Kohlenstoff aus Erdoel und Erdoelderivaten unterscheidet sich in seiner Isotopenzusammensetzung von natuerlichen Kohlenstoffverbindungen im Meer und muesste, auch wenn er biologisch aufgearbeitet worden ist, bei hinreichender Konzentration nachweisbar sein. Messungen an jetzt geborgenen Proben sollen Bezugswerte liefern fuer Vergleiche in einigen Jahren, wenn die Erdoelfoerderung moeglicherweise zu staerkeren Verschmutzungen gefuehrt hat. An Proben, die vor den Raffinerien von Southampton entnommen wurden, deutet sich eine derartige Verschmutzung evtl. bereits an.
Die atlantische meridionale Zirkulation (AMOC) ist wesentlicher Bestandteil der Wärmeflüsse im Klimasystem, deren Veränderung in Bezug auf den künftigen Klimawandel nur schwer vorherzusagen ist. In diesem Projekt richten wir unseren Blick in die Vergangenheit auf das Marine Isotopenstadium (MIS) 11, dass vor rund 410,000 Jahren mit ähnlichen Orbitalparametern zu einer rund 30,000 Jahre andauernden Warmzeit geführt hat. Ein großer Teil des Grönländischen Eisschilds war abgeschmolzen und folglich der Meeresspiegel deutlich gegenüber heute erhöht. Traditionelle Nährstoff-Spurenstoffe liefern Hinweise auf eine starke Tiefenwasserbildung zu dieser besonderen Warmzeit. Um die Herkunft der Wassermassen, deren Strömungswege sowie die Mischungsverhältnisse zu rekonstruieren, hat sich das Isotopenverhältnis 143Nd/144Nd in der authigenen Phase von Tiefseesedimenten als sehr nützlicher Spurenstoff erwiesen. Im Rahmen dieses Projekts, haben wir die Nd-Isotopie aus authigenen Fe-Mn Ablagerungen an zahlreichen ODP/IODP Sedimentkernen, für die Dauer des MIS-11 und der vorangegangenen Eiszeit MIS-12 extrahiert. Im Atlantik ist eine deutliche Zunahme weniger radiogenen Neodyms meßbar, die wahrscheinlich eine stärkere Tiefenwasserbildung selbst in Zeiten einen verstärkten Eisverlustes in Grönland aufweist. Die untersuchten Sedimente bilden den gesamten tiefen Atlantik von Nord nach Süd ab, sowie einige Regionen mit direktem regionalen Einfluß auf die Nd-Isotopie. Neben einer starken Tiefenzirkulation während MIS-11 konnte auch ein wichtiger Beitrag von Wasser aus der Arktis (nahe der Island-Schottland-Schwelle), sowie ein langanhaltender Einfluss von Wasser der Labrador See nachgewiesen werden. Im tiefen Westatlantik sind über den gesamten Zeitraum des Interglazials sehr unradiogenen Nd Isotopenwerte vorzufinden. In diesem Fortsetzungsprojekt, möchten wir die zeitliche Auflösung der Nd-Isotopenuntersuchungen einiger Sedimentkerne aus der Labradorsee und dem Kapbecken verbessern und die Publikation der Ergebnisse mit Fokus auf den Vergleich von MIS-11 und einem zukünftig wärmeren Klima vorantreiben und bewerten.
Erfassung von Uran-235 und Thorium mittels beta-verzoegerter und instrumenteller Neutronenaktivierungsanalyse und y-Spektroskopie. Isotopenverhaeltnis Uran 235/Uran 238 dient als Indikator, ob die Quelle natuerlichen oder industriellen Ursprungs ist. Durchfuehrung solcher Untersuchungen im Urin strahlenexponierter Personen.
