CSponge ist ein aus dem Helmholtz Innovationspool “Erde und Umwelt” gefördertes Gemeinschaftsprojekt unter der Leitung vom GFZ (Dirk Sachse) und in Zusammenarbeit mit dem UFZ (Oliver Lechtenfeld).
Mit CSponge wollen wir ein neues landschaftsbezogenes Konzept für die künftige Landnutzung oder -bewirtschaftung entwickeln, um "Netto-Null-Landschaften" zu erreichen. Um CO₂-Emissionen "netto null" zu erreichen, sind natürliche und technische Ansätze zur CO₂-Bindung (Carbon Dioxide Removal, CDR) unerlässlich. Die derzeitigen natürlichen CDR-Techniken, wie die Verbesserung der Kohlenstoffspeicherung im Boden oder die Aufforstung, binden Kohlenstoff nur für Jahrzehnte mit begrenzter Kapazität. Nachhaltige Ansätze zur Stabilisierung von Kohlenstoff auf mehrjährigen Zeitskalen erfordern den Transfer in langfristige Meeresdepots durch fluvialen Transport.
In CSponge werden wir Modelllandschaften in Nordostdeutschland nutzen, um systematisch die Fixierung, Speicherung, Stabilisierung und den Export von Kohlenstoff auf Landschaftsebene zu bewerten und zu quantifizieren, sowie ihre natürlichen und anthropogenen Faktoren und die Zeitskalen, auf denen sie wirken.
Unsere Ergebnisse werden genutzt, um neue Wege einer nachhaltigen, netto-negativen Landnutzung zu entwickeln und den Aufbau einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft zu unterstützen, und tragen direkt zum POR2 (Klimaschutz und Anpassung) bei.
In unserem themenübergreifenden Ansatz, der aus der neu gegründeten CTA "Kohlenstoffquellen und -senken im Erdsystemystem" hervorgeht, werden wir wichtige biogeochemische und anthropogene Prozesse eingrenzen, die die Kohlenstofffixierung und -stabilisierung in terrestrischen Reservoiren (Topic 5) beeinflussen und den Weg zu multifunktionalen und gesunden Landschaften der Zukunft (Topic 5 & 9) ebnen.
Wir werden den Kohlenstoffexport und die Kohlenstoffbindung in modernen und vergangenen marinen Systemen quantifizieren (Topic 2 & 4). Das vorgeschlagene Projekt profitiert von POF und der neuen CTA, da wir die über das gesamte Programm verteilte Forschung zum Kohlenstoffkreislauf zu einer systematischen, bereichsübergreifenden Forschung kombinieren.
Unsere Ergebnisse werden den Weg für systemische Lösungen zur Bewältigung der Herausforderungen des aktuellen Klimawandels und der dringenden Notwendigkeit negativer Emissionsstrategien ebnen, um Netto-Null-Emissionen zu erreichen und zur SynCom-Aktivität "Scaling up CDR" beizutragen. Zur Beantwortung unserer übergeordneten Frage "Wie gestalten wir zukünftige Landschaften, um zu einem Netto-Null-Lebensstil beizutragen?", haben wir fünf wichtige Forschungsfragen identifiziert, die in CSponge untersucht werden sollen:

1. Welche Prozesse steuern die Stabilisierung von Kohlenstoff in Landschaften?
2. Wann sind Landschaften mit Kohlenstoff gesättigt?
3. Wie langfristig ist die Kohlenstoffspeicherung in veränderten Landschaften?
4. Welche Faktoren steuern den Kohlenstoffexport und -verlust während der Übertragung in marine Langzeitsenken?
5. Wie wirken sich natürliche und anthropogene Störungen von Landschaften auf ihr heutiges Kohlenstoffstabilisierungs- und -speicherpotenzial aus und was hat zu Veränderungen in der geologischen Vergangenheit geführt?

