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«Changing Polar Regions 25th International Congress on Polar Research March 17-22, 2013, Hamburg, Germany German Society for Polar Research Edited by ...»

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0.13 mg CO2-C gdw-1 anaerobically) as in 34,000 to 42,000 year old Pleistocene permafrost (1.6 ± 1.2 mg CO2-C gdw-1 aerobically, 0.26 ± 0.10 mg CO2-C gdw-1 anaerobically). The main predictor for carbon mineralization was the content of organic matter. Anaerobic conditions strongly reduced carbon mineralization since only 25% of aerobically mineralized carbon was released as CO2 and CH4 in the absence of oxygen. CH4 production was low or absent in most of the Pleistocene permafrost and always started after a significant delay. After 1200 days on average 3.1% of initial carbon was mineralized to CO2 under aerobic conditions while without oxygen 0.55% were released as CO2 and 0.28% as CH4. The calibrated carbon degradation model predicted cumulative CO2 production over a period of 100 years accounting for 15.1% (aerobic) and 1.8% (anaerobic) of initial organic carbon, which is significantly less than recent estimates. The multi-year time series from the incubation experiments helps to more reliably constrain projections of future trace gas fluxes from thawing permafrost landscapes.

"Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 CRYOSAT-2-VALIDIERUNG IM BLAUEISGEBIET: ERGEBNISSE DER CRYOVEX-KAMPAGNEN 2009 UND 2011

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Die Radar-Altimeter-Mission CryoSat-2 soll unter anderem Informationen zu Änderungen der Mächtigkeit kontinentaler Eisschilde in Arktis und Antarktis liefern.

Damit soll ein wesentlicher Beitrag zur Bestimmung der bisher unzureichend bekannten Eismassenbilanz geliefert werden. Validierungsaktivitäten dienen dazu, die Genauigkeit der aus CryoSat-2-Beobachtungen abgeleiteten Eisdicken und Eismassentrends abzuschätzen. In den antarktischen Saisons 2008/09 und 2010/11 wurden in einem Blaueisgebiet in der Region der Schirmacheroase, Dronning Maud Land, Ostantarktis, Feldkampagnen zur Datenvalidierung durchgeführt (CryoSat Validation Experiment, CryoVEx). Durch seit Jahren wiederholte bodengebundene Eishöhen- und -geschwindigkeitsmessungen im Gebiet ist die langzeitige Eismassenbilanz gut bekannt. Das Blaueisgebiet ist dadurch prädestiniert für Validierungszwecke. Während der CryoVEx-Kampagnen wurden die Eishöhen mittels kinematischem GNSS entlang von Traversen und quasi flächenhaft in ausgewählten Testgebieten (Gitter) bestimmt. Die Langzeitbeobachtungen im Blaueisgebiet konnten so fortgesetzt werden. In der Präsentation werden wichtige Ergebnisse der beiden durchgeführten CryoVEx-Kampagnen in Verbindung mit den zurückliegenden Messungen im Blaueisgebiet vorgestellt. Bis zum Jahr 2008 ließen sich aus den geodätischen Beobachtungen Höhenänderungen von -15..-20cm/a ableiten. Die aus den CryoVEx-Kampagnen bestimmten Höhenänderungsraten zeigen dagegen einen überraschenden positiven Trend gleicher Größenordnung, der vermutlich auf Niederschlagsanomalien im Jahr 2009 zurückzuführen ist.

Wiederholungsmessungen innerhalb einer Kampagne liefern saisonale Höhenvariationen des Untersuchungsgebiets. Weiterhin werden die bodengebundenen Ergebnisse mit nahezu zeitgleich durchgeführten flugzeuggestützten Messungen des AWI verglichen (Radar- und Laseraltimeter), die als Zwischenstufe für die Validierung der CryoSat-2-Daten dienen. Schließlich werden die Resultate von ersten direkten Vergleichen mit CryoSat-2-Daten (Level 2) präsentiert.

"Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 WEDDELL SEA AND GLOBAL CARBON CYCLING: THE ROLE OF

THE REFRACTORY DISSOLVED ORGANIC MATTER.

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Dissolved organic matter (DOM) in the deep sea is of refractory nature with mean residence times of 4,000–6,000 years and it comprises almost 75% of the global ocean organic carbon inventory. Refractory DOM is a long-term buffer in the global carbon cycle but its chemical composition, structure, and biochemical formation and degradation mechanisms are still unresolved. Here, we compiled the so far most comprehensive molecular data set of 197 Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry analyses from solid-phase extracted marine DOM covering two major oceans, the Atlantic sector of the Southern Ocean and the East Atlantic Ocean. Molecular trends and Δ14C-dating of 34 DOM samples, ranging from -229 to , were combined to model an integrated degradation rate for bulk dissolved organic carbon (DOC) resulting in a predicted age of 24 ka for the most persistent DOM fraction. First order kinetic degradation rates for 1,557 mass peaks indicate that numerous DOM molecules cycle on timescales much longer than the turnover of the bulk DOC pool resulting in estimated residence times of 75 ka. In contrast to young DOM, these most persistent compounds encompass only a narrow range of elemental ratios H/C (1.17 ± 0.13), and O/C (0.52 ± 0.10) and molecular mass (360 ± 28 and 497 ± 51 Da) reflecting the most stable composition in the oceanic environment. In the Southern Ocean, we identified 339 mass peaks which likely contribute to an increased DOC concentration and potentially reflecting an accumulation or enhanced sequestration of refractory DOC.

"Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 SEARCH FOR VOLCANIC SIGNATURES OF THE TOBA SUPERERUPTION RECORDED IN EDML CORE (ANTARCTICA) AND

SOUTHERN OCEAN SEDIMENT CORES: IMPLICATIONS FOR ITS





CLIMATE IMPACT

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Large volumes of volcanic ash and volatile can be released to the atmosphere at the time of a volcanic eruption. Sulfuric acid aerosols forming by oxidation of the volcanic SO2 in the stratosphere disperse to the polar region and are preserved in both polar ice sheets. Atmospheric aerosols absorb solar radiation and thereby have a significant cooling effect on global climate (“volcanic winter”, Rampino et al., 1988).

Such tephra also introduces instantaneously a large amount of nutrients to soils and oceans. Fertilized surface ocean water promotes phytoplankton photosynthetic activity, an increase in marine primary productivity and phytoplanktonic fixation of CO2. It leads to a net removal of CO2 from the atmosphere into the ocean and enhances cooling (Frogner et al., 2001). Thus, estimation of both, the amounts of the sulfuric acid aerosols, and the distribution and deposition of distal tephras are essential to assess potential climate change following a large plinian eruption.

Toba volcano in Indonesia (2°45’ N, 98°45’ E) is known for its "super-eruption" that took place in ~74 ka ago, the largest volcanic event in the Quaternary Period. Four distinct sulfate (SO42-) signals were found in layers dated between 74.0 and 74.8 ka B.P. in ice cores from GISP2, Greenland and EDML, Antarctica. They can be attributed to the aerosols deposited from the Toba eruption.

The amount of the sulfuric acid aerosols ejected into the atmosphere during an eruption can be estimated by glaciological method, assuming that: (1) transport of aerosols is controlled by the atmospheric circulation, (2) the behavior of the volcanic and nuclear bomb-produced aerosols are the same on a global scale all time. We applied the highest peak among the 4 signals to estimate the Toba emission and estimated the emission to ca. 2 Gt. It is 20 times higher than the emission of a historical large eruption of Tambora in 1815 (Indonesia) which lowered the temperature by a maximum of 0.7 °C.

We will, further, search for the Toba ash in marine sediment cores in the Indian Ocean and the EDML ice core, estimate stable isotope ratios of sulfur (333S/32S, 34S/32S and 36S/32S) that allow to assess high-altitude atmospheric processes, and evaluate the climate response to an extremely large volcanic eruption with the General Circulation Model (GCM) MAECHAM5-HAM.

"Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 SIND BOHRLOCHTEMPERATUREN IM PERMAFROSTBODEN

VERGLEICHBAR?

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Temperaturmessungen im Permafrostboden sind nicht gerade trivial und stellen ganz besondere Herausforderungen an die Messtechnik.

Die Klimaveränderung im Permafrostboden an Hand der Temperatur nachzuweisen, stellt eine große Herausforderung dar und ist auch zu einer Schlüsselposition geworden.

Allerdings muss man schon unterscheiden, wo diese Temperaturen gemessen werden. Im Gebirgspermafrost ist meistens eine gute Überwachung der Messeinrichtungen gegeben, kann kontrolliert werden und wenn nötig auch geeicht.

Das gleiche gilt auch, wenn in unmittelbarer Nähe einer Forschungsstation, wie z.B.

in Barrow, Alaska gemessen wird.

In den letzten Jahren konnten erfreulicherweise immer mehr tiefere Bohrungen im Permafrost Sibiriens, Kanadas und Alaskas durchgeführt werden, um Bohrkerne zu gewinnen.

Diese Bohrlöcher waren natürlich auch sehr gut geeignet, um sie anschließend mit Thermoketten zu instrumentieren.

