Der arktische Ozean 2020 – Ventilationszeitskalen, anthropogener Kohlenstoff und Variabilität in einer sich verändernden Umgebung

• Antragsteller: Professor Dr. Werner Aeschbach; Dr. Toste Tanhua
• Fachliche Zuordnung: Physik, Chemie und Biologie des Meeres ; Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456675218

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Arktische Ozean (AO) unterliegt derzeit einem raschen klimatischen Wandel. Unser Projekt nutzte eine Vielzahl von Tracern, um seine Belüftung zu untersuchen. Als Teil der ODEN- Fahrt SAS21 wurden sechs vollständige Tiefenprofile von stabilen Edelgasen und den Datierungs-Tracern 39Ar, 14C, SF6 und CFC-12 im zentralen AO beprobt. Darüber hinaus wurden Proben für die Analyse von halogenierten Verbindungen („Medusa-Tracer“) sowie der anthropogenen Radionuklide 129I und 236U genommen. FCKW-12 und SF6 sind Ventilationstracer in den oberen Wasserschichten, während 129I und 236U ein Maß für die horizontale Zirkulation in diesen Schichten darstellen. 39Ar und 14C sind am besten geeignet, um das Wasseralter der tieferen Schichten abzuleiten. Stabile Edelgase zeigen Gassättigungsanomalien auf, die mit Oberflächenprozessen wie rascher Abkühlung oder Eisbildung zusammenhängen. In Kombination liefern die Tracer beispiellose Informationen über die Dynamik des zentralen AO: Auf sehr junges, von Eisbildung beeinflusstes Wasser in der polaren Mischschicht folgt die atlantische Schicht, in der die Alter von höchstens einigen Jahrzehnten entlang der bekannten Zirkulationswege horizontal ansteigen. Unterhalb von etwa 1000 m Tiefe nehmen die Alter stark mit der Tiefe zu und erreichen vergleichsweise konstante Werte im Tiefenwasser unterhalb von 2000 m. Das Tiefenwasser im Makarov-Becken ist wesentlich älter als im Eurasischen Becken, obwohl es Hinweise auf einen Wasseraustausch durch Zwischenbeckenprozesse über den Lomonossow-Rücken gibt. Ein Vergleich der neuen Tracer-Ergebnisse mit publizierten Daten ermöglicht die Untersuchung von Veränderungen des Ventilationsregimes. Die relativ große verfügbare Datenbasis für FCKW und SF6 dokumentiert eine multidekadische Variation der Ventilationsstärke in der mittleren Schicht (250 – 1500 m) des eurasischen AO über die letzten 30 Jahre, mit einer Verstärkung zwischen 1991 und 2005 gefolgt von einer Abschwächung bis 2021. Für 39Ar, das in diesem Projekt zum ersten Mal mittels Atom Trap Trace Analysis (ATTA) im AO analysiert wurde, gibt es nur wenige frühere Ergebnisse zum Vergleich. Innerhalb der experimentellen Unsicherheiten können keine eindeutigen Trends über die letzten 30 Jahre festgestellt werden, was durch konstante Radiokohlenstoffwerte im Tiefenwasser bestätigt wird. Das volle Potenzial der Tracerdaten wird durch Modellierung erschlossen, wobei die Daten dynamische Ozeanprozesse einschränken. So konnten z. B. mit Hilfe von Edelgasen die rasche Abkühlung im Quellgebiet der atlantischen Schicht und andere Prozesse, die zu Sättigungsanomalien bei transienten Gastracern führen, eingegrenzt werden. Die breite Palette der Datierungstracer ermöglicht die Auflösung des gesamten Spektrums der Transitzeitverteilungen (TTDs). Die neuartigen Medusa-Tracer und die anthropogenen Radioisotope 129I und 236U zeigen dabei deutlich den Wert multipler transienter Tracer. Letztlich bilden die TTDs die Basis zur Berechnung der Aufnahme von anthropogenem Kohlenstoff im Arktischen Ozean.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Sampling and purification methods for dating by Atom Trap Trace Analysis in various environments. Goldschmidt2021 abstracts. European Association of Geochemistry.
  Arck, Yannis; Wachs, David; Schmidt, Maximilian; Ringena, Lisa; Robertz, Julian; Oberthaler, Markus & Aeschbach, Werner
  
• Argon Trap Trace Analysis: Applications on age determination in ocean science and stratified lakes. In: DPG Spring Meeting. Erlangen, 2022. DPG, Q 18.2.
  Arck, Y., Robertz, J., Schmidt, M., Wachs, D., Meienburg, F., Aeschbach, W. & Oberthaler, M.
  
