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Effeke lokalen Schwerewellenantriebs auf die mittlere Atmosphäre

Das Projekt beinhaltet eine Studie der Auswirkungen einer begrenzten Region erhöhter atmosphärischer interner Schwerewellenaktivität und Schwerewellenrechens auf die mittlere Atmosphäre. Die Charakteristik solch einer Region, ihre räumlich und zeitliche Variabilität und Verbindung zu anderen Klimaparametern wird anhand von GPS Radiookkultationsanalysen untersucht. Es werden Algorithmen zur dreidimensionalen Analyse der Wellenreibung und der Brewer-Dobson-Zirkulation (BDC) verwendet; als Datengrundlage dienen Simulationen mit einem mechanistischen Zirkulationsmodell der mittleren Atmosphäre und Reanalysedaten. Die dreidimensionaler Variabilität der BDC und die Rolle lokalisierter erhöhte Schwerewellenaktivität wird so untersucht. Weiterhin wird die Anregung und folgende Ausbreitung planetarer Wellen durch eine Region erhöhter Schwerewellenaktivität untersucht. Die Auswirkungen auf die Polarregionen (mittlere Zirkulation, Präkonditionierung, winterliche Stratosphärenerwärmungen) und auf die äquatoriale Stratosphäre (Einfluss auf Tropopausen Brüche und Stratosphäre-Troposphäre-Austausch) werden untersucht. Weiterhin wird der Einfluss lokalisierten Schwerewellenbrechens auf die mittlere Zirkulation der Mesosphäre analysiert, insbesondere im Hinblick auf stationäre Wellen, und ihre Variabilität.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Variation der antarktischen Wolkenkondensationskern- (CCN) und Eiskeim- (INP) Konzentrationen und Eigenschaften an NEumayer III im Vergleich zu deren Werten in der Arktis an der Forschungsstation Villum (VACCINE+)

Das aktuelle Klima der Erde verändert sich schneller, als von den meisten wissenschaftlichen Prognosen vorhergesagt wurde. Dabei erwärmen sich die Polargebiete schnellsten von allen Regionen der Erde. Die Polargebiete haben auch starke globale Auswirkungen auf das Erdklima und beeinflussen daher das Leben und die Lebensgrundlagen auf der ganzen Welt. Trotz der großen Fortschritte der Polarforschung der letzten Jahre gibt es nach wie vor schlecht verstandene Prozesse; einer davon ist die Aerosol-Wolke-Klima-Wechselwirkung, die daher auch nicht zufriedenstellend modelliert werden können. Wolken und deren Wechselwirkungen im Klimasystem sind eine der schwierigsten Komponenten bei der Modellierung, insbesondere in den Polarregionen, da es dort besonders schwierig ist, qualitativ hochwertige Messungen zu erhalten. Die Verfügbarkeit hochwertiger Messungen ist daher von entscheidender Bedeutung, um die zugrunde liegenden Prozesse zu verstehen und in Modelle integrieren zu können. Im ersten Teil des hier vorgeschlagenen Projekts schlagen wir, d.h. TROPOS, vor, die bestehenden Aerosolmessungen an der Neumayer III-Station um in-situ Wolkenkondensationskern- (CCN) und Eiskeim- (INP) Messungen zu erweitern für einen Zeitraum von fast zwei Jahren. Die erfassten Daten wie Anzahl der Konzentrationen, Hygroskopizität, INP-Gefrierspektren usw. werden mit meteorologischen Informationen (z.B. Rückwärtstrajektorien) und Informationen über die chemische Zusammensetzung der vorherrschenden Aerosolpartikel verknüpft, um Quellen für INP und CCN über den gesamten Jahreszyklus zu identifizieren. In einem optionalen dritten Jahr wollen wir die Ergebnisse der südlichen Hemisphäre mit den TROPOS-Langzeitmessungen des CCN und INP aus der Arktis (Villum Research Station) vergleichen, welche uns im Rahmen dieses Projekts von DFG-finanzierten TR 172, AC3, Projekt B04 zur Verfügung stehen werden. Ein Ergebnis des beantragten Projekts wird ein tieferes Verständnis dafür sein, welche Prozesse die CCN- und INP-Population in hohen Breiten dominieren. Die im Rahmen des vorliegenden Projekts gesammelten quantitativen Informationen über CCN und INP in hohen Breiten werden öffentlich zugänglich veröffentlicht, z.B. für die Evaluierung globaler Modelle und Satellitenretrievals.