KomSO ist ein Gemeinschaftsprojekt der Meeresforschungsinstitute AWI, GEOMAR, Hereon und IOW sowie des Bundesamts für Naturschutz (BfN) und der Nichtregierungsorganisation Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND). Das übergeordnete Ziel ist es, das Kohlenstoffspeicherpotenzial der marinen Sedimente in der deutschen Ostsee zu erfassen und zu bewerten sowie schützenswerte und für eine Wiederherstellung geeignete Regionen zu identifizieren. Konkret wollen wir Messungen des Gehalts an organischem Kohlenstoff in den Sedimenten und der Remineralisierungsraten mit Messungen der Sedimentationsrate und der räumlichen Verteilung der kontrollierenden Umweltparameter kombinieren, um:

1. den Gehalt an organischem Kohlenstoff (OC) in den Sedimenten der Ostsee zu quantifizieren,
2. ihre OC-Akkumulationsrate und OC-Speicherkapazität zu bewerten,
3. die OC-Sedimentation und Remineralisierung zu parametrisieren und die Raten in der Ostsee zu extrapolieren.

Der Ozeanboden macht 71% der festen Oberfläche der Erde aus und befindet sich im Mittel 3.700 Meter unter dem Meeresspiegel. Er ist schwer zugänglich und seine Untersuchung erfordert Schiffsexpeditionen und den Einsatz hochspezialisierter Unterwassertechnologien. Auch wenn bisher nur ein sehr geringer Teil des vermeintlich passiven Ozeanbodens erforscht werden konnte, ist bereits sicher, dass er eine wichtige, dynamische Schnittstelle mit weitreichenden Funktionen für das gesamte Erdsystem bildet. Am und im Ozeanboden wechselwirken geologische, physikalische, chemische und biologische Prozesse und beeinflussen so das Klimasystem, den globalen Kohlenstoffkreislauf und die biologische Produktivität des Weltozeans. Noch wissen wir zu wenig über diese Prozesse, um den Ozeanboden in globale Stoffbilanzen einbeziehen zu können.
Der Cluster setzt sich zum Ziel, ein neues Kapitel der Ozeanbodenforschung aufzuschlagen und die Austauschprozesse an dieser bedeutenden Grenzfläche und deren Rolle im Erdsystem zu quantifizieren. Dafür gilt es:

1. zu entschlüsseln, welche Prozesse den Transport von biogenen Partikeln zum Ozeanboden und deren Umwandlung unter sich verändernden Umweltbedingungen steuern,
2. den Transfer von Kohlenstoff und anderen Elementen zwischen Ozeanboden und Meerwasser zu bilanzieren,
3. zu verstehen, wie Ökosysteme am Ozeanboden auf Umweltveränderungen reagieren, und
4. aus den Klimaarchiven des Ozeanbodens mit Hilfe von Klimamodellen Szenarien für eine "wärmere Welt" zu entwickeln.

Diese wissenschaftlichen Aufgaben erfordern neuartige Technologien zur Beobachtung und Beprobung des Ozeanbodens, hochempfindliche analytische Methoden und eine Erweiterung numerischer Modelle. Aufgrund ihrer wissenschaftlichen und technologischen Komplexität können die genannten Ziele nur durch einen interdisziplinären Forschungsverbund erreicht werden.
Der Cluster ist an der Forschungsfakultät MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen angesiedelt. Mit dem Cluster kann das Potenzial der Ozeanbodenforschung über alle beteiligten Partnerinstitutionen strategisch verknüpft und ausgeschöpft werden. MARUM verfügt als eines von etwa zehn Instituten auf der Welt über hochentwickelte Unterwasserfahrzeuge und -systeme und kann damit zum Ozeanboden in der Tiefsee vorstoßen, dort Daten gewinnen, Proben nehmen und Experimente durchführen. Für deren Auswertung steht ein weltweit einmaliges analytisches Methodenspektrum zur Verfügung.

