Der südliche Indische Ozean gehört zu den am wenigsten untersuchten Meeresgebieten. Entlang eines zonalen Transekts bei 23°S im südlichen Indischen Ozean wollen wir mit Hilfe der Verteilung von isotopischen Tracern (Radiumisotope, Thorium, Helium) die Quellen, die Senken und die Flüsse von Spurenelementen (TEs: Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, V, Zn) in der Wassersäule untersuchen. Die Anwendung von Radiumisotopen (224Ra, 223Ra, 228Ra,226Ra,), Thoriumisotopen (234Th, 232Th) und Heliumisotopen (3He, 4He) erlaubt ein besseres Verständnis der biogeochemischen Zyklen von TEs. Da einige dieser Spurenelemente als Mikronährstoffe fungieren, wollen wir ihre biogeochemischen Kreisläufe und ihre Wechselwirkungen mit der Bioproduktivität im Oberflächenwasser sowie ihre Wechselwirkungen mit den Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufen erforschen. Durch die Kombination von Messungen von TEs mit Radium- und 234Th-Isotopen als Tracer für vertikale und horizontale Flüsse, 232Th als Tracer für den Staubeintrag und Heliumisotope als Tracer für einen hydrothermalen Eintrag, werden wir die Zufuhrpfade von TEs aus der Atmosphäre, den Kontinenten (hauptsächlich dem Sambesi-Fluss), den Sedimenten der afrikanischen und australischen Kontinentalschelfe und aus den hydrothermalen Quellen (Hydrothermalismus am Mittelindischen Ozeanrücken) bestimmen und quantifizieren. Diese Untersuchungen sollen auf Probenmaterial basieren, das während der Sonne Ausfahrt SO-276 (Juli – August 2020) von Durban (Südafrika) nach Fremantle (Australien) gewonnen wird. Unsere Untersuchungen sind Teil des international koordinierten Programms GEOTRACES und werden zum „Second Indian Ocean Expedition Program (IIOE-2)“ beitragen. Wir erwarten, dass die Ergebnisse der vorgesehenen Untersuchungen einen signifikanten Beitrag zum Verständnis von Ökosystemen und ihrem chemischen Milieu liefern werden.
Die Madden-Julian Oszillation (MJO) (Madden & Julian 1971, 1972) ist der dominante Teil der intrasessionalen Variabilität der tropischen Atmosphäre. Sie äußert sich vor allem in ostwärts wandernden Gebieten tiefer Konvektion und erhöhten Niederschlages. Weiterhin beeinflusst die MJO durch dynamische Kopplung das lokale Wetter des Indischen Ozeans und der Pazifischen Inseln. Außerdem spielt die durch vertikale Kopplung vermittelte Interaktion mit anderen wiederkehrenden dynamischen Phänomenen, wie zum Beispiel der Quasizweijahresschwingung der inneren Tropen (Quasi-biennial Oscillation, QBO), eine wichtige Rolle für das Verständnis tropischer Winde. Obwohl die Datenbasis über die MJO, der tiefen tropischen Konvektion und des Niederschlag in den Tropen im Verlauf der letzten Jahrzehnte eine deutliche Verbesserung erfuhr, verbleibt die Modellierung und Simulation der MJO als ein ernstes Problem heutiger atmosphärischer Modelle. Aus diesem Grunde beschäftigt sich das hier vorgeschlagene Projekt mit wichtigen Fragestellungen bezüglich dieser Modellierungsprobleme. Dabei wird auf Methoden, welche während der Anfertigung meiner Doktorarbeit zur Modellierung konvektiver Schwerewellen entstanden, zurückgegriffen. Das Projekt gliedert sich hierbei folgendermaßen in zwei wesentliche wissenschaftliche Fragestellungen:Wie beeinflusst die MJO die Ausbreitung und Dissipation konvektiv angeregter Schwerewellen?Wie wirken diese konvektiven Schwerewellen zurück auf die MJO und deren Konvektion?Das zur Beantwortung dieser Fragen notwendige Werkzeug ist ein gekoppeltes Modell konvektiv angeregter Schwerewellen und ihrer Ausbreitung, welches ich bereits sehr erfolgreich für Studien meiner Dissertation nutzte. Zusätzlich wird die Anwendung des WRF (Weather Research and Forecasting) Modells die numerische Modellierung auf der Mesoskala unterstützen. Einen weiteren Fokus setzt das Projekt auf Impulsflussspektren der Schwerewellen und ihrer durch die MJO induzierten Variabilität. Es wird außerdem untersucht, ob diese MJO induzierte Variabilität von Satelliteninstrumenten aus beobachtet werden kann. Dies wird Einsichten in den durch flache und tiefe Konvektion emittierten Schwerewellenimpulsfluss eröffnen. Im Falle der Feedbackmechanismen wird der Schwerpunkt auf den Einfluss des Schwerewellendrag auf die sekundäre Zirkulation der MJO gelegt.