Winterliche Wachstumsbedingungen und Nahrungsökologie des Zooplanktons der eisbedeckten Ostsee

Weite Teile der nördlichen Ostsee sind im Winter für mehrere Monate von Meereis bedeckt. Wie in Arktis und Antarktis stellt das solegefüllte Kanalsystem im Eis den Lebensraum für eine diverse Flora und Fauna dar. Bereits im Februar beginnen die Eisalgen zu wachsen und hohe Biomassen im Eis aufzubauen. In den Polargebieten wird diese saisonal früh vorhandene und lokal hoch konzentrierte Nahrungsquelle von herbivoren, pelagischen Zooplanktern genutzt, die somit eine trophische Verbindung zwischen den beiden Lebensräumen Meereis und Pelagial herstellen. Auch in der Ostsee kommen v.a. Copepoden unter dem Meereis vor. Die Art Acartia biflosa reproduziert sogar während der Wintermonate, obwohl Temperatur und Algenbiomasse während der eisbedeckten Zeit in der Wassersäule sehr niedrig sind. Hieraus ergeben sich folgende Fragestellungen: 1. Welche biotischen und abiotischen Wachstumsbedingungen charakterisieren das baltische Untereis-Habitat? 2. Was sind die Energiequellen für die Entwicklung im Winter dominanter Arten? 3. Gibt es in der eisbedeckten Ostsee vergleichbare Prozesse wie in Arktis und Antarktis? Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erfassung der ökologischen Bedeutung des Meereises für die saisonalen Lebenszyklen und Überwinterungsstrategien des Zooplanktons der nördlichen Ostsee.

Untersuchung der Schadstoffbelastung in den Polargebieten aufgrund des Klimawandels

Die Polargebiete sind durch ihre regionale Abgeschiedenheit zu anderen Ökosystemen und zu industriellen Einflüssen ideale Forschungsgebiete für das Umweltverhalten und den Nachweis von Chemikalien. Aufgrund dieser Abgeschiedenheit und ihrer klimatischen Besonderheiten, wurden die Polargebiete in der Vergangenheit oft als Referenzgebiete für eine niedrige Schadstoffbelastung betrachtet. Chemikalien können jedoch über große Entfernungen - sowohl über die Ozeane als auch durch atmosphärische Strömungen - in die Polargebiete gelangen. Durch den wachsenden Druck einer stärkeren wirtschaftlichen und menschlichen Nutzung der Polargebiete werden Daten zur Schadstoffbelastung dieser Gebiete immer wichtiger. Dabei sollte der Fokus sowohl auf lange bekannten aber auch auf neueren Schadstoffklassen liegen. Die Schadstoffbelastung der Polargebiete ist auch im Zusammenhang mit dem Klimawandel von großem Interesse. Erste Untersuchungen zeigen, dass die Schadstoffbelastung der Polargebiete durch das Schmelzen der Eismassen und die Wiederfreisetzung bisher gebundener Schadstoffgruppen deutlich zunimmt. Es sollen daher Informationen über die Schadstoffbelastung und deren Auswirkungen auf die polare Umwelt erarbeitet und von internationalen Akteuren zusammengeführt werden.

Aktivität und Stoffumsatz mikrobieller Nahrungsnetze im arktischen und antarktischen Meereis

Das Meereis ist ein einzigartiger Lebensraum für eine Gemeinschaft aus Pflanzen und Tieren, die ein im Meereis ausgebildetes Solekanalsystem besiedeln. Während ein guter Kenntnisstand über die mesoskalige Verteilung (ca. 10 cm) und die Zusammensetzung dieser Gemeinschaften vorliegt, ist die kleinskalige Verteilung (1 cm) und die Interaktionen der Organismen dieser Gemeinschaften nur wenig bekannt. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der kleinskaligen Verteilung der Organismen und der Struktur des Nahrungsnetzes, das von ihnen gebildet wird. Dabei soll insbesondere der Einfluß der inneren Oberfläche des Meereises auf den Aufbau des Nahrungsnetzes berücksichtigt werden. Von der Vermutung ausgehend, dass ein großer Anteil der eisassoziierten Bakterien- und Algenbiomasse in Form von Biofilmen vorliegt, soll die Biomasse und Aktivität an Oberflächen gebundener Bakterien und Algen mit der von frei in der Sole lebenden Organismen verglichen werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung von bakterien- und algenfressenden Protozoen und der Quantifizierung ihrer Bedeutung für den Stoffumsatz im Meereis.

