ALBERT

Description: Ziel dieser Diplomarbeit war es, die Diversität von stickstofffixierendem Picoplankton in oligotrophen Bereichen des Atlantiks zu analysieren. Dazu wurde DNA von Planktonorganismen größer als 0,1 μm extrahiert, die Gensequenz (nifH) der Nitrogenaseuntereinheit Dinitrogenase- Reduktase amplifiziert, kloniert und sequenziert. Die gewonnenen Nukleotidsequenzen wurden in Proteinsequenzen übersetzt. Sowohl DNA- als auch Proteinsequenzen wurden in Gendatenbanken mit bekannten Sequenzen verglichen und beschrieben. Die nifH Sequenzen wurden phylogenetisch bearbeitet und Genstämmbäume erstellt. Weiterhin wurden über CTD Daten und Nährstoffdaten die abiotischen Bedingungen in diesen Gebieten erfaßt; HPLC Analysen der Pigmente gaben Aufschluß über die Phytoplanktonzusammensetzung in diesen Gebieten. Es wurden insgesamt 5 Stationen bearbeitet. Drei Stationen zeigten keinerlei zwischenartliche Diversität unter den stickstofffixierenden Organismen, davon wießen diese Stationen allerdings deutliche innerartliche Diversität auf. An einer dieser Stationen (Nr.8) wurde eine neue Gruppe untereinander genetisch nah verwandter stickstofffixierender Organismen entdeckt. Sie reihen sich phylogenetisch in die Gruppe der Purpurbakterien ein. Desweiteren wurde erstmals eine nifH Sequenz des einzelligen Cyanobakteriums HT1205 im Atlantik eindeutig nachgewiesen. Vertreter dieser Gruppe wurden bisher nur im Pazifik und erst in einem Fall überhaupt im Atlantik nachgewiesen, sodaß bestehende Thesen über deren Abwesenheit im atlantischen Ozean erneut überprüft werden müssen. Auch die nifH Klonsequenzen von Station 23 besaßen untereinander eine hohe Homologie. Sie bildetetn drei Cluster von Sequenzen, die erste Gruppe wurde als nifH Sequenzen von Trichodesmium thiebautii, die dritte Gruppe als nifH Sequenzen von Katagnymene spiralis identifiziert. Die zweite Gruppe von nifH Sequenzen konnte nicht klar klassifiziert werden, sie scheint jedoch mit dem nicht identifizierten filamentösen Cyanobakteriumklon HTI 169 nah verwand zu sein. Auf zwei Stationen wurden hingegen unterschiedliche nifH Sequenzen von Stickstofffixierer aus dem Picoplanktonbereich wie Cyanothece und Synechocystis gefunden. Weiterhin wurde in beiden Stationsproben Trichodesmium thiebautii nachgewiesen. Es wurden an diesen beiden Stationen nifH Sequenzen einer neuen Gruppe von Organismen entdeckt, die untereinander sehr ähnlich sind, sich aber stark von anderen bekannten nifH Sequenzen unterscheiden. Dabei bestand die größte Homologie zu nifl-I Sequenzen des sulfatreduzierenden Proteobakteriums Desulvovibrio gigas. Aufgrund der geringen Homologie von max. 85% ist allerdings eine phylogenetische Einstufung dieser Gruppe von Stickstofffixierem zur Zeit noch nicht möglich. Es konnte auf der Basis dieser Ergebnisse eine starke Varianz der stickstofffixierenden Picoplanktongemeinschaften im großskaligem Bereich in dieser Region aufgezeigt werden. Weiterhin zeigte sich ein deutlicher Trend zu niedriger zwischenartlicher Diversität, aber hoher innerartlicher Diversität bei Stickstofffixierern in oligotrophen Gebieten des Atlantiks.