Hier stellt sich eine ganz andere Situation dar, weil die Messtechnik mindestens ein Jahr (meistens noch länger) völlig autark arbeiten muss, ohne jegliche Kontrolle. In Sibirien sind die höchsten Anforderungen der Technik zu erfüllen. Die meisten Wissenschaftler schauen nur auf den Sensor, den sie benutzen und verlassen sich bei der Messwerterfassung auf den Hersteller mit seinen Angaben. In Sibirien haben wir es mit Temperaturen von -55°C bis +30°C zu tun, also einer sehr große Spannweite. Kein Hersteller gibt einen Temperaturkoeffizienten (TK) für seinen Datenlogger bis -50°C an. Aus Herstellersicht ist es sogar verständlich, weil es ein sehr großer Aufwand ist. Für die Sensoren (PT100 /PT1000) lassen sich durchaus solche Angaben finden. Die Temperaturveränderungen im Permafrostboden sind sehr klein, je tiefer gemessen wird. Aber gerade diese Messwerte sind sehr interessant, um festzustellen, ob der Bodenkörper sich als Ganzes verändert und nicht nur an der Oberfläche. Diese zu erfassen stellt aber die höchsten Anforderungen, an die Messwerterfassung. Ein Bohrloch im Permafrostboden nieder zu bringen, ist eine kostspielige Angelegenheit. Umso unverständlicher ist es, dass dann ausgerechnet an der Messtechnik gespart wird. Fast jeder favorisiert sein System, unterschiedlicher kann es nicht sein. Um die Temperaturmessungen auch mit mehreren Bohrlöchern zu vergleichen, sollte eine internationale Standardisierung "Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 geschaffen werden z.B. bei der IPA (International Permafrost Association), mit

einigen folgenden wichtigen Kriterien:

Die komplette Messwerterfassung (nicht nur der Sensor) sollte von einem zertifiziertem Institut oder Firmen geeicht werden bis -50°C über mehrere Eichpunkte und ein TK erstellt werden. Das kann durchaus teurer sein als der verwendete Datenlogger.

Eine Quantisierung der Analog-Digital-Wandler sollte vorgegeben werden, um kleine Änderungen überhaupt zu erfassen. Mit welcher Genauigkeit sollte bzw. muss relativ gemessen werden? Die zu erwartenden Veränderungen betragen nur wenige Zehntel Grad C° Änderung.

Der Abstand der Temperatursensoren sollte einheitlich sein mit Angabe der Tiefe.

Wie sollte das Bohrloch befüllt sein? (Luft, Sand, Erdreich) Wie erfasse ich den Alterungsprozess der eingesetzten Messtechnik? Dieser Fehler ist nicht zu vernachlässigen bei Langzeitmessung.

Fehlen all diese Angaben in den Publikationen, dann lassen sich die gemessenen Temperaturwerte von verschiedenen Bohrlöchern nur sehr schwer vergleichen.

Einen Temperaturtrend lässt sich durchaus nachweisen, aber eine genaue Größenordnung erfordert schon etwas mehr Aufwand. Diese Daten werden aber auch für die Modellierung gebraucht.

"Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 VERÄNDERUNGEN DER KÜSTENNAHEN EISKAPPE IM

SÜDLICHEN GRÖNLAND

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Seit 2002 wird im südlichen Grönland ein geodätisches Programm zur Überwachung von Volumenänderungen der Eiskappe realisiert. Insgesamt viermal, 2002, 2006, 2010 und 2012, fanden Feldkampagnen statt. Mittels präziser GNSS-Messungen konnten über ein Jahrzehnt hinweg Eishöhenänderungen entlang einer ca. 700 km langen Traverse über das Inlandeis mi einer Genauigkeit von 2-3 cm/a bestimmt werden.

Dabei ist in den letzten Jahren ein deutlicher Anstieg des Eisrückgangs insbesondere im Randbereich zu beobachten. Für den mittleren Teil der Traverse in Höhen über 2000 m ist eine direkte Interpretation der Höhenänderungen als Eismassenveränderungen schwierig, da größere Mengen des Schmelzwassers versickern und wieder gefrieren. Anders als noch vor 5 Jahren, sind daher die sommerlichen und winterlichen Akkumulationen kaum noch zu unterscheiden, da beide mit einer Vielzahl von Eishorizonten durchsetzt sind. Die Höhenänderungen liegen hier aber in einer Größenordnung von weniger als einem Dezimeter jährlich, so dass diese Unsicherheit in der Gesamtbilanz keine wesentliche Rolle spielt.

In den Küstennahen Bereichen ist am Ende des Sommers die Schneeauflage komplett abgeschmolzen. Die Höhenänderungen können dort direkt als Volumenund Massenverluste angesehen werden. Bemerkenswert ist, dass die Ablationszonen an der Ost- und Westseite der Eiskappe starken Veränderungen unterworfen sind. Die Ausdehnung hat sich im letzten Jahrzehnt mehr als verdoppelt.

Aktuelle Auswertungen von Fernerkundungsdaten, z.B. von LandSat-Szenen, zeigen ein weiteres Fortschreiten dieses Prozesses. Im Einzugsgebiet Gletschers Sermeq Kujalleq (Ilulissat Icefjord) ist der schneefreie Randbereich in 10 Jahren von etwa 30 auf ca. 90 km angewachsen. Zusätzlich haben die Schmelzwassersysteme und seen ihre Ausdehnung und signifikant vergrößert.



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