Klima und Umwelt

Erforschung der miteinander verbundenen Klima- und Umweltsysteme der Erde

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Das Klima und die Umwelt der Erde werden durch ein komplexes Zusammenspiel geologischer, biologischer und chemischer Prozesse gesteuert. Unsere Forschung im Schwerpunktbereich Klima und Umwelt zielt darauf ab, diese grundlegenden Mechanismen zu entschlüsseln, von den mikroskopisch kleinen Lebewesen, die die globalen Elementkreisläufe steuern, bis hin zu den gewaltigen geologischen Kräften, die die Oberfläche und Atmosphäre unseres Planeten formen. Ein wichtiges Thema ist der Kohlenstoffkreislauf, der untrennbar mit der Klimastabilität verbunden ist. So bindet beispielsweise die chemische Verwitterung von Silikatgesteinen jährlich etwa 0,1 Gigatonnen Kohlenstoff aus der Atmosphäre, wodurch die CO₂-Emissionen aus der festen Erde kompensiert und das Klima der Erde stabilisiert werden. Ein erheblicher Teil dieser globalen Verwitterung findet möglicherweise in Sedimenten statt, die in Überschwemmungsgebieten gespeichert sind. Durch geochemische Analysen von Wasser und Sedimenten quantifizieren wir den durch Verwitterung in diesen Überschwemmungsgebieten gebundenen Kohlenstoff, um diese Prozesse mechanistisch zu verstehen und ihre entscheidende Rolle im langfristigen Kohlenstoffkreislauf der Erde vorherzusagen. Darüber hinaus interessieren wir uns dafür, wie Leben unter anhaltender Energiebeschränkung tief unter dem Meeresboden über geologische Zeiträume hinweg überleben kann, und untersuchen mikrobielle Gemeinschaften, die in verschiedenen energiearmen Umgebungen, von tiefseemäßigem rotem Lehm bis zu Sedimenten am Kontinentalrand, existieren. Wir konzentrieren uns darauf, wie die abiotische und biologische Wasserstoffproduktion diese Ökosysteme unter thermodynamischen Bedingungen unterstützt, die nahe an der energetischen Grenze des Lebens liegen.

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Ein tieferes Verständnis der Vergangenheit unseres Planeten wird durch die Erforschung der Paläoumwelt vermittelt. Dazu gehört die Untersuchung fossilienhaltiger Archive und die Analyse erhaltener Lebensformen in Verbindung mit sedimentologischen Daten, um vergangene Umgebungen und Klimata zu rekonstruieren. So ermöglicht beispielsweise die detaillierte Analyse außergewöhnlich gut erhaltener Fischfossilien aus paläolithischen Seen des Miozäns im Zentralkenia-Graben zusammen mit gleichzeitig vorkommenden Fossilien und Proben für Pollen- und Tonmineralogie wichtige paläoökologische und paläoklimatische Rekonstruktionen. Diese Studien zur Evolutionsgeschichte und zu vergangenen Umweltbedingungen sind von entscheidender Bedeutung, da sie direkte Informationen zum Verständnis der Reaktion von Organismen auf Umweltveränderungen liefern, insbesondere angesichts der spärlichen Fossilienfunde zur afrikanischen Süßwasserfischfauna. Die Untersuchung dieser alten Ablagerungen steht in direktem Zusammenhang mit dem aktuellen Zustand unserer Ozeane, in denen aufgrund anthropogener Aktivitäten dramatische Veränderungen stattfinden. Die globalen Sauerstoffreserven der Ozeane sind zurückgegangen, was zu einer Ausdehnung der Sauerstoffminimumzonen (OMZ) geführt hat.

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Dies bringt uns zum Kern der Biogeochemie, dem interdisziplinären Fachgebiet, das Leben und Umwelt durch Elementkreisläufe miteinander verbindet. Wir untersuchen die Auswirkungen der Sauerstoffverarmung der Ozeane auf die Sequestrierung von gelöstem organischem Material (DOM), das ebenso viel Kohlenstoff speichert wie atmosphärisches CO₂, sowie dessen Wechselwirkung mit mikrobiellen Gemeinschaften und den marinen Kohlenstoff- und Schwefelkreisläufen. Mithilfe fortschrittlicher Analysemethoden wie der Fourier-Transform-Ionenzyklotron-Resonanz-Massenspektrometrie (FT-ICR-MS) und der Metatranskriptomik sind wir in der Lage, DOM auf molekularer Ebene zu charakterisieren und die spezifischen Funktionen mikrobieller Gemeinschaften in OMZs vorherzusagen. Diese Arbeit wird auch auf die Antarktis ausgedehnt, wo der Klimawandel am deutlichsten sichtbar ist, mit dem Ziel, die Umweltfaktoren zu verstehen, die hinter der Funktion von Mikroorganismen und DOM-Pools als Reaktion auf die Erwärmung stehen. Darüber hinaus entschlüsseln wir die Identität wichtiger mikrobieller Gruppen, die für wichtige C- und N-Kreislaufprozesse verantwortlich sind, indem wir quantitative DNA-Stabilisotopenuntersuchungen einsetzen, um zu untersuchen, welche Mikroben für die Assimilation bestimmter Kohlenstoff- und Stickstoffchemikalien wichtiger sind als andere.

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Geologische Prozesse wie Vulkanausbrüche haben ebenfalls einen erheblichen, oft dramatischen Einfluss auf das Klima. Wir untersuchen insbesondere die Wechselwirkung zwischen Vulkanasche und Gasen, die zu einer Gasreinigung führt und sich auf unsere globale Quantifizierung der Vulkanemissionen auswirkt. Wir untersuchen auch Vulkanblitze und die Elektrifizierung von Vulkanwolken, die den Transport, die Reaktion, die Ablagerung und die Remobilisierung von Asche beeinflussen. Ähnlich wie bei Gewitterwolken können Vulkanblitze aus der Ferne erfasst werden, wodurch eine Echtzeitkartierung von Aschewolken möglich ist. Wir erforschen den Zusammenhang zwischen Elektrifizierung und Eruptionsparametern (Massenausbruchsrate und Korngrößenverteilung). Über die Vulkanologie hinaus liefert diese Forschung ein grundlegendes Verständnis der Elektrifizierungsprozesse in staubigen Umgebungen, die für industrielle Prozesse, die Elektrizität der Erde und anderer Planeten sowie als Katalysator für die Entstehung des Lebens relevant sind. Zusammengenommen unterstreichen diese Forschungsstränge die wesentlichen, miteinander verflochtenen Rollen geologischer Prozesse, chemischer Umwandlungen und biologischer Aktivitäten bei der Aufrechterhaltung und Veränderung der komplexen globalen Systeme, die unser Klima und unsere Umwelt bestimmen.