Description: In einer Meerwasserkreislaufanlage wurden D. labrax gezüchtet. 400 Versuchsfische, auf zwei Becken a 200 Tiere, wurden bei einem Kaltwasserversuch von 16,8 °C und einem anschließenden Warmwasserversuch bei 22, 1 °C vierzehntägig auf Länge und Gewicht hin vermessen. Das mittlere Anfangsgewicht betrug 4,68 g, das mittlere Endgewicht 57,9 g. Die mittlere Länge der Tiere betrug 60 mm am Tag O und 280 mm zu Versuchsende. Die Dauer des Gesamtversuchs betrug 140 Tage, am Tag 75 wurde das kalte Wasser der Anlage auf 22, 1 °C, für den Warmwasserversuch, geheizt. Bei diesem Versuch sollte insbesondere das Wachstum der unteren Gewichtsklassen von D. labrax in einer Kreislaufanlage untersucht werden, wobei die Kaltwasserperiode erfolgreich als Energiesparmodell erprobt wurde: Die Spezifische Wachstumsrate liegt nicht unter den Ergebnissen der Warmwasserperiode und über den Gesamtversuch gesehen wachsen die Tiere sogar schneller, als in bisherigen Versuchen (Dendrinos und Thorpe, 1985). Die höchste Besatzdichte, am Ende des Versuchs, betrug ca. 12 kg pro Becken. Die Fische zeigten keinerlei Stressverhalten, das sich durch Bisswunden an Flossen oder in der Haut bemerkbar gemacht hätte. Auch Mortalitäten traten während des gesamten Versuches nicht auf. Die Wasserqualität wurde durch die physikalische Parameter und durch Nährstoffe täglich kontrolliert und verblieb während des gesamten Versuchszeitraums stabil und zeigte keinerlei lang anhaltende Höchstwerte, die zu erhöhtem Stress und Herabsetzung des Immunsystems geführt hätten. Diese Arbeit zeigt, dass m emer Meerwasser-Kreislaufanlage bei gutem Wassermanagement bessere Wachstumsraten erreicht werden könnnen, als bisher angenommen wurde. Durch herkömmliches F orellenfutter und eine Herabsetzung der Temperatur innerhalb des Systems können Kosten eingespart werden, ohne dass Einschnitte bei der Zuchtleistung hingenommen werden müssen. Die Prognose des Wachstums bis zum Erreichen der Marktreife lässt hoffen, dass bei D. labrax die Marktreife innerhalb von nur 11 Monaten erreicht werden kann, bei einer Besatzdichte die in herkömmlichen Netzkäfigen nicht erreicht wird.

Description: The knowledge of ice crystal microphysical properties like crystal size, shape or number of crystal is important for the radiation balance destination for the remote sensing of cirrus clouds. At first the present work estimates the uncertainty of using different crystal shapes and crystal size distributions of cirrus clouds in radiative transfer calculations. The studies are based on the Monte Carlo radiative transfer model GRIMALDI, wich was advanced in the Institute of Marine Research. A plan-parallel homogeneous atmosphere with two various crystal shapes (hexagonal columns, irregular crystals) and 114 different crystal size distributions of in situ measurements serve as model input. Further more dicrete opitcal thicknesses form 0.5 to 12 and two solar zenith angles are considered. Spectral and broadband solar albedo, transmission and absorption features are calculated under the described requirements. The results display a precise dependency of broadband radiative flux densities of the used crystal size distributions. Variabilities occur in broadband absorption with a variation coefficient up to 25%, whereas the vacillations in upward and downward radiative fluxes (〈10%) are smaller. Calculations vary severely in several spectral wavelengths. The choise crystal shape has got a greater impact on radiative fluxes than the varity of crystal size distributions. Another aim of this work is to examine the influence of inhomogeneity of clouds on radiation balance by using LIDAR-measurements of vvertical and horizontal extinction distributions. Different ways of model input determinations for the radiative transfer model show low deviation of the radiative fluxes. Finally, a funtional adjustment of optical thickness, wich results in the extinction profiles of LIDAR-measurements, as well as the calculated albedos, transmissions and absorptions are derivated.

