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Paläoklimarekonstruktionen, die es sich zum Ziel gesetzt haben, Klima-Mensch Interaktionen auf lange Zeitreihen betrachtet zu erforschen, nehmen begünstigt durch die aktuell intensiv geführte Klimadebatte, einen immer größer werdenden Stellenwert in der öffentlichen und wissenschaftlichen Wahrnehmung ein. Denn trotz aller wissenschaftlicher Fortschritte, die in den vergangenen Jahrzehnten im Bereich der modernen Klimaforschung gemacht wurden, bleibt die zuverlässige Vorhersage und Modellierung von zukünftigen Klimaveränderungen noch immer eine der größten Herausforderungen unser heutigen Zeit. Betrachtet man die Karibik exemplarisch in diesem Rahmen, dann prognostizieren viele Modellrechnungen, infolge steigender Ozeantemperaturen, ein deutlich häufigeres Auftreten von tropischen Stürmen und Hurrikanen sowie eine Verschiebung hin zu höheren Sturmstärken. Dieser Trend stellt für die Karibik und viele daran angrenzende Staaten eine der größten Gefahren des modernen Klimawandels dar, den es wissenschaftlich über einen langen Zeitrahmen zu erforschen gilt.
Klimaprognosen stützen sich meist vollständig auf hoch-aufgelöste instrumentelle Datensätze. Diese sind aber alle durch einen wesentlichen Aspekt limitiert. Aufgrund ihrer eingeschränkten Verfügbarkeit (~150 Jahre) fehlt ihnen die erforderliche Tiefe, um die auf langen Zeitskalen operierenden Prozesse der globalen Klimadynamik adäquat abbilden zu können. Betrachtet man das Holozän in seiner Gesamtheit, so wurde die globale Klimadynamik über die vergangenen ~11,700 Jahre von periodisch auftretenden Prozessen und Abläufen gesteuert. Diese wirken grundsätzlich über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten, teilweise Jahrhunderten und in einigen Fällen sogar Jahrtausenden. Viele dieser natürlichen Prozesse, können in der kurzen Instrumentellen Ära nicht gänzlich identifiziert und angemessen in Klimamodellen berücksichtig werden. Die alleinige Berücksichtigung der Instrumentellen Ära bietet daher nur eine eingeschränkte Perspektive, um die Ursachen und Abläufe von vergangenen sowie mögliche Folgen von zukünftigen Klimaveränderungen zu verstehen. Um diese Einschränkung zu überwinden, ist es somit erforderlich, dass die geowissenschaftliche Forschung mit Proxymethoden ein zusammenfassendes und mechanistisches Verständnis über alle Holozänen Klimaveränderungen erlangt.
Wenn man sich diese Limitierung, die ansteigenden Ozeantemperaturen und das in der Karibik in den vergangen 20 Jahren vermehrte Auftreten von starken tropischen Zyklonen ins Gedächtnis ruft, ist es nachvollziehbar, dass im Rahmen dieser Doktorarbeit ein zwei Jahrtausende langer und jährlich aufgelöster Klimadatensatz erarbeitet werden soll, der spät Holozäne Variationen von Ozeanoberflächenwasser-temperaturen (SST) und daraus resultierende lang-zeitliche Veränderungen in der Häufigkeit tropischer Zyklone widerspiegelt. In Zentralamerika wird das Ende der Maya Hochkultur (900-1100 n.Chr.) mit drastischen Umweltveränderungen (z.B. Dürren) assoziiert, die während der Mittelalterlichen Warmzeit (MWP; 900-1400 n.Chr.) durch eine globale Klimaveränderung hervorgerufen wurde. Die aus einem „Blue Hole“ abgeleiteten Informationen über Klimavariationen der Vergangenheit können als Referenz für die gegenwärtige Klimakriese verwendet werden.
Als „Blue Hole“ wird eine Karsthöhle bezeichnet, die sich subaerisch während vergangener Meeresspiegeltiefstände im karbonatischen Gerüst eines Riffsystems gebildet hat und in Folge eines Meeresspiegelanstiegs vollständig überflutet wurde. In einigen wenigen marinen „Blue Holes“ treten anoxische Bodenwasserbedingungen auf. Die in diesen anoxischen Karsthöhlen abgelagerten Abfolgen mariner Sedimente können als einzigartiges Klimaarchiv verwendet werden, da sie aufgrund des Fehlens von Bioturbation eine jährliche Schichtung (Warvierung) aufweisen.
In dieser kumulativen Dissertation über das „Great Blue Hole“ werden die Ergebnisse eines 3-jährigen Forschungsprojekts vorgestellt, dass das Ziel verfolgte einen wissenschaftlich herausragenden spät Holozänen Klimadatensatz für die süd-westliche Karibik zu erzeugen. Beim „Great Blue Hole“ handelt es sich um ein weltweit einzigartiges marines Sedimentarchiv für diverse spät Holozäne Klima-veränderungen, das im Zuge dieser Dissertation sowohl nach paläoklimatischen als auch nach sedimentologischen Fragestellungen untersucht wurde. Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich im Einzelnen mit (1) der Ausarbeitung eines jährlich aufgelösten Archives für tropische Zyklone, (2) der Entwicklung eines jährlich aufgelösten SST Datensatzes und (3) einer kompositionellen Quantifizierung der sedimentären Abfolgen sowie einer faziell-stratigraphischen Charakterisierung von Schönwetter-Sedimenten und Sturmlagen. Zu jedem dieser drei Aspekte, wurde jeweils ein Fachartikel bei einer anerkannten wissenschaftlichen Fachzeitschrift mit „peer-review“ Verfahren veröffentlicht.
Der insgesamt 8.55 m lange Sedimentbohrkern („BH6“), der für diese Dissertation untersucht wurde, stammt