REFOPLAN 2022 - Ressortforschungsplan 2022, Veränderungen der Ozeane als CO2-Senke im Klimasystem, die Rolle der Polargebiete und Bewertung potentieller Kipppunkte - Teil 1 (Fokus Arktis)

Die Ozeane sind allein schon durch ihre Masse ein zentrales Element des Klimasystems und des Kohlenstoffkreislaufes. Sie nehmen sehr hohe Mengen an Wärme und CO2 auf, verteilen sie über die Ozeanströmungen und puffern so unter anderem auch die anthropogenen Treibhausgase und Temperaturerhöhungen ab. Insbesondere die polaren Ozeane sind aufgrund der Bildung von Tiefenwasser wichtige CO2-Senken, die durch die zunehmende Erwärmung, den verstärkten Süßwassereintrag auf Grund der Land- und Meereisschmelze und auch durch die veränderte Meereschemie (z.B. Versauerung) gefährdet sind. Gleichzeitig nehmen Anzeichen zu, dass die globalen Meeresströmungen sich verändern und somit auch die Umverteilung von Wärme und Gasen beeinflusst wird. Das Vorhaben soll analysieren, welche Kipppunkte des Erd-Klimasystems in den Polargebieten verortet sind und welche Wissenslücken zur CO2-Aufnahmekapazität, insbesondere im Zusammenhang mit der biologischen Kohlenstoffpumpe, bestehen. Auf dieser Basis sollen die arktischen CO2-Senken definiert und quantifiziert sowie ihre zukünftige Rolle im sich veränderten globalen Klimasystem entsprechend aktueller IPCC-Klimaszenarien, bewertet werden. Dafür sollen im Vorhaben (Teil 1, Fokus Arktis) alle verfügbaren Daten für die Arktis gezielt weiterverarbeitet, ausgewertet und aufbereitet werden. Das übergeordnete Ziel ist, die politische Entscheidungsebene besser zu informieren und so die verstärkt benötigten Schutzambitionen in den Polarregionen zu unterstützen. Antarktisspezifische Analysen sind in einem zweiten Teilvorhaben geplant (vsl. 02/2025 bis 02/2026) und sollen - soweit möglich - in das Gesamtergebnis einfließen. Die vorläufigen Ergebnisse des Vorhabens sollen im Frühjahr 2025 in einer internationalen Fachveranstaltung (Fachkonferenz/Workshop) diskutiert und - soweit möglich - peer-reviewed publiziert werden.

Risiken der durch den Klimawandel verursachten schädlichen Algenblüte in grönländischen Gewässern, Vorhaben: Modellierung schädlicher Algenblüten in einer sich verändernden Umwelt

Ermittlung latitudinaler Artendiversitätsgradienten: Benthische Copepoda (Harpacticoida) und Loricifera des Südpolarmeeres

Im Rahmen des internationalen Expeditionsvorhabens ANDEEP (Antarctic benthic deep-sea biodiversity) soll die Artenvielfalt der benthischen Harpacticoida (Copepoda) untersucht werden. Dafür sollen auf zwei Fahrtabschnitten je zwei weit auseinanderliegende Stationen mit mehreren Multicorern hintereinander in Tiefen ab 3000 m beprobt werden. Für jede Probe soll die Artenzusammensetzung und die Abundanz der einzelnen Arten vierer ausgewählter übergeordneter Taxa (Argestidae, Pseudotachidiidae, Neobradyidae, Huntemanniidae) als Grundlage für eine Untersuchung der Diversitätsmuster ermittelt werden. Durch Vergleich der vier Stationen untereinander und mit denen der bereits durchgeführten DIVA-Expedition zum Angola-Becken soll überprüft werden, wie groß die Areale sind, die einzelne Arten besiedeln bzw. wie hoch der Anteil weit verbreiteter und lokaler Arten ist. Dies ist wichtig, will man zu einer überschlagmäßigen Abschätzung der Gesamtartenzahl der Harpacticoida in der Tiefsee gelangen. Außerdem wird ein Vergleich der Harpacticoida der antarktischen Tiefsee mit denen des Schelfes angestrebt. Ausgewählte Teiltaxa sollen systematisch bearbeitet werden. Zusätzlich werden von uns die Loricifera untersucht.