Description: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Populationscharakteristika und den populationsdynamischen Prozessen verschiedener Cladocerenarten im Finnischen Archipel. Die Probennahme fand im Sommer 2001 vom 10. Juli bis zum 18. September an einer Feldstation der Universität Turku ('Archipelago Research Institute') auf der Insel Seili an der Süd-WestKüste Finnlands statt. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Abundanz, der Biomasseverteilung und der Zusammensetzung der Populationen der auftretenden Cladocerenarten. Dafür wurde im Abstand von drei bis vier Tagen an der Untersuchungsstation Päiväluoto eine Planktonprobe von 10 Meter Tiefe bis an die Oberfläche mit einem 100 μm Handnetz gezogen. Im zweiten Teil wird auf populationsdynamische Prozesse wie Geburten-, Wachstums und Sterberaten eingegangen. Zusätzlich wird ein Zusammenhang der Populationen mit verschiedenen biotischen und abiotischen Faktoren untersucht. Im Finnischen Archipel sind vor allem die Cladocerenarten Bosmina longispina maritima, Pleopsis polyphemoides, Podon intermedius, Evadne nordmanni und Cercopagis pengoi abundant, während Arten wie Daphnia spp. und Leptodora kindti nur zeitweise erscheinen. Die zwei letzten Arten wurden deshalb in dieser Arbeit nicht untersucht. Bezüglich der Abundanz der verschiedenen Cladocerenarten zeigt sich ein zeitlich versetztes Auftreten. Während die maximaler Abundanz der Populationen von Pleopsis polyphemoides und Evadne nordmanni bereits vor dem ersten Beprobungstag erreicht war, zeigten Bosmina longispina maritima und Podon intermedius die höchste Populationsdichte Mitte Juli. Erst Ende Juli waren die ersten Individuen von Cercopagis pengoi in der Wassersäule zu finden. Die Abundanzmaxima der Arten lagen zwischen 386 Ind. m-3 bei Podon intermedius und 11767 Ind. m-3 bei Bosmina longispina maritima. Aufgrund der größten Länge besaß Cercopagis pengoi zum Zeitpunkt maximaler Abundanz mit 422 Ind. m-3 die höchste Biomasse mit 4,67 mg Kohlenstoff m-3, die maximale Biomasse der anderen Cladocerenarten im Beprobungszeitraum lag zwischen 0,93 und 3,35 mg Kohlenstoff m-3. Obwohl C. pengoi, E. nordmanni und P. intermedius ähnlich hohe Abundanzmaxima hatten, zeigte sich aufgrund starker Längenunterschiede eine große Variation in der Biomasse. Während die größten Individuen von C. pengoi bis zu 2,44 mm lang waren, erreichten E. nordmanni und P. intermedius maximal 1,22 und 1,03 mm. B. longispina maritima ist die kleinste aller untersuchten Cladocerenarten, es wurde kein Individuum größer als 0,57 mm gefunden. Pleopsis polyphemoides war die einzige Art, bei der kein Einfluss sexueller Reproduktion nachgewiesen werde konnte. Während der ganzen Zeit waren weder gamogenetische Weibchen mit Dauereiern noch Männchen in den Proben zu finden. Während bei Podon intermedius und Evadne nordmanni nur vereinzelt Männchen gefunden wurden, stieg der Anteil gamogenetischer Weibchen mit der Zeit bis auf maximal 20 % an. Bei Bosmina longispina maritima und Cercopagis pengoi konnten ab Anfang August in fast allen Proben gamogenetische Weibchen mit Dauereiern und Männchen nachgewiesen werden. Bei Cercopagis pengoi machte zusätzlich an allen Tagen der Anteil an Neonaten, Individuen, deren Geschlecht noch nicht bestimmt werden konnte, einen hohen Anteil aus. C. pengoi war mit bis zu 15 Eiern / Embryos die Art mit der höchsten Gelegegröße, während alle anderen Arten maximal 4-5 Eier im Brutraum trugen. Bei den populationsdynamischen Prozessen wiesen die verschiedenen Arten große Unterschiede in der Geburten-, Wachstums- und Todesraten auf. Cercopagis pengoi und Pleopsis polyphemoides zeigten die höchsten Todesraten mit 0,8 - 0,9. Im Gegensatz dazu waren die Todesraten bei Bosmina longispina maritima eher gering und lagen unter 0,4. Bei dieser Art konnte zusätzlich eine sehr gleichmäßig verlaufende geringe Geburtenrate unter 0,1 festgestellt werden. Bei C. pengoi und Bosmina longispina maritima wurde jeweils zu zwei Zeitpunkten ein Übersteigen der Wachstumsraten über die Geburtenraten nachgewiesen, der gerade bei Erscheinen der Population in der Wassersäule auf ein Schlüpfen