Innerhalb des Clusters sind Mitarbeitende der Sektion Marinen Geochemie in folgende Themenbereiche eingebunden:

• Receiver Theme 1: Transfer and transformation of sinking particles
• Receiver Theme 3: The transfer of matter and signals into the ocean floor
• Reactor Theme 1: Seawater-crust interactions
• Reactor Theme 2: Deep biosphere and element cycling in sediments
• Enabler Theme 3.4.5: Molecular and isotopic tracers (tracers)
• Enabler Theme 3.4.6: Ocean floor modeling framework (modeling)
   

Das internationale Kooperationsprojekt mit dem Namen PAIGE (Chronologies for Polar Paleoclimate Archives - Italian-German Partnership) wird von der Helmholtz-Gemeinschaft finanziert und zielt darauf ab, die gemeinsame Forschung zwischen dem Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) und dem Italienischen Institut für Polarwissenschaften des Nationalen Forschungsrats Italiens (ISP-CNR) zu stärken. Das Hauptthema des Projekts dreht sich um das ehrgeizige Ziel, Chronologien für Paläoklimaarchive aus Eis- und Sedimentkernen zu verknüpfen.

Das Erdsystem ist gekennzeichnet von komplexen Wechselwirkungen deren Dynamik und Kausalität nicht vollständig verstanden ist. Durch Rückkopplungseffekte zwischen verschiedenen Prozessen besteht die Gefahr, dass Schwellen überschritten werden, welche in einen anderen Zustand des Systems führen. Dies ist in der Vergangenheit vielfach eingetreten und ermöglicht uns, die zugrundeliegenden Prozesse zu analysieren.
Die Helmholtz Nachwuchsgruppe CLOC versucht ein tiefergehendes Verständnis dieser Ereignisse zu ermöglichen. Der Schlüssel dazu sind verbesserte Datierungsmethoden, welche einen genauen Vergleich verschiedenster Klimaarchive, wie z.B. Eisbohrkerne, Sedimente, Baumringe oder Tropfsteine erlauben. CLOC forscht daran, wie wir kosmogene Radionuklide wie ¹⁰Be, ¹⁴C, ³⁶Cl, ²⁶Al nutzen können, um verschiedene Klimaarchive miteinander zu synchronisieren.

Manganknollen bedecken weite Teile des Tiefseebodens. Ihre Struktur, Zusammensetzung, Wachstumsraten und sogar Teile ihrer Mikrobiologie sind recht gut beschrieben. Warum sie entstehen, ist jedoch noch unklar. Zwei neue Erkenntnisse ermöglichen nun eine neue Hypothese mit möglicherweise weitreichenden Implikationen:
Erstens wurde kürzlich das Vorhandensein einer „tiefen Biosphäre“ nachgewiesen, die weit in die Erdkruste hineinreicht. Dieses Leben hängt zumindest teilweise von der Anwesenheit winziger Mengen Wasserstoff ab.
Zweitens hat sich gezeigt, dass die äußerste Schicht der Manganknollen extrem mit natürlichen Alphastrahlern angereichert ist, die durch Radiolyse erhebliche Mengen Wasserstoff produzieren müssen.
Das Projektteam untersucht daher die Hypothese, dass Manganknollen (symbiotische) Lebensformen sind, deren primäre Energiequelle der radioaktive Zerfall ist: radiotrophes Leben. Diese Beweise hätten weitreichende Konsequenzen für unser Verständnis der Ursprünge des Lebens auf der Erde, für die Voraussetzungen für außerirdisches Leben und für die Erdsystemwissenschaft auf langfristigen Skalen.
Ziel ist der Nachweis des direkten Zusammenhangs zwischen Radioaktivität und Stoffwechsel, der einen tiefen Einblick in den mikrobiellen Stoffwechsel in geologischen Materialien im kleinsten Maßstab verspricht.