The Tropical Glaciology Group's research on Kilimanjaro started in 2002 and is in progress. Central aspects of our research plan are: 1) Development of the working hypothesis: From a synopsis of (i) proxy data indicating changes in East African climate since ca. 1850, (ii) 20th century instrumental data (temperature and precipitation), and (iii) the observations and interpretations made during two periods of fieldwork (June 2001 and July 2002) a scenario of modern glacier retreat on Kibo is reconstructed. This scenario offers the working hypothesis for our project. 2) Impact of local climate on the glaciers: This goal involves micrometeorological measurements on the glaciers, and the application of collected data to full glacier energy and mass balance models. These models quantify the impact of local climate on a glacier, based on pure physical system knowledge. Our models are validated by measured mass loss and surface temperature. 3) Latest Extent of the Kilimanjaro glaciers: Here, a satellite image was analyzed to derive the surface area and spatial distribution of glaciers on Kilimanjaro in February 2003. To validate this approach, an aerial flight was conducted in July 2005. 4) Linking local climate to large-scale circulation: As glacier behavior on Kilimanjaro, a totally free-standing mountain, is likely to reflect changes in larger-scale climate, this goal explores the large-scale climate mechanisms driving local Kilimanjaro climate. Well known large-scale forcings of east African climate are sea surface temperature variations in the Pacific and, more important, in the Indian Ocean. 5) Regional modification of large-scale circulation: The regional precipitation response in East Africa due to large-scale forcing is not adequately resolved in a global climate model as used in 4). Thus, mesoscale model experiments with the numerical atmospheric model RAMS will be conducted within this goal. They are thought to reveal the modification of atmospheric flow by the Kilimanjaro massif on a regional scale. 6) Practical aspects: Based on micro- and mesoscale results, (i) how much water is provided by glaciers, (ii) providing future projections of glacier behavior as basis for economic and societal studies (practical part), e.g., for studies on the impact of vanishing glaciers on Kibo's touristic appeal, and (iii) which impact does deforestation on the Kilimanjaro slopes have on summit climate? Referring to item 2), two new automatic weather stations have been installed in February 2005. They complete a station operated by Massachusetts University on the surface of the Northern Icefield since 2000.