der Individuen aus Dauereiern resultiert. Außer C. pengoi zeigten alle Arten Trends im Verlauf ihrer Populationsdynamik, welche teilweise durch den Einfluss von Salzgehalt und Temperatur erklärt werden konnten. So zeigten B. longispina maritima, C. pengoi und P. intermedius eine signifikante Korrelation der Wachstumsrate mit der Temperatur, bei Pleopsis polyphemoides war die Geburtenrate und bei Evadne nordmanni alle untersuchten populationsdynamische Prozesse mit dem Salzgehalt korreliert. Bosmina longispina maritima war die einzige Art, bei der eine signifikant negative Korrelation der log-transformierten Abundanz mit dem Salzgehalt gefunden werden konnte. Keine der untersuchten Arten zeigte eine signifikante Korrelation mit untersuchter potentieller Nahrung in Form der gemessenen Chlorophyll aKonzentration für B. longispina maritima, P. polyphemoides, P. intermedius und E. nordmanni. Zum Nahrungsspektrum von C. pengoi zählt unter anderem B. Zongispina maritima, ein Zusammenhang der Todesrate dieser Art und der Populationsdichte von C. pengoi konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Es wird vermutet, dass sich beeinflussende Faktoren auf die Cladocerenpopulationen oftmals überlappen, da Organismen auf ihre gesamte Umwelt reagieren und deshalb mögliche Korrelationen zwischen biotischen und abiotischen Faktoren und den Cladocerenpopulationen nicht immer nachgewiesen werden konnten, falls sie vorhanden waren. Zusätzlich sollte der Einfluss endogener Faktoren auf die Populationscharakteristika und -dynamik werden. In der vorliegenden Arbeit konnte das Wissen über kleinskalige populationsdynamische Prozesse und Charakteristika der untersuchten Cladocerenarten vertieft werden. Diese Erkenntnisse tragen zum besseren Verständnis der Ökologie dieser Arten bei.

Description: Der zum Einfluß der Mikroalgen auf die Grazer durchgeführte Versuch mit Algen- und Copepodenkulturen zeigte, daß Algen unter Fraßdruck auf Verteidigungsstrategien zurückgreifen, die die Reproduktion der Grazer negativ beeinflussen. Dieses bisher aus planktischen Gemeinschaften bekannte Phänomen konnte in der vorliegenden Arbeit mit der Wirkung der Diatomeenart Cylindrotheca closterium auf den harpacticoiden Copepoden Ectinosoma curticorne erstmals auch für benthische Algen- Grazer- Interaktionen gezeigt werden. Dabei unterschied sich die numerische Reaktion der Copepoden signifikant nach den angebotenen Futteralgen. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluß der Meiograzer auf das Mikrophytobenthos untersucht. Dabei wurde zunächst nach einer Methode gesucht, Crustaceen und Nematoden selektiv aus der Gemeinschaft entfernen zu können, ohne die übrigen Organismen zu beeinträchtigen. Dies gelang nur teilweise, da sich die in den Vorversuchen gewonnenen Ergebnisse zu Dosen und Einwirkzeiten nicht auf die Versuche mit ganzen Periphytongemeinschaften übertragen ließen. Nur das als Copepodengift verwendete Spruzit zeigte die erwartete selektive Wirkung. Aus diesem Grund wurden nur die die Ansätze der Kontrollen und des Copepodengifts im Hinblick auf die zugrunde liegende Fragestellung ausgewertet. Hier zeigten sich ein hohes Maß an Diversität in allen Proben. Ein alleiniger Effekt der Copepoden konnte aufgrund der geringen Unterschiede zwischen Kontrollen und mit Gift behandelten Ansätzen jedoch nicht festgestellt werden. Hingegen konnte gezeigt werden, daß die Gesamtheit der Meiograzer und die Mikrograzer durch den ausgeübten Fraßdruck signifikant negativ mit dem Vorkommen von einzeln lebenden Diatomeen korreliert ist und ihre Anwesenheit das Wachstum von kolonial organisierten Formen begünstigt. Meio- und Mikrograzer üben einen hohen Fraßdruck auf nichtkoloniale Diatomeen aus. Diese sind jedoch nicht nur passive Opfer der Beweidung, sondern verfügen zum Teil über hochentwickelte und sehr effektive Verteidigungsstrategien, die in die Reproduktion der Grazer eingreifen können. Da der Auslöser für die Bildung der dazu notwendigen Stoffe die mechanische Beschädigung der Zelle während des Fressens durch Grazer ist, dient diese Strategie der Verteidigung der Gesamtpopulation, nicht der des Individuums.

