Deutsche Forschung in der Antarktis: Wissenschaftlicher Fortschritt und Perspektiven

230 Pages·2005·6.414 MB·German

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DeutscheForschunginderAntarktis:WissenschaftlicherFortschrittundPerspektiven
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Copyright©2005WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim
ISBN:3-527-31251-X
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Titelbild:„TafeleisbergimRossmeer“vonFranzTessensohn
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UmschlaggestaltungundTypographie:DieterHüsken
Satz:K+VFotosatz,64743Beerfelden
Druck:betz-druckgmbh,Darmstadt
Bindung:J.SchäfferGmbH,Grünstadt
Inhalt
Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XIII
Koordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XXI
1 Die globale Sonderstellung der Antarktis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Geologische Entwicklung der Antarktis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1 Geologische Komponenten und Entwicklungsschritte Antarktikas . 5
Geotektonischer Aufbau Antarktikas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Rodinia- und Gondwana-Fragmente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Die Sutur zwischen Ost- und Westgondwana . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Einheitlichkeit des Ostantarktischen Kratons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Der aktive Außenrand Gondwanas und der frühe Pazifik . . . . . . . . 9
Die jungen Kontinentalränder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Klimaentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2 Subglaziale Geologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Einsatz moderner Methoden zur Erkundung der Geologie
unter dem Eis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.3 Entwicklung junger Kontinentalränderund Riftsysteme . . . . . . . . . . 13
Die Antarktis und der Zerfallvon Gondwana . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Strukturen der Küsten- und Schelfgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Riftbildung und Dehnungstektonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Junge Bewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Aktiver Plattenrand der Antarktischen Halbinsel . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.1.4 Der Südozean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Begrenzung des heutigen Südozeans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Von Gondwana zum Südozean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Die Meeresgebietezwischen Südamerika
und der Antarktischen Halbinsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Der Südozean als Sedimentarchiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
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1.1.5 Kontinentverteilung und Klima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
KlimabestimmendeFaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Klima bei Superkontinentkonstellationen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Klimaentwicklung seit dem Tertiär . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.2 Evolution, Biogeographieund Biodiversität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.2.1 Paläontologie:Fossile Zeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Die Antarktis als Lebensraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Evolution und Klimarelevanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.2.2 Evolution und Verwandtschaftsbeziehungen
antarktischer Organismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Rekonstruktion von Regenerationsprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.2.3 Biogeographieund Biodiversität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Marines Ökosystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Wirbeltiere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Flechten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Farbtafel I. Geologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Farbtafel II. Geologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Farbtafel III. Antarktische Asseln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2 Klimawandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.1 Känozoische Klimaarchive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.1.1 Marine Sedimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Marine Sedimentologieund Bilanzierungen
von Sedimentakkumulationen als Schlüssel zur Paläoumwelt . . . . . 66
Bilanzierung rezenter Stoffflüsse ins Sediment . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.1.2 Seesedimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
PeriglazialeLandschaften in der Antarktis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.1.3 Eis als Klimaarchiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Klimainformationenaus Eisbohrkernen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Genese und Stabilität von Proxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.2 Klimaänderungen und Meeresspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.2.1 Numerische Modellierung der Eisdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Dreidimensionalethermodynamische Modelle zur Beschreibung
der Eisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Eingangsparameter und Verifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Schelfeismodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Alters-Teufen-Beziehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Modellierung von glazialen Zyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.3 Klimawandel:Auswirkungen auf Flora und Fauna . . . . . . . . . . . . . . 86
2.3.1 Störungen in marinen Ökosystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Globale Erwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
VI
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)
Eisbergstrandungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Zunahme der ultraviolettenEinstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.3.2 Störungen in terrestrischen Ökosystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Auswirkungen auf die Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Auswirkungen auf die Vegetation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Farbtafel IV. Antarktische Zoobenthos-Gemeinschaft . . . . . . . . . . . . 99
3 Energie- und Stoffkreisläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.1 Stoffkreisläufe im Südozean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Die biogeochemische CO -Pumpe des Südozeans . . . . . . . . . . . . . . 103