Im November 2023 wird eine zehnwöchige geochemische Expedition (EASI-2 / PS140) auf Forschungsschiff Polarstern von Kapstadt aus zur Ostantarktis aufbrechen. Diese ist eine von drei koordinierten Antarktis-Ausfahrten, welche eigenständige, aber verknüpfte Forschungsschwerpunkte bearbeiten (EASI-1-2-3). Während dieser Ausfahrt werden unter anderem mittels eines spurenmetallsauberen Wasserschöpfers Wasserproben entlang zweier Abschnitte in regelmäßigen Abständen im indischen Sektor des Südozeans, sowie an einer Vielzahl von Stationen in Küstengewässern auf dem ostantarktischen Schelf gewonnen. Zielhafen ist Hobart (Tasmanien), die Ausfahrt wird durch Mitantragsteller Dr. Marcus Gutjahr geleitet, und beide Antragsteller werden an der Ausfahrt teilnehmen. Das wissenschaftliche Ziel der hier beantragten Forschungsarbeit, welche im Rahmen einer zweijährigen Postdoktorandenanstellung realisiert werden soll, ist die Quantifizierung des Eintragsverhaltens anthropogenen Bleis im Arbeitsgebiet. Außerdem wollen wir erkunden, wie Blei anthropogenen Ursprungs in antarktische Gewässer eingetragen wird, wo es sich mit natürlich eingetragenem gelösten Blei vermischt. Anthropogenes Blei in Meerwasser lässt sich durch deutlich erhöhte Konzentrationen und eine klar unterscheidbare isotopische Zusammensetzung sehr gut von natürlich eingetragenem Blei unterscheiden. Da während der Ausfahrt auch die klassischen physikalisch-ozeanographischen Wasserparameter gemessen werden, können wir eindeutige Aussagen treffen, woher das gelöste Blei in jeder untersuchten Wassermasse stammt. Die Gewinnung unverfälschter Wasserproben für bleiisotopische Untersuchungen ist sehr aufwändig, was den Einsatz eines speziellen Wasserschöpfers und der Arbeit in Reinraumlaboren auf dem Schiff erfordert. Dies ist der Grund, warum es bisher aus dem Untersuchungsgebiet so gut wie keine Vergleichsdaten gibt. Die Antragsteller konnten durch eine Kooperation mit Wissenschaftlern des AWI Helmholtz-Zentrums für Polar- und Meeresforschung die Rahmenbedingungen für diese Arbeiten schaffen, und die gewonnenen Wasserproben werden mit internationalen Kollegen geteilt. Ein wesentlicher Schwerpunkt wird auch auf das natürliche Eintragsverhalten gelösten Bleis durch subglazialen Verwitterungseintrag unter dem Amery-Eisschelf in der Prydz Bay (Ostantarktis) gelegt. Diese Wasserproben werden mit Konzentrations- und Isotopendaten aus sedimentären Porenwässern verglichen, welche ebenfalls auf der Ausfahrt gewonnen werden. Dieser Teil der Studie wird es erlauben, den natürlichen Bleieintrag sowie bleispezifische Austauschprozesse am Meeresboden und marinen Sedimenten darzustellen. Wir erhoffen uns von diesem letzten Aspekt weitreichende Rückschlüsse für die Interpretation vergangener hydrogenetischer Blei-Isotopendaten aus sedimentären Archiven für paläo-klimatische Anwendungen. 

Die Transarc-Expeditionen haben zusammen mit früheren Polarstern-Kampagnen eine einzigartige Zeitreihe der chemischen und physikalischen Eigenschaften des Zentralen Arktischen Ozeans (ZAO) hervorgebracht. Nur die Beobachtung von Basislinien, Variabilität und Trends kann solide Beweise für Veränderungen in biogeochemischen und physikalischen Bedingungen liefern und politische Entscheidungen beeinflussen. Dies hat das Konzept der Arcwatch-Expeditionen inspiriert. Ziel des SNAC-Clusters ist es nun, einen Überblick über den sich verändernden ZAO zu geben. Das Projekt „PaRaThA“ basiert auf den zeitintegrierten Informationen der natürlichen Radiotracer ²³¹Pa und ²³⁰Th in der Wassersäule, die während ArcWatch-2 (2024) beprobt werden. Diese partikelreaktiven Tracer sind aufgrund ihrer genau bekannten Produktionsrate im Meerwasser einzigartig. Darüber hinaus verspricht eine neu entwickelte Methode zur hochpräzisen ²²⁶Ra-Analyse nun die Rückverfolgung früherer Kontakte mit Schelfregionen. In Kombination mit präzisen Informationen zur physikalischen Ozeanographie beschreiben diese Tracer quantitativ die Partikeldynamik in einem komplexen und sich schnell ändernden Strömungsfeld. Die Leistungsfähigkeit des ²³⁰Th/²³¹Pa-Tracerpaares wurde kürzlich demonstriert, indem eine Partikelentfernung durch aktiven Hydrothermalismus im ZAO festgestellt und Fernfeldeffekte durch erhöhte Schelfeinträge aufgedeckt wurden. Zusammen mit weiteren Tracern erwarten wir neue Erkenntnisse und eine Aktualisierung der Budgets des ZAO.