Die Auswirkungen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) auf die Luftqualität und damit auf die Gesundheit der Menschen auf lokaler oder regionaler Skala sind direkt offenkundig durch die schädlichen Effekte auf die Lebenswelt. Noch bedeutender ist die kritische Rolle, die VOC in chemischen Prozessen der Atmosphäre einnehmen. Die Bildung vieler sekundärer organischer Schadstoffe in der Atmosphäre wie Ozon, Peroxide, Aldehyde, Peroxyacetylnitrate und sekundäre organische Aerosole hängt entscheidend von der Verfügbarkeit der VOC und ihrer Vorläufersubstanzen ab. Wir planen die Messung von Isotopenverhältnissen und Konzentrationen spezifischer VOC in der Abluft großer Ballungszentren (MPC) in Europa und Asien durch Einsatz des Luftprobensammlers MIRAH auf den HALO-Missionen EMeRGe-EU und EMeRGe-Asia. Die Luftproben werden im Labor mittels Gaschromatographie-Verbrennungs-Isotopen-Massenspektrometrie analysiert. Isotopenverhältnisse in VOC sind wertvolle Indikatoren zur Untersuchung von Reaktionen, die derzeitigen Messverfahren nicht direkt zugänglich sind. Transport- und Mischungsprozesse in der Atmosphäre können damit visualisiert werden, wertvolle Information über dominante Prozesse, an denen VOC beteiligt sind, gewonnen werden. Bereits in den letzten HALO-Missionen, TACTS/ESMVal und den beiden OMO-Missionen, konnten wir zeigen, dass die beantragte Messmethode ein sensitives Werkzeug ist, z.B. für Quellstudien von VOC, zur Ableitung von Transportwegen und deren Einfluss auf die Verteilung der VOC, zur Abschätzung des Mischungsgrads, der Unterscheidung zwischen dynamischen und chemischen Prozessen, als auch zur Untersuchung atmosphärischer Umwandlung und Verweilzeit spezifischer VOC. Die Wertstellung dieser Ergebnisse wird sogar noch gesteigert durch den Vergleich mit Ergebnissen aus 3-dimensionalen Chemie-Transport-Modellen. Die folgenden geplanten wissenschaftlichen Zielsetzungen betten sich in die übergreifenden Ziele von EMeRGe-EU and EMeRGe-ASIA: (1) Messung der Zusammensetzung der in Europa und Asien entspringenden Schadstofffahnen und Bestimmung des Beitrags bestimmter VOC an der Zusammensetzung der Atmosphäre; (2) Bestimmung der weitreichenden Luftverschmutzung sowie deren Einfluss auf die Verteilung bestimmter VOC; (3) Identifizierung möglicher Unterschiede im Transport und der Umwandlung von VOC, die mit besonderen einzigartigen Charakteristiken europäischer und asiatischer MPCs verbunden sind; (4) Identifizierung von Oxidations- und Zwischenprodukten des VOC-Abbaus; (5) Informationsgewinnung über Oxidationswege durch Messung von Vorläufer- und Oxidationsprodukten; (6) Altersbestimmung von Luftmassen in unterschiedlichen Stadien der Schadstofffahnen; (7) Gegenüberstellung photochemischer Prozessierung gegen Transport und Mischung; (8) Verbindung der Informationen aus Isotopenverhältnissen mit bestimmten regionalen meteorologischen Daten; (9) Bereitstellung der Messdaten für Chemietransportmodelle.
Während des letzten Eiszeit-Zykluses wurde CO2 aus der Atmosphäre jahrtausendelang in den tiefen Ozeanen gebunden. Die ozeanische Wassermassenstruktur, die eine solche erhöhte Kohlenstoffspeicherung ermöglichte, ist jedoch weiterhin nicht bekannt. Inkonsistente Rekonstruktionsergebnisse sind größtenteils eine Folge der begrenzten. Insbesondere sind nur wenige Rekonstruktionen von Tiefenwassermassen-Struktur mittels des Neodym (Nd)-Isotopen-Proxys für die letzten 100.000 Jahren verfügbar. Als Selten Erden Elemente wird Nd nicht durch den biologischen Kreislauf beeinflusst, wodurch die Nd-Isotopenzusammensetzung des Meerwassers benutzt werden kann, um Änderungen des Kohlenstoffkreislaufs von der Zirkulation in der Tiefsee getrennt betrachten. Aufgrund des Unterschieds der Nd-Isotopensignaturen zwischen Nord- und Südwasser mehrfach über signifikant unterschiedliche Wassermassenstrukturen des Atlantiks in der Vergangenheit berichtet. Kürzlich wurden jedoch Prozesse identifiziert, die unabhängig von der Herkunft der Wassermasse, die archivierten Nd-Isotopensignaturen (vor allem in Verbindung mit benthischen Nepheloid-Schichten) verändern können und somit die Interpretation als Wassermassen-Tracer in Frage stellen. Diese Prozesse könnten erhebliche Auswirkungen auf paläo-ozeanographische Rekonstruktionen haben, da die meisten Studien bislang Nd-Isotopien unter der Annahme unveränderlicher endmember interpretierten. Gegenwärtig existiert jedoch kein Datensatz aus dem Nordatlantik, der den nördlichen endmember ausreichend genau repräsentiert und dabei den gesamten Glazialen Zyklus abdeckt. Die hier vorgeschlagene Studie wird die etablierte Methodik über den Nd-Isotopen-Proxy an der Universität Heidelberg nutzen und zielt darauf ab, diese kritische Datenlücke zu schließen, indem ein nördlicher Nd-Isotopen-endmember von einem Sedimentkern über die letzten 100.000 Jahre definiert wird. Der IODP-Kern U1313 aus dem subpolare Nordatlantik ist hierfür besonders geeignet, denn er verfügt u.a. über eine ausreichend hohe Sedimentationsrate und liegt außerhalb des Einflusses von benthischen Nepheloid-Schichten oder vulkanischem Material.