2
Natürliche Tracer für biogeochemische Kreisläufe im Südozean . . . 106
3.2 Kryo-pelago-benthischeKopplungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Einfluss des Meereissystemsauf das pelagische
und benthische Partialsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.3 Trophische Beziehungen und Nahrungsnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Protisten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Zooplankton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Evertebratenund Fische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Robben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Pinguine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Trophische Modellein der Antarktis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Farbtafel V. Antarktische Robben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Farbtafel VI. Antarktische Pinguine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4 Physikalische und biologische Prozesse in polaren Systemen . . . . 123
4.1 Prozesse und Wechselwirkungen
im System Atmosphäre-Eis-Ozean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.1.1 Veränderungen im Südozean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Veränderung der Zirkulation im Weddellmeer . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Zukünftige Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.1.2 Schelfeis und Eisberge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Die Rolledes Süßwassereises im Klimasystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Entwicklung eines vollständig gekoppelten Eis-Ozean-Modells . . . 130
4.1.3 Meereis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Meereis im Klimasystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Verbesserung von Meereismodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.4 Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Gekoppelte Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Austausch Atmosphäre-Ozean und Atmosphäre-Eis . . . . . . . . . . . . . 136
Atmosphärische Grenzschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
VII
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)
KatabatischerWind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Wolken und Niederschlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
GroßräumigeWechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Synoptische Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Treibhausgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Beobachtungen und Datensätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.1.5 Schnee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Schnee auf Landeis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Schnee auf Meereis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.1.6 Kleine Gletscher und Eiskappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
KlimarelevanzkleinererGletscher und Eiskappen . . . . . . . . . . . . . . 145
4.2 Funktion polarerÖkosysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.2.1 Physiologie und BiochemiepolarerektothermerOrganismen . . . . . 147
Physiologische Ursachen der Biogeographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Rollevon Sekundärmetaboliten in ökologischen Interaktionen . . . . 152
4.2.2 Lebensstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Anpassung in marinen Lebensräumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Anpassung in terrestrischen Lebensräumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Farbtafel VII. Arktische und antarktische Makroalgen . . . . . . . . . . . 162
5 Rahmenbedingungen für die deutsche Antarktisforschung . . . . . . . 163
5.1 Infrastrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.1.1 Forschungsplattformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Mobile Plattformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Polarstationen in der Antarktis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Status und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.1.2 Observatorien: Beiträgezu globalen Netzwerken . . . . . . . . . . . . . . . 174
Langzeitbeobachtungen atmosphärischer Größen . . . . . . . . . . . . . . . 175
Langzeitmessungen geophysikalischer Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.2 Einsatz neuer Technologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.2.1 Satellitenprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Fernerkundung der Land-, Eis- und Ozeanoberflächen . . . . . . . . . . 180
Fernerkundung der polaren Troposphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.2.2 Eiskern-Tiefbohrprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.2.3 Eistraversen-Programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.2.4 Geologische Bohrprojekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.3 Einbindung in langfristige internationaleGroßprojekte . . . . . . . . . . 189
5.3.1 ACCESS – Zirkumpolares Klima-und Ökosystem des Südozeans . . 189
5.3.2 Internationalebiologische Programme im Rahmen von SCAR . . . . . 192
RiSCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
EASIZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
VIII
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)
EVOLANTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
ANDEEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.3.3 InternationalesPolarjahr 2007/08. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.4 Förderinstrumente der Polarforschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Farbtafel VIII. Antarktische Flohkrebse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Anhang
A.1 Liste der beteiligten Wissenschaftler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
A.2 Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
A.3 Karten der Antarktis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
IX
Vorwort
Seit ihren Anfängen im 19. Jahrhundert hat die Erforschung der polaren Regio-
nen nichts von ihrem wissenschaftlichen Reiz verloren. Auch im 21. Jahrhun-
dert stellt sie sowohl wissenschaftlich als auch technologisch eine spannende
Herausforderung dar. Die Antarktis und die Arktis sind Schlüsselregionen für
globale Klimaveränderungen und repräsentieren aufgrund ihrer extremen geo-
graphischen Lage und ihrer Entwicklungsgeschichte einzigartige Lebensräume
mit weitgehend unberührten Ökosystemen, die sensibler auf Umweltverän-
derungen reagieren als vieleandere Regionen der Erde.