Polygons in tundra wetlands: state and dynamics under climate variability in Polar Regions (POLYGON)

Permafrost regions are strongly affected by ongoing global warming. The widely distributed Arctic patterned ground of polygonal wetlands underlain by permafrost is considered to be sensitive to environmental and climate changes. In a combined ecological and palaeo-ecological approach, modern, sub-recent and fossil ice-wedge polygons will be studied at three representative sites along a geographical gradient in the northeast Siberian lowlands in order to understand the temporal and spatial variations of polygon dynamics and their relation to climate change. In the proposed study design limnological, (palaeo-)ecological, pedological and cryological methods are tightly interconnected to assess modern and palaeo-environmental conditions and their main forcing parameters thoroughly. Terrestrial and aquatic species communities will be studied and cryogenic processes affecting polygonal landscape will be observed and evaluated. Results from the proposed project will allow predicting future environmental dynamics in permafrost regions. Extensive preparatory work including methodological tests, site visits and cooperation arrangements was performed by the applicants to ensure the feasibility of the project. The project will bring together German and Russian expertise in Arctic ecology and permafrost science complemented by international partners.

Stratosphärische Wasserdampf Simulationen: Von den Polarregionen zur Tropischen Tropopause

Wasserdampf ist das wichtigste natürliche Treibhausgas. Änderungen in der stratosphärischen Wasserdampfkonzentration und dessen Verteilung können den Strahlungshaushalt und die Oberflächentemperaturen der Erde beeinflussen und sich auf die Chemie der Stratosphäre auswirken. Wasser ist außerdem ein zentraler Bestandteil polarer Stratosphärenwolken (PSCs), die eine Schlüsselrolle beim Ozonabbau über den Polarregionen spielen. In der untersten Stratosphäre (LMS) können Zirrus Wolken wichtige Effekte in Bezug auf Chemie und Strahlung hervorrufen und dennoch sind deren Bildungsmechanismen noch weitgehend unbekannt. Dabei reagiert gerade die Region um die Tropopause besonders empfindlich auf kleinste Veränderungen in der Wasserdampfkonzentration und ein detailliertes Verständnis mikrophysikalischer Wolkenprozesse ist daher eine wichtige Voraussetzung für zuverlässige Klimaprognosen. Im Rahmen des Projektes 'Stratosphärische Wasserdampf Simulationen: Von den Polarregionen zur Tropischen Tropopause' werden vor dem Hintergrund einer verbesserten Repräsentation in globalen Simulationen (i) Ausfrierprozesse im tropischen Tropopausenbereich (TTL), (ii) Zirren in der LMS über den mittleren Breiten sowie (iii) PSCs und deren Auswirkungen auf den polaren Ozonverlust untersucht. Eine Vielzahl neuer Messungen und Studien zu PSCs hat das konventionelle Verständnis einzelner Bildungsmechanismen hinterfragt. Die verschiedenen Wege der Nukleation sollen im Hinblick auf ihr Potential zur Chloraktivierung quantifiziert werden, um so verfeinerte Vorhersagen zur Erholung der Ozonschicht zu erreichen. Ein Hauptziel des vorliegenden Projektes soll außerdem die Erforschung stratosphärischer Zirren, sowohl in den mittleren Breiten, als auch in der TTL bilden. Der Beitrag von Zirrus Wolken zum Strahlungshaushalt hängt stark von der Größenverteilung und damit von der Nukleationsrate der Eispartikel ab und bleibt weiterhin ein hoher Unsicherheitsfaktor in Klimavorhersagen. Darüber hinaus gilt es die Dehydrierung aufsteigender Luftmassen durch die TTL besser zu verstehen. Das Chemisch Langrangesche Modell der Stratosphäre (CLaMS), das am Forschungszentrum Jülich entwickelt wurde, ermöglicht eine präzise Modellierung von Dehydrierung und Denitrifizierung, Prozesse die sowohl die Ozonzerstörung beeinflussen als auch die Zusammensetzung der Stratosphäre kontrollieren. In Kombination mit hochaufgelösten in-situ Messungen und globalen Satellitendaten soll die Mikrophysik stratosphärischer Eiswolken in einzigartiger Weise untersucht werden. Eine Kopplung des Lagrangeschen Transportschemas in CLaMS mit dem Klimamodell EMAC ermöglicht es, die Auswirkungen von Veränderungen im stratosphärischen Wasserdampf auf Temperaturen an der Erdoberfläche zu untersuchen. Damit trägt dieses Projekt entscheidend zu einem verbesserten Verständnis der Schlüsselprozesse bei, die Schwankungen und Trends im stratosphärischen Wasserdampf und die dekadische Variabilität im Klimaantrieb bestimmen.

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