Das globale Klima reagiert äußerst empfindlich auf die physikalische und biogeochemische Dynamik im Südlichen Ozean, wo tiefe, kohlenstoffreiche Schichten des Weltozeans zutage treten und Kohlenstoff mit der Atmosphäre austauschen (MacGilchrist et al. 2019). Hier wird ein Großteil des anthropogenen Kohlenstoffs vom Ozean aufgenommen, und die Kohlenstoffspeicherung während des letzten Glazials im tiefen Südpolarmeer ist gut etabliert (Brovkin et al., 2012). Veränderungen in der Kohlenstoffaufnahme des Südlichen Ozeans und seinem Export in die Tiefe können daher starke Auswirkungen auf den globalen Kohlenstoffkreislauf haben. Die Rolle des Südlichen Ozeans bei der anthropogenen Kohlenstoffaufnahme ist seit langem bekannt (Caldeira und Duffy, 2000), und es wurde aufgrund von Modellsimulationen vermutet, dass die Klimaerwärmung seine Effizienz verringert (Sarmiento et al., 1998; Le Quéré et al. , 2007). In jüngerer Zeit wurde jedoch beschrieben, dass sich die Stärke dieser Kohlenstoffsenke wieder verstärkt hat (Landschützer et al., 2015).

Die Verteilungen der Δ¹⁴C-Daten des gelösten anorganischen Kohlenstoffs (DIC) in der Tiefsee werden häufig zur Veranschaulichung der Zirkulationsrate in der Tiefsee verwendet, da Radiokohlenstoff ein unschätzbares Werkzeug zur Verfolgung von Austauschprozessen im Kohlenstoffkreislauf und zur Schätzung der Zeit in geschlossenen Reservoirs ist. Beispielsweise kann Δ¹⁴C von DIC verwendet werden, um die Aufnahme von atmosphärischem CO2 in den Ozean abzubilden oder den Eintrag von gealtertem Kohlenstoff vom Meeresboden widerzuspiegeln, der beispielsweise aus geologischen Quellen stammt. Trotz seiner Nützlichkeit sind hochauflösende Profile von Δ¹⁴C von DIC in der Wassersäule rar, insbesondere für das Südpolarmeer und in der Nähe des antarktischen Kontinentalrandes, obwohl an diesen Stellen Tiefwasserbildung vorkommt. Der aktuelle Wissensstand basiert auf einer großen internationalen Anstrengung, dem World Ocean Circulation Experiment, das Anfang der 2000er Jahre durchgeführt wurde.

Das Laschamps-Ereignis vor 42.000 Jahren bietet ein natürliches Analogon zu den Atombombentests im 20. Jahrhundert. Aufgrund des geomagnetischen Feldminimums wurden in der Atmosphäre rasch große Mengen an ¹⁴C produziert und anschließend in die Reservoirs des Kohlenstoffkreislaufs gemischt. Dieses plötzliche isotopische Ungleichgewicht zwischen den Reservoiren des Kohlenstoffkreislaufs bietet ein einzigartiges Tracer-Experiment, um den Zustand des glazialen Kohlenstoffkreislaufs zu untersuchen. Allerdings fehlt es derzeit an detaillierten Kenntnissen über die Δ¹⁴C-Änderungen während dieses Zeitraums im größten Kohlenstoffkreislauf-Reservoir: Dem Ozean.
In diesem Projekt wollen wir die Lücke der marinen ¹⁴C-Daten füllen und den Kohlenstoffaustausch zwischen Atmosphäre und Ozean während des Laschamps-Ereignisses untersuchen.
Neue ¹⁴C-Messungen an planktischen und benthischen Foraminiferen sowie eine Zusammenstellung vorhandener Daten von verschiedenen Orten werden mit Aktualisierungen des atmosphärischen Δ¹⁴C und unabhängigen Schätzungen der ¹⁴C-Produktionsrate kombiniert.
Dies wird es uns ermöglichen, Veränderungen im ¹⁴C/¹²C-Ungleichgewicht zwischen Atmosphäre, Oberfläche und Tiefsee während des Laschamps-Ereignisses zu rekonstruieren.
Mit Hilfe von Kohlenstoffkreislaufmodellen unterschiedlicher Komplexität werden wir die treibenden Mechanismen untersuchen, um unser Verständnis des eiszeitlichen Kohlenstoffkreislaufs und die Genauigkeit der marinen ¹⁴C-Datierung zu verbessern.