In interdisziplinären Projekten werden die Wechselwirkungen zwischen
Land, Meer, Eis und Atmosphäre, die Prozesse am Meeresboden sowie die di-
rekte und indirekte Verknüpfung aller Lebensprozesse mit der physikalisch
und chemisch bestimmten Umwelt untersucht. Die zunehmend komplexen For-
schungsaufgaben erfordern die Zusammenarbeit verschiedenster Disziplinen.
Eine der zentralen Fragestellungen ist dabei die Rolle der Polargebiete im Rah-
men von globalen Veränderungen von der Vergangenheit bis in die Zukunft.
Mit dieser Denkschrift zur Forschung in den polaren Regionen, speziell
der Antarktis, wird nicht nur ein Statusbericht über das Erreichte, sondern zu-
gleich auch eine Perspektive zukünftiger Aufgaben entworfen, die sich auch
durch neue Technologien und Verfahren eröffnen. Die Polarforschung der Bun-
desrepublik Deutschland verfügt inzwischen über modernste wissenschaftliche
und logistische Möglichkeiten, die ihr international zu einer führenden Rolle
verholfen haben. Seit mehr als 25 Jahren unterstützt und fördert die Deutsche
Forschungsgemeinschaft die Arbeiten deutscher Wissenschaftler in der Antark-
tis. Wichtigstes Instrument hierfür war und ist das seit 1981 existierende
Schwerpunktprogramm „Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchun-
gen in arktischen Eisgebieten“, mit dem besonders dem wissenschaftlichen
Nachwuchs der Einstieg in dieses Forschungsgebiet ermöglicht wird. Durch die
bisherige Förderung der DFG und anderer Mittelgeber ist es der deutschen Po-
larforschung gelungen, im internationalen Vergleich einen Platz in der Spitzen-
gruppe zu erreichen. Hierzu ist auch eine stetige Weiterentwicklung und Er-
neuerung der wissenschaftlichen Infrastruktur und logistischen Ausstattung er-
forderlich. Nur so kann es gelingen, die Bedeutung der deutschen Antarktisfor-
schung im internationalenFeld weiter auszubauen und den spezifischen Anfor-
DeutscheForschunginderAntarktis:WissenschaftlicherFortschrittundPerspektiven XI
DFG,DeutscheForschungsgemeinschaft
Copyright©2005WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim
ISBN:3-527-31251-X
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derungen einer umweltgerechten Antarktis- und Arktisforschung, insbesondere
der Interdisziplinarität und der internationalen Vernetzung, besser gerecht zu
werden. Um auch zukünftig eine führende Rolle bei der internationalen Pro-
grammgestaltung und Durchführung von Projekten wahrnehmen zu können,
ist es notwendig, dass der in der Denkschrift begründete Forschungsbedarf
möglichst weitgehend umgesetzt wird.
Die Denkschrift richtet sich einerseits an Wissenschaftlerinnen und Wis-
senschaftler in Universitäten und außeruniversitären Forschungseinrichtungen,
denn nur durch deren Engagement können die angesprochenen offenen Fra-
gestellungen in Programme und Projekte umgesetzt werden. Andererseits sind
die zuständigen politischen Stellen des Bundes und der Länder angesprochen,
ohne deren Unterstützung die für eine moderne, international wegweisende
Polarforschung notwendigen Rahmenbedingungen nicht geschaffen werden
können.
Ich bedanke mich bei den Autoren und allen, die durch ihre Diskussionen
und Anregungen zur Erstellung dieser eindrucksvollen Denkschrift beigetra-
gen haben.
Prof. Dr. Ernst-Ludwig Winnacker
Präsident der Deutschen Forschungsgemeinschaft
XII