• Circulation times and new data on I-129 and U-236 across the Arctic Ocean. In: Arctic-Subarctic Ocean Fluxes Meeting 2022.
  Wefing, A.-M., Payne, A., Casacuberta, N., Christl, M. & Smith, J. N.
  
• Anthropogenic Carbon in the Arctic Ocean: Perspectives From Different Transient Tracers. Journal of Geophysical Research: Oceans, 129(1).
  Raimondi, Lorenza; Wefing, Anne‐Marie & Casacuberta, Núria
  
• Investigating ventilation and saturation dynamics in the Arctic Ocean using noble gas tracer techniques. EGU 2023.
  Arck, Y., Wachs, D., Robertz, J., Aeschbach, W. & Oberthaler, M.
  
• New ventilation and gas saturation constraints for the Arctic Ocean from dissolved gas tracer data. Goldschmidt2023 abstracts. European Association of Geochemistry.
  Arck, Yannis; Gerke, Lennart; Brinkman, Jakob; Engelhardt, Edith; Friedrich, Ronny; Freundt, Florian; Robertz, Julian; Scott, Stanley; Wachs, David; Negele, Sophie; Oberthaler, Markus; Tanhua, Toste; Aeschbach, Werner & Frank, Norbert
  
• Temporal Variability of Ventilation in the Eurasian Arctic Ocean, ASSW 2023.
  Gerke, L. & Tanhua, T.
  
• Temporal variability of ventilation in the Eurasian Arctic Ocean, Nansen Legacy Symposium 2023.
  Gerke, L., Tanhua, T. & Arck, Y.
  
• Update on Argon Trap Trace Analysis – value of 39Ar measurements in various environmental systems. IAEA, Isotope Hydrology, Vienna, 2023.
  Meienburg, F., Robertz, J., Wachs, D., Arck, Y., Kundy, L., Schmidt, M., Rädle, V., Mandaric, N., Oberthaler, M. & Aeschbach, W.
  
• Using noble gases to constrain Arctic water ages and formation conditions. DINGUE 2023.
  Scott, S., Arck, Y., Engelhardt, E., Gerke, L., Freundt, F., Negele, S., Tanhua, T. & Aeschbach, W.
  
• Analyzing 39Ar depth profiles in the Arctic Ocean with the new ArTTA measuring technique. DPG 2024.
  Kindermann, C., Arck, Y., Wachs, D., Robertz, J., Oberthaler, M. & Aeschbach, W.
  
• Constraining physical gas exchange processes and transient tracer saturations in the Arctic Ocean using noble gases. OSM 2024.
  Scott, S., Arck, Y., Engelhardt, E., Gerke, L., Freundt, F., Hubner, C., Negele, S., Tanhua, T. & Aeschbach, W.
  
• Estimating ventilation timescales by transit time distribution models using dating tracers 39Ar, 14C and CFC-12/SF6 in the Arctic Ocean. OSM 2024.
  Arck, Y., Gerke, L., Brinkmann, J., Kindermann, C., Negele, S., Robertz, J., Scott, S., Wachs, D., Frank, N., Oberthaler, M., Tanhua, T. & Aeschbach, W.
  
• Temporal Variability of Ventilation in the Eurasian Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans, 129(7).
  Gerke, Lennart; Arck, Yannis & Tanhua, Toste
  
• Temporal variability of ventilation in the Eurasian Arctic Ocean. OSM 2024.
  Gerke, L., Tanhua, T., Arck, Y. & Aeschbach, W.