Die Transpolardrift transportiert Nährstoffe, Spurenmetalle und Kohlenstoff von den sibirischen Schelfen in den zentralen Arktischen Ozean. Eine GEOTRACES-Expedition im Jahr 2015 ergab, dass über den Schelfsedimenten gebildetes Eis die Hauptquelle für Spurenelemente und Nährstoffe in der Zentralarktis darstellte, als das Eis über die Transpolardrift transportiert wurde. Die Bioverfügbarkeit der Spurenmetalle ist nicht bekannt und es ist unklar, wie aus dem Meereis freiwerdende Nährstoffe und Spurenmetalle zur Produktivität der Ozeane und zur Kohlenstoffbindung beitragen und welche Rolle die verschiedenen Eisarten spielen. Es wird vorhergesagt, dass die kontinuierliche Erwärmung in der Arktis die Eisschmelze und den Süßwassereintrag erhöhen wird, was zu einer weiteren Schichtung der arktischen Gewässer führen wird, was sich auf das Aufsteigen von Nährstoffen und Spurenmetallen von unterhalb der gemischten Schicht auswirkt und so zu einer transpolaren Drift und Nährstofffreisetzung aus dem Eis auf den sibirischen Schelfen führt noch wichtiger für die Primärproduktivität und den Kohlenstoffexport. In diesem Projekt wird die Freisetzung von Nährstoffen und Spurenmetallen aus verschiedenen Arten von Meereis während der GEOTRCES-Kreuzfahrt ArcWatch2 untersucht. Der In-situ-Eistransport wird mithilfe von Backtracking-Modellen bestimmt und mit Exportmessungen mithilfe von Thoriumradionukliden und Sedimentfallen kombiniert. Mithilfe natürlicher Phytoplankton-Inkubationsstudien wird der Einfluss verschiedener Arten von mit Thorium versetztem Eis auf die Phytoplanktonproduktivität und deren Exporteffizienz abgeschätzt. Dies wird es ermöglichen, die Reaktionen des Phytoplanktons auf verschiedene Eisarten auf Produktivität und Aggregation zu identifizieren und sie mit den beobachteten In-situ-Effekten auf die Kohlenstoffproduktion und deren Export zu verknüpfen.

Die Entwicklung von hochauflösenden, präzisen ¹⁴C-basierten Sedimentchronologien für marine Sedimentarchive in hohen Breitengraden, insbesondere in eisbedeckten Gebieten, ist eine Voraussetzung für die Untersuchung der darin gespeicherten Paläoklimaaufzeichnungen, bleibt aber eine Herausforderung. Die Hauptgründe dafür sind der Mangel an datierbaren Karbonatschalen und der Beitrag verschiedener Quellen zu organischem Material.
In diesem Projekt wird die innovative Technik der temperaturgesteuerten Pyrolyse-Oxidation etabliert, um organische Fraktionen aus den Sedimenten zu isolieren, die mit der Radiokarbon-Methode datiert werden können. Diese Technik liefert nicht nur wesentlich präzisere Altersangaben, sondern auch eine detailliertere Charakterisierung der Qualität und Reaktivität der organischen Materie in den Sedimenten. Dies ermöglicht neue Einblicke in den Kohlenstoffkreislauf in den hohen Breitengraden und damit bessere Vorhersagen über das Verhalten des Kohlenstoffkreislaufs und seine Auswirkungen auf das Klima.