Im Projekt 'Circulation and Climate of the Indian Ocean' (CICIO) wird beantragt, die Zirkulation des westlichen Südindischen Ozeans mit profilierenden Tiefendriftern (Typ APEX) zu untersuchen, die auf flachen Trajektorien (200 m und 400 m) mit den Wassermassen mittreiben und alle 10 Tage Profile von Temperatur und Salzgehalt bis 2000 m messen und über Satelliten (ARGOS) absetzen. ... Die Arbeiten haben folgende Zielsetzungen: - Verbesserte Kenntnis der mittleren Zirkulation; Verfolgung des durch die Indonesischen Passagen eindringenden Pazifik-Wassers sowie des in der Südhemisphäre im Winter bei Abkühlung in die Sprungschicht eingetragenen (subduzierten) Wassers mit dem Südäquatorialstrom nach Westen, anteilige Aufspaltung in Somalistrom bzw. Verlassen des subtropischen Indischen Ozeans nach Süden und damit auch ein Beitrag zur Bestimmung der Ankopplung des Indischen Ozeans an das Weltmeer. - Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Sprungschichtvariabilität im Auftrieb in der Auftriebszone bei 5-10 Grad S und deren Relevanz für die atmosphärische Variabilität. Diese Zone nimmt nach neuen Erkenntnissen eine Schlüsselrolle für die Niederschlagsvariabilität über Ostafrika ein. - Beitrag zu ARGO: Das Vorhaben soll auch ein deutscher Beitrag zum internationalen Programm ARGO ('Array for Real-time Geostrophic Oceanography') sein, mit dem in den kommenden drei Jahren derartige Floats alle Ozeane (mit einer geplanten Gesamtzahl von ca. 3000) abdecken sollen, um die Rolle des Ozeans für Klimaschwankungen besser verstehen zu können. Die Auswertung der Beobachtungen wird großteils in internationaler Absprache mit anderen ARGO-Gruppen des Indischen Ozeans (besonders USA und Frankreich) erfolgen.
Marines Mikroplastik (MMP) ist eine zunehmende anthropogene Verschmutzung in den Meeren. Der Einfluss auf marine Tiere, durch Verfangen und verschlucken von Plastikmüll, ist bekannt. Aber der Einfluss von MMP auf Mikroorganismen, wie Bakterien, Archaeen und Protisten, die die Basis der Nahrungsnetze bilden, ist kaum verstanden. Auf Grund der besonderen Eigenschaften von MMP, kann es als neues Habitat und als Transportmittel für bestimmte u.a. auch gesundheitsgefährdende Mikroorganismen dienen, die über lange Distanzen bis in entlegene Regionen transportiert werden können. Darüber hinaus kann MMP das Zusammenleben von Mikroorganismen in enger Nachbarschaft ermöglichen und die Stoffwechselwege vieler verschiedener Verbindungen beeinflussen. Um den Einfluss von MMP und ihrer assoziierten Mikroorgansimen auf marine Ökosysteme zu verstehen, müssen wir die Zusammensetzung und Interaktionen von mikrobiellen Gemeinschaften auf MMP identifizieren und ihre globale Ausbreitung untersuchen. Ich möchte die Diversität und die räumliche Verteilung von mikrobiellen Gemeinschaften auf MMP charakterisieren. Proben von MMP wurde bereits von meinem Gastinstitut in verschiedenen Meeresregionen (Atlantik, Pazifik, Indischer Ozean) gesammelt. Mein Ziel ist es: 1) zu identifizieren, welche Mikroorganismen auf MMP vorkommen; 2) die lokale Verteilung und Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft auf MMP und in Experimenten auf Bioplastikpartikeln zu untersuchen; 3) zu verstehen, welche Mikroorganismen am stärksten mit der Polymer Oberfläche assoziiert sind; 4) herauszufinden, ob es charakteristische Mikrobiome auf MMP in verschiedenen Meeresregionen gibt und 5) zu untersuchen, welche Mikroorganismen MMP abbauen können. Die Chancen für die erfolgreiche Durchführung des vorgeschlagenen Projekts ist hoch, da präperierte Proben bereits in meinem Gastlabor vorhanden sind, an denen die innovative Mikroskopiertechnik namens CLASIFISH (Combinatorial Labelling and Spectral Imaging Fluorescence In Situ Hybridization) angewandt werden kann. Diese Methode ermöglicht es viele verschiedene Mikroorganismen und ihre räumliche Verteilung auf einem Plastikpartikel schnell und präzise zu identifizieren. Ich möchte diese Methode an Proben aus dem Atlantik und Pazifik anwenden, sowie Mikroben identifizieren, die im offenen Ozean Plastik abbauen. Zusätzlich möchte ich Inkubationsexperimente mit Bakterienkulturen, die bereits auf Plastik identifiziert wurden und in meinem Gastinstitut zur Verfügung stehen, auf Bioplastikpartikeln durchführen. Mit diesen Experimenten möchte ich herausfinden, wie sich mikrobielle Gemeinschaften auf Bioplastik über die Zeit entwickeln und ob bzw. wie diese Mikroben Plastik abbauen. Für diese Inkubationsexperimente möchte ich FISH, CLASIFISH, scanning electron microscopy sowie metagenomische und metatranscriptomische Ansätze verwenden.
Das tropische Südostafrika ist eine Region, die stark von hydroklimatischen Veränderungen im Zuge der globalen Erwärmung betroffen sein wird, wobei deren Ausprägung und sozio-ökonomische Konsequenzen allerdings noch weitestgehend unverstanden sind. In diesem Zusammenhang bietet die Untersuchung regionaler Veränderungen in Hydroklima und Vegetation während des letzten Interglazials, eines durch höhere Temperaturen als heute gekennzeichneten Zeitabschnitts, die Möglichkeit, wichtige Einblicke hinsichtlich der zukünftigen Entwicklung in der Region zu gewinnen. Darüber hinaus umfasst das letzte Interglazial auch eine wichtige Phase in der Entwicklungsgeschichte des Menschen, die Migration der ersten modernen Menschen aus Afrika hinaus. Obwohl das letzte Interglazial also einen bedeutenden Zeitabschnitt für Südostafrika darstellt, sind die Kenntnisse über die Variabilität des regionalen Hydroklimas, die zugrundeliegenden Antriebsmechanismen und die Konsequenzen für die Migration des modernen Menschen noch weitestgehend unerforscht. Im Rahmen dieses Projekts sollen marine Sedimente von der IODP Site U1477 in der Straße von Mosambik untersucht werden, um Veränderungen des Hydroklimas und der Vegetation im tropischen Südostafrika während des Zeitraums zwischen ca. 150.000 und ca. 70.000 Jahren vor heute zu rekonstruieren. Dazu werden die Verhältnisse stabiler Wasserstoff- (delta D) und Kohlenstoffisotope (delta 13C) von langkettigen n-Alkanen (n-C27 bis n-C33) in den marinen Sedimenten gemessen. Diese n-Alkane sind Bestandteile der Blattwachse von Landpflanzen und werden über den nahen Sambesi in den Ozean eingetragen. Da das delta D-Verhältnis der n-Alkane hauptsächlich dem des regionalen Niederschlags entspricht, welches wiederum von der Niederschlagsmenge abhängig ist, kann es zur Rekonstruktion hydroklimatischer Veränderungen im Einzugsgebiet des Sambesi in der Vergangenheit benutzt werden. Das delta 13C-Verhältnis wiederum erlaubt die Rekonstruktion von Veränderungen im Verhältnis von C3- (z.B. Bäume) und C4-Pflanzen (z.B. Gräser), da diese sich signifikant in ihrem delta 13C-Verhältnis unterscheiden. Darüber hinaus wird auch die Konzentration der zweifach- und dreifach ungesättigten Homologe des langkettigen Alkenons n-C37 in den Sedimenten analysiert. Diese organischen Verbindungen werden von Haptophyten, marinen Algen, gebildet und da ihr Verhältnis, auch als UK'37-Index bekannt, von der Oberflächentemperatur des Ozeans zur Zeit des Algenwachstums abhängig ist, kann es zur Rekonstruktion von Veränderungen der Oberflächentemperatur im südwestlichen Indischen Ozeans in der Vergangenheit genutzt werden. Der Vergleich dieser Datensätze mit anderen regionalen und globalen Klimaarchiven wird neue Erkenntnisse bezüglich hydroklimatischer Veränderungen in Südostafrika während des letzten Interglazials und ihrer Antriebsmechanismen als auch hinsichtlich ihres Einflusses auf die Migration der ersten modernen Menschen liefern.
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