflanzenbeständen durchgeführt, die auf den Obermoränen der rezenten Gletscher gedeihen. Studien zum Entwicklungsgrad der Böden und der Bodentemperaturen im Wurzelraum dienen der besseren ökologischen Interpretation der dendrochronologischen Befunde.

Vergangene und zukünftige Entwicklung der Eismassen auf Svalbard - Klimaantrieb und Telekonnektionen

Der Klimawandel ist eine der Hauptherausforderungen für die Menschheit im 21. Jahrhundert. Seine Auswirkungen sind vielschichtig wobei der anwachsende Massenverlust von Gletschern außerhalb der großen Eisschilde sowie deren bedeutender Beitrag zum Meeresspiegelanstieg zu den am stärksten hervorstechenden zählt. Diesbezüglich sind die Gletscher und Eiskappen der Arktis aufgrund ihres großen Volumens und ihrer großen Oberfläche, die als Kontaktfläche zum Klima- und Ozeanantrieb und damit zum Klimawandel selber fungiert, von besonderer Bedeutung. Da die Arktis darüber hinaus diejenige Region der Erde mit dem höchsten, prognostizierten, zukünftigen Temperaturanstieg ist, wird erwartet, daß sich die Bedeutung der arktischen Eismassen für den Meeresspiegelanstieg auch in Zukunft fortsetzt oder sogar noch steigern wird.Die großen Gletscher der Nordpolarregion umgeben den arktischen Ozean in ähnlichen Breitenlagen, weisen aber in jüngster Zeit ein inhomogenes Verhalten auf. Diese Tatsache legt eine räumliche Variabilität der klimatischen und ozeanischen Antriebsmechanismen der Gletschermassenbilanz innerhalb der zirkumarktischen Regionen nahe und offenbart damit die Diversität der Einflüsse des Klimawandels. Bezüglich der Variabilität der Antriebsmechanismen weist Svalbard in der Arktis eine einzigartige Lage auf. Es liegt an der Grenze zwischen kalten, polaren Luftmassen und Ozeanwassern und den Einflüssen des Westspitzbergenstroms, welcher der hauptsächliche Warmwasserlieferant für das arktische Umweltsystem ist. Darum verspricht das Erforschen der Reaktionen der Gletscher auf Svalbard auf die Veränderlichkeit des Klima- und Ozeanantriebs bedeutende Einblicke in die komplexe Kausalkette zwischen Klimawandel, der Variabilität der Klima- und Ozeanbedingungen in der Arktis und der Reaktion der arktischen Landeismassen. Das Ziel des Projektes ist es eine zuverlässige Abschätzung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der klimatischen Massenbilanz aller Gletscher und Eiskappen auf Svalbard zu erreichen und diese mit dem Klima- und Ozeanantrieb in Verbindung zu setzen. Dazu wird ein räumlich verteiltes, von statistisch downgescalten Klimadaten angetriebenes Model zur Berechnung der klimatischen Massenbilanz aufgesetzt. Die Massenbilanz aller Gletscherflächen auf Svalbard wird für den Zeitraum 1948-2013 modelliert und die zeitlich variablen Felder von Ablation, Akkumulation, wiedergefrorenem Schmelzwasser und klimatischer Massenbilanz für anschließende geostatistische Studien genutzt. Diese Studien werden potentielle Einflüsse der raumzeitlichen Variabilität von großräumigen Mustern des Luftdrucks, der Meereisbedeckung und der Meeresoberflächentemperatur auf die Variabilität der Gletschermassenbilanz auf Svalbard identifizieren und analysieren. Auch Telekonnektionen zu fernen Modi der atmosphärischen Zirkulation werden durch Studien bezüglich der potentiellen Einflüsse verschiedener atmosphärischer Zirkulationsindizes in die Betrachtungen einbezogen.

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