Ziel dieses Projekts ist es, die wichtigsten Transport- und Reaktionswege von Eisen von der Küste und dem Schelf von Südgeorgien in das Südpolarmeer zu identifizieren. Wir verwenden Südgeorgien als Modellgebiet, um die Rolle (sub)antarktischer Küsten als Eisenquellen und ihre Relevanz für die biologische Kohlenstoffpumpe in der Umgebung zu bewerten. Potenzielle Quellen wie Schmelz- und Grundwasserabfluss sowie benthische Flüsse werden während der PoF IV-Expedition PS133-2 “IslandImpact” unter Verwendung von Wasser- (Spurenmetallkonzentration, Fe-Isotope), Sediment- (reaktives Fe, Fe-Isotope) und Porenwasserproben untersucht. Ozeanographische Methoden und Radionuklide werden angewendet, um Süßwassereinleitungen und den Export von Stoffen zu identifizieren/quantifizieren. Dies ist das erste Projekt, das Arbeiten an verschiedenen Umweltkompartimenten, nämlich Sediment und Wassersäule, kombiniert, um Fe von der Quelle bis zur Senke (Aufnahme/Akkumulation) mithilfe seiner isotopischen Fingerabdrücke zu verfolgen.

Um ein ganzheitliches Bild der vergangenen Umweltveränderungen zu erhalten, müssen wir Aufzeichnungen aus verschiedenen Teilen des Erdsystems gemeinsam interpretieren. Der derzeitige Stand der Technik, jeden Datensatz separat zu datieren, führt jedoch zu unannehmbar großen Unsicherheiten und Unstimmigkeiten. Daher ist eine einheitliche Chronologie für Aufzeichnungen aus verschiedenen Archiven dringend erforderlich. Unser Ziel ist es, den methodischen Rahmen zu entwickeln und anzuwenden, der erforderlich ist, um stratigraphische Informationen aus verschiedenen Klimaarchiven und Standorten zu einer einheitlichen Chronologie zusammenzuführen. Wir werden graph- oder netzwerkbasierte Bayes'sche Techniken verwenden, um absolute und relative Altersinformationen über veröffentlichte Aufzeichnungen auf flexible und erweiterbare Weise zu kombinieren. Wir werden archiv- und proxyspezifische Verzerrungen berücksichtigen, indem wir Proxysystem-Modelle direkt in den Prozess der Altersmodellierung einbeziehen. Dies wird zu einem konsistent datierten Proxynetzwerk führen, das neue Einblicke in die Dynamik vergangener Umweltveränderungen ermöglicht.

Die biologische Produktivität im Südpolarmeer (SPM) – sowie in den übrigen Weltmeeren – ist abhängig von der Verfügbarkeit von Nährstoffen. Während die Hauptnährstoffe, wie Nitrat, Phosphor oder Silikat, mehr als reichlich im SPM vorkommen, fehlen dort in weiten Gebieten wichtige sogenannte Mikronährstoffe für die Nutzung der Hauptnährstoffe. Es gibt daher Regionen im SPM mit unterschiedlich hoher Produktivität. Regionen mit relativ hoher Produktivität scheinen an die Verfügbarkeit von Mikronährstoffen, wie Eisen und Mangan, gebunden zu sein. Ein Beispiel hierfür ist die Westseite der Antarktischen Halbinsel, wo Sedimente diese Nährstoffe oberflächennah im Wasser freisetzen können. Auf der östlichen Seite der Halbinsel, im Weddellmeer, kommen in periodisch eisfreien Bereichen enorme Algenblüten vor, die auf hohe Produktivität schließen lassen, und die das örtliche Ökosystem prägen. Diese Produktivität muss an eine bislang nicht belegbare Mikronährstoffquelle gekoppelt sein. Vorläufige Daten deuten darauf hin, dass sogenanntes marines Eis, wie man es auch von „grünen Eisbergen“ kennt und welches sich unter dem Filchner-Rönne Schelfeis befindet, bis zu tausend mal mehr Eisen und Mangan enthält, als es gelöst im Oberflächenwasser des Weddellmeeres vorkommt, und das somit als Quelle für diese Nährstoffe infrage käme.