Description: This chapter provides an overview of near-surface geochemical processes operating on Earth, with special emphasis placed on (i) marine weathering such as alteration and dissolution of silicates, carbonates and terrigenous riverine particles in the ocean, complemented by (ii) reverse weathering reactions leading to marine authigenic clay formation, and the impact of these phenomena on ocean alkalinity budget and the chemical and isotope composition of seawater. Model simulations of the above processes provide estimates of the global marine fluxes of major cations (Na+, K+, Mg2+, Ca2+) and alkalinity in the ocean induced by silicate weathering and dissolution of terrigenous material in seawater. Additional constraints on silicate vs. carbonate weathering, oceanic/coastal CaCO3 cycling, and paleo-seawater reconstructions are provided via the stable and radiogenic isotope systems of alkali and alkaline earth metals (Li, K, Mg, Ca, and Sr isotopes) that are discussed within the context of marine and reverse weathering in the present and past ocean. Key points • Impact of weathering processes on marine elemental cycles and the ocean alkalinity budget. • Alteration and dissolution of silicate minerals and riverine particles in the ocean quantified via thermodynamic equilibrium (PHREEQC) calculations, in seawater and top sediment settings. • Estimates of global ocean fluxes of dissolved cations (Na+ , K+ , Mg 2+ , Ca2+ ) and alkalinity induced by alteration and dissolution of terrigenous material in seawater and marine sediments. • Principles and mechanisms of isotope variability in nature (mass-dependent and radiogenic isotope effects) observed for alkali and alkaline earth metals. • Silicate vs. carbonate weathering and coastal carbon/carbonate cycling constrained via stable and radiogenic Ca and Sr, and Li isotopes. • Oceanic processes, marine carbonate chemistry (alkalinization vs. acidification), and paleo-seawater reconstructions constrained via d44 Ca, d88 Sr, d26 Mg proxies and numerical (MATLAB) modeling. • Emerging metal isotope proxies (d41 K) for silicate and reverse weathering in the ocean.

Description: In this study we look beyond the previously studied effects of oceanic CO2 injections on atmospheric and oceanic reservoirs and also account for carbon cycle and climate feedbacks between the atmosphere and the terrestrial biosphere. Considering these additional feedbacks is important since backfluxes from the terrestrial biosphere to the atmosphere in response to reducing atmospheric CO2 can further offset the targeted reduction. To quantify these dynamics we use an Earth system model of intermediate complexity to simulate direct injection of CO2 into the deep ocean as a means of emissions mitigation during a high CO2 emission scenario. In three sets of experiments with different injection depths, we simulate a 100-year injection period of a total of 70 GtC and follow global carbon cycle dynamics over another 900 years. In additional parameter perturbation runs, we varied the default terrestrial photosynthesis CO2 fertilization parameterization by ±50 % in order to test the sensitivity of this uncertain carbon cycle feedback to the targeted atmospheric carbon reduction through direct CO2 injections. Simulated seawater chemistry changes and marine carbon storage effectiveness are similar to previous studies. As expected, by the end of the injection period avoided emissions fall short of the targeted 70 GtC by 16–30 % as a result of carbon cycle feedbacks and backfluxes in both land and ocean reservoirs. The target emissions reduction in the parameter perturbation simulations is about 0.2 and 2 % more at the end of the injection period and about 9 % less to 1 % more at the end of the simulations when compared to the unperturbed injection runs. An unexpected feature is the effect of the model's internal variability of deep-water formation in the Southern Ocean, which, in some model runs, causes additional oceanic carbon uptake after injection termination relative to a control run without injection and therefore with slightly different atmospheric CO2 and climate. These results of a model that has very low internal climate variability illustrate that the attribution of carbon fluxes and accounting for injected CO2 may be very challenging in the real climate system with its much larger internal variability.