Es ist dringend erforderlich, die relevanten hydrologischen Prozesse in montanen mediterranen Einzugsgebieten zu verstehen, um deren potentielle Änderungen in ihren Funktionen für die Wasserversorgung durch den Klimawandel und Landnutzungsänderungen zu kennen. Daher möchte ich zusammen mit meiner Gastinstitution, dem IDAEA-CSIC in Barcelona, untersuchen, wie die Vegetation, die Böden und das Grundwasser das Speichern, die Mischung, die Abflussbildung, sowie die Evapotranspiration in dem Einzugsgebiet Vallcebre im Nordosten Spaniens beeinflussen. Die Forscher des IDAEA -CSIC haben hydrometrische Daten und stabile Isotope (d2H, d18O) der verschiedenen hydrologischen Kompartimente des Einzugsgebiets gesammelt. Somit liegen Informationen über den Freiland- und Bestandniederschlag, Stammabfluss, Bach- und Grundwasser, sowie Wasser im Boden und der Vegetation vor. Ich plane, diesen umfangreichen Datensatz zur Bestimmung der Verweilzeiten mit neue Methoden anzuwenden, damit sich unser Verständnis von Wasserfluss und Stofftransport in Einzugsgebieten verbessert. Ich werde zunächst testen, wie mittels 'StorAge Selection functions' (Rinaldo et al. 2015) die Dynamik der Verweilzeiten des Abflusses und der Evapotranspiration beschrieben werden können. Des Weiteren habe ich als Ziel die neuen Konzepte der 'young water fraction' (Kirchner 2016) and 'new water fraction' (Kirchner 2017) anzuwenden, um besser die kurzfristige Komponente der Verweilzeiten beschreiben zu können. Diese Methoden sind noch nicht für Mediterrane Einzugsgebiete getestet worden, aber der umfangreiche Datensatz für die Vallcebre Einzugsgebiete ermöglicht die Untersuchung aktueller Fragen der Einzugshydrologie: Können Studien zur Verweilzeit verbessert werden mit höherer Rate der Probennahme von Niederschlag und Abfluss? Wie wirken sich neu erschlossene Daten über Bestandsniederschlag, Stammabfluss, Wurzelwasseraufnahme oder Bodenwasserfluss auf die Analysen aus? Zuletzt werde ich die Information von Tiefenprofilen der Isotopenzusammensetzung von Porenwasser einbeziehen, um hydrologische Modelle zu testen und die Verweilzeiten im Boden mit der Verweilzeit des Einzugsgebietsabflusses in Bezug zu setzen. Letzteres baut auf meine Dissertation und derzeitiger Postdoc-Studien auf.
Die Nahrungsstrategien vieler Bodentiere, insbesondere der Mikrofauna, sind nur unzureichend bekannt. Meist erfolgt eine generelle Einteilung nach vorwiegend morphologischen Kriterien. Nahrungsnetzanalysen und Modelle verlangen jedoch nach einer genauen trophischen Klassifizierung. Im geplanten Forschungsprojekt werden zwei biochemische Methoden eingesetzt: Phospholipidfettsäuren als Biomarker für den Transfer von Kohlenstoff in der Nahrungskette und das 15N/14N-Isotopenverhältnis als Indikator für die trophische Stellung der Bodenfauna. Vergleichende Analysen sollen Aufschluss geben über Herkunft und trophische Anreicherung von Stickstoff und Fettsäuren, sowie physiologische Aspekte (z.B. Biosynthese) untersuchen. In Mikrokosmen werden hierzu Nahrungsketten simuliert (Mikroflora (Bakterien, Pilze), Sekundärzersetzer (Nematoden), Räuber (Milben, Collembolen). Daneben erfolgen Manipulationen des physiologischen Stoffwechselzustandes (Proteingleichgewicht, Nahrungsmangel) und Untersuchungen an Freilandfauna. Die zugrunde liegenden biochemischen und physiologischen Mechanismen der trophischen Anreicherung von 15N in einer Nahrungskette wurden bisher nur in wenigen kontrollierten Laborstudien untersucht. Zudem sind Fettsäuremuster von Bodentieren kaum bekannt. Letztere zur Klassifizierung von Nahrungsstrategien zu nutzen, bietet einen neuen und viel versprechenden Ansatz zur Analyse von Bodennahrungsnetzen.
Vom größten Riffkomplex des Atlantischen Ozeans vor der Küste von Belize (Zentralamerika) liegen bislang keine historischen Klimadaten aus Korallen vor. In dem hier beantragten Projekt sollen 18 bereits vorliegende Bohrkerne aus massiven Korallen von Belize sklerochronologisch und geochemisch untersucht werden. Variationen der Wachstumsraten und Schwankungen in der isotopischen Zusammensetzung von Kohlenstoff und Sauerstoff in den Korallenskeletten sollen ermittelt werden, um eine Klimageschichte der letzten 150-200 Jahre für die Region aufzustellen. Da die Kerne in unterschiedlichen Rahmenbedingungen (offenmarine, lagunäre und landnahe Position; unterschiedliche Wassertiefen) genommen wurden, sollte es weiterhin möglich sein, Einflüsse lokaler Variationen von Umweltparametern wie Temperatur, Salinität, Nährstoffgehalten und Licht zu entziffern. Die Ergebnisse dieser Studie sollen mit publizierten historischen Klimadaten des COADS (comprehensive ocean-atmosphere data set) Datensatzes verglichen werden. Weiterhin ist geplant, die Daten mit anderen im Atlantik im Bereich der Sklerochronologie tätigen Arbeitsgruppen auszutauschen, um einen Beitrag zur Rekonstruktion der Veränderlichkeiten von Meeresströmungen und Klima im karibisch-atlantischen Raum zu leisten.
Das Ziel des Antrags ist ein Modell der tiefen Fluidbewegung und ihrer Wegsamkeiten in dem Eger Rift zu entwickeln. Wir planen zum ersten Mal mechanische Modellierung (numerische Simulationen und unterstützende analoge Laborexperimente) mit sogenannten constrained Magnetotellurischen Inversionen und mit geochemischen Modellen zu verbinden. Dieser Prozess soll interaktiv geschehen, so dass das Resultat der einen Methode als Rahmenbedingung der anderen verwendet werden kann.Die Schwarmbeben im Vogtland/Westböhmen sind ein Beispiel für krustale Seismizität, bei der Fluide eine bedeutende Rolle spielen. Bezüglich der Schwarmbeben und ihrer Prozesse gibt es kontroverse Ansichten und unbeantwortete Fragen: F1) Welche Rolle spielt die regionale intrakontinentale Tektonik? Die Umgebung stellt eine Paleozoische Suturzone da, die in der Erdneuzeit durch post-orogene Extension reaktiviert wurde und dabei die Eger und Cheb-Domazlice Graben gebildet hat. Starke und räumlich verbreiteter alkalischer Vulkanismus ist ebenso mit dieser Region assoziiert. Durch was wurden die räumliche Ausbreitung und die geochemische Zusammensetzung des Vulkanismus kontrolliert? Welche Verbindung gibt es zwischen der Seismizität und dem Vulkanismus?F2) Welche Rolle spielen tiefe Fluidwegsamkeiten? Isotopenverhältnisse zeigen einen hohen aus dem oberen Erdmantel stammenden CO2 Fluss, der die Erdoberfläche in Form von CO2 angereicherten Mofetten und hydrothermaler Aktivität erreicht. Welche Wegsamkeiten existieren, entlang derer Magma und andere Fluide aufsteigen können; durch welche Faktoren werden sie kontrolliert? Welche Zusammensetzung und physikalisch- chemische Eigenschaften haben diese Fluide insbesondere auch während des Aufstiegs?F3) Welche Rolle spielen existierende Störungszonen, um Fluide zu kanalisieren und Seismizität zu triggern? Wie lassen sich die mechanischen Eigenschaften dieser Hochdruckfluide beschreiben, die in diese Störungszonen eindringen? Welche Prozesse und welche Mechanismen unterstützen diese Fluidbewegung? Wie ist die Zusammensetzung dieser krustalen Fluide, die in die seismisch aktiven Regionen vordringen? Was sind ihre physikalischen Eigenschaften und wie ist ihre zeitliche Entwicklung?Diese miteinander verbundenen Fragen stehen im Zentrum des ICDP Eger Rift Projekts. Wir werden numerische und analoge mechanische und geochemische Simulationen entwickeln. Dazu soll der Modellraum von 2D/3D MT Inversionsmodelle über das Gebiet der Schwarmbeben und Mofetten durch constrained Inversionen durch mechanische Simulationsergebnisse eingeschränkt werden. Vorhandene tiefe krustale Seismikdaten sowie MT Daten, die entlang von 2 senkrecht zueinander stehenden Profilen (Herbst 2015) und auf einem dichten Gitter (Frühjahr 2016) gemessen wurden, bilden hierbei die Datenbasis. Ein solcher Ansatz ist neu und zukunftsweisend für eine bessere Integration der Ergebnisse.
Wellen- und tidebeeinflusste sandige Strände machen einen Großteil der weltweiten Küstenlinie aus und spielen eine wichtige Rolle für Kohlenstoff-, Nährstoff- und Metallkreisläufe. Während Flut strömt Meerwasser in den Sedimentkörper, ebenso wird organisches Material eingetragen. Im Sediment wird dieses von Mikroorganismen abgebaut, sodass bei Ebbe an Nährstoffen angereichertes Wasser zurück in den Küstenozean strömt, wo die rezirkulierten Nährstoffe zur Primärproduktion genutzt werden. Durch mikrobielle Abbauprozesse entwickeln sich Redoxgradienten, die den Porenwasser-Chemismus prägen. Strände können sich außerdem in einer Mischzone zwischen süßem Grundwasser und Salzwasser befinden (subterranes Ästuar), sodass Salinitätsgradienten die Sediment-Porenwasser-Interaktion beeinflussen. Süßwasser ist zudem eine Quelle für terrestrische gelöste Stoffe. Um die globale Rolle von Strandsystemen in Bezug auf Kohlenstoff-, Nährstoff- und Metallzyklen verstehen zu können, ist es notwendig, biogeochemische Prozesse in Strandsedimenten detailliert und an verschiedenen Stränden weltweit zu untersuchen. Da in diesem Forschungsbereich nur wenige Studien existieren und insbesondere die Quellen- oder Senkenfunktion dieser Systeme bezüglich redoxsensitiver Metalle noch weitgehend unbekannt ist, wird dieses Projekt einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Metallzyklen in solchen Systemen liefern. Wir planen, biogeochemische Prozesse in den subterranen Ästuaren von zwei kontrastierenden Strandsystemen auf den Inseln Spiekeroog (NW Deutschland, mesotidal, siliziklastisch) und Mallorca (Spanien, mikrotidal, carbonatisch) zu untersuchen. Es sollen Hauptionen, DOC, O2, H2S, Nährstoffe (N, P, C, Si) und Spurenmetalle (Mn, Fe, U, Mo, V, Re) sowie Fe-Isotopenverhältnisse im Strandporenwasser analysiert werden. Wir planen ebenfalls die Sedimentzusammensetzung zu charakterisieren, da diese die Porenwasserzusammensetzung maßgeblich beeinflusst. An beiden Standorten sollen Transekte zwischen Düne und Niedrigwasserlinie bis in 5 m (Spiekeroog) bzw. 2 m (Mallorca) Tiefe hochaufgelöst beprobt werden. Der Fokus des Projekts liegt darin, Redox- und Salinitätsgradienten zu identifizieren sowie deren Auswirkungen auf die Porenwasserzusammensetzung zu interpretieren. Hydrochemische Modellierung anhand der erhobenen Daten soll zu einem besseren Verständnis der Effekte der Mischung von Grundwässern unterschiedlicher Zusammensetzung beitragen. Es sollen quantitative Aussagen zur Quellen- oder Senkenfunktion der Strände bezüglich essentieller Nährstoffe und redoxsensitiver Metalle erarbeitet werden. Fe-Isotopenverhältnisse dienen dazu, das limitierte Wissen über den Fe-Kreislauf in subterranen Ästuaren zu erweitern und die Fe-Isotopensignatur des Porenwasserflusses aus diesen Systemen besser zu definieren. Weiterhin wird diese Studie eine solide Datenbasis für die Modellierung des Porenwasser-Austroms von einzelnen Elementspezies aus permeablen Sedimenten in den Küstenozean liefern.
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