Marines Eis entsteht durch einen Anfrierungsprozess unterhalb der Schelfeiskante, die durch Gletscherbewegung von Land auf das Meer geschoben wird. Der Prozess ergibt sich zunächst aus einem Antauen des Schelfeises am Übergang vom Kontinent zum Meer. Dadurch süßt sich das umliegende Meerwasser aus und es entstehen kleine Eisplättchen. Diese steigen auf, lassen Partikel an sich haften, und frieren dann als luftblasenfreies marines Eis unterhalb des Schelfeises fest. Dieser Prozess läuft über Hunderte von Jahren, sodass sich eine bis zu 200 m mächtige marine Eis-Schicht bildet.

Das Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven hat Zugriff auf zwei Eiskerne aus dem Filchner-Ronne Eisschelf im südlichen Weddellmeer, die in den unteren Teilen aus einer etwa 60 bzw. 165 m langen Abfolge von marinen Eis bestehen. Die weite geographische Ausdehnung des marinen Eises unterhalb des Eisschelfs ist durch seismische Messungen belegt.
Die vorliegenden Eiskerne sollen geochemisch untersucht werden um herauszufinden, ob marines Eis eine vorher vernachlässigte Nährstoffquelle für die Produktivität im Weddellmeer und auch im gesamten Südpolarmeer sein kann. Hierfür werden sowohl gelöste Spurenmetalle - insbesondere Eisen und Mangan - als auch die partikuläre Zusammensetzung im Eis bestimmt. Unterschiedliche Analyse-Verfahren, wie Massen- und, Emissionspektrometrie und Elektronenmikroskopie werden verwendet. Mithilfe dieser Verfahren wird unter anderem die geochemische Zusammensetzung von marinem Eis bestimmt, dessen Potenzial als wichtige Nährstoffquelle evaluiert und der Ursprung der Spurenmetall-Anreicherung bestimmt. 

Der Südozean spielt eine entscheidende Rolle im globalen Erdsystem, sowohl für die Aufnahme anthropogenem Kohlenstoff als auch für den Austausch von Wärmeenergie und Nährstoffen zwischen hohen und niederen Breiten. Dieses ist besonders zutreffend für den subantarktischen Südozean, wo Wechselwirkungen und Telekonnektionen zwischen Atmosphäre, Ozean, und der Kryosphäre der Antarktis stattfinden und eine entscheidende Rolle für vergangene und zukünftige Klimazustände besitzen. Die Interaktionen im Südozean kontrollieren die Meereisausdehnung, Ozeanstratifizierung, biologische Nährstoffnutzung und die Exponierung von CO₂-reichen Tiefenwässern. Deswegen wird dem Südozean eine entscheidende Rolle bei Änderungen von atmosphärischen CO₂ Konzentrationen zugeschrieben. Jenseits der Information, die wir von Kontinentalrand-Sedimenten kennen, ist sehr wenig über die Ozeanvariabilität im pelagischen Südozean bekannt.

Hochauflösende Sedimentarchive, die mehrere Glazial/Interglazialzyklen abdecken sind bisher nicht bekannt. Dieser Zeitraum wird in Zukunft wichtig für den Vergleich mit den im Moment gebohrten Eiskernen (Beyond EPICA – oldest ice (BE-OI) ice core drilling initiative), die bis etwa 1,5 Millionen Jahre zurückreichen sollen. Unser Projekt konzentriert sich auf hochauflösende paläozeanographische Rekonstruktionen (Biomarker, biogener Opal, Strömungen, eistransportiertes Material) an Probenmaterial der Expedition 383 Bohrung U1539 im subantarktischen Südpazifik in der Nähe der subantarktischen Front. Hier finden wir außergewöhnlich hohe Sedimentationsraten (ca. 10-50 cm/ka), weil das Gebiet durch den nördlichen Opal-Gürtel erreicht wird und deshalb schnell ablagernde Diatomeenschlämme auftreten. Dieses besondere Gebiet bietet ein einmaliges Archiv zur Rekonstruktion ozeanographischer Gradienten. Deshalb können die erwarteten hochauflösenden Zeitreihen von Expedition 383 Bohrung U1539 unser Verständnis von suborbitalen Klimaschwankungen und mögliche Kipppunkten im Südozean und deren Bedeutung für den marinen Kohlenstoffzyklus und die Stabilität des antarktischen Eisschildes substantiell verbessern.