Description: Tectonics play a significant role in shaping the morphology of submarine canyons, which form essential links in source-to-sink (S2S) systems. It is difficult, however, to investigate the resulting morphodynamics over the long term. For this purpose, we propose a novel experimental approach that can generate submarine canyons and hanging-wall fans on continuously evolving active faults. We utilize morphometric analysis and morphodynamic models to understand the response of these systems to fault slip rate (Vr) and inflow discharge (Q). Our research reveals several key findings. Firstly, the fault slip rate controls the merging speed of submarine canyons and hanging-wall fans, which in turn affects their quantity and spacing. Additionally, the long profile shapes of submarine canyons and hanging-wall fans can be decoupled into a gravity-dominated breaching process and an underflow-dominated diffusion process, which can be described using a constant-slope relationship and a morphodynamic diffusion model, respectively. Furthermore, both experimental and simulated submarine canyon–hanging-wall fan long profiles exhibit strong self-similarity, indicating that the long profiles are scale independent. The Hack's scaling relationship established through morphometric analyses serves as an important link between different scales in S2S systems, bridging laboratory-scale data to field-scale data and submarine-to-terrestrial relationships. Lastly, for deep-water sedimentary systems, we propose an empirical formula to estimate fan volume using canyon length, and the data from 26 worldwide S2S systems utilized for comparison show a strong agreement. Our geomorphic experiments provide a novel perspective for better understanding of the influence of tectonics on deep-water sedimentary processes. The scaling relationships and empirical formulas we have established aim to assist in estimating volume information that is difficult to obtain during long-term landscape evolution processes.

Description: Numerical models are a powerful tool for investigating the dynamic processes in the interior of the Earth and other planets, but the reliability and predictive power of these discretized models depends on the numerical method as well as an accurate representation of material properties in space and time. In the specific context of geodynamic models, particle methods have been applied extensively because of their suitability for advection-dominated processes and have been used in applications such as tracking the composition of solid rock and melt in the Earth's mantle, fluids in lithospheric- and crustal-scale models, light elements in the liquid core, and deformation properties like accumulated finite strain or mineral grain size, along with many applications outside the Earth sciences.There have been significant benchmarking efforts to measure the accuracy and convergence behavior of particle methods, but these efforts have largely been limited to instantaneous solutions, or time-dependent models without analytical solutions. As a consequence, there is little understanding about the interplay of particle advection errors and errors introduced in the solution of the underlying transient, nonlinear flow equations. To address these limitations, we present two new dynamic benchmarks for transient Stokes flow with analytical solutions that allow us to quantify the accuracy of various advection methods in nonlinear flow. We use these benchmarks to measure the accuracy of our particle algorithm as implemented in the ASPECT geodynamic modeling software against commonly employed field methods and analytical solutions. In particular, we quantify if an algorithm that is higher-order accurate in time will allow for better overall model accuracy and verify that our algorithm reaches its intended optimal convergence rate. We then document that the observed increased accuracy of higher-order algorithms matters for geodynamic applications with an example of modeling small-scale convection underneath an oceanic plate and show that the predicted place and time of onset of small-scale convection depends significantly on the chosen particle advection method.Descriptions and implementations of our benchmarks are openly available and can be used to verify other advection algorithms. The availability of accurate, scalable, and efficient particle methods as part of the widely used open-source code ASPECT will allow geodynamicists to investigate complex time-dependent geodynamic processes such as elastic deformation, anisotropic fabric development, melt generation and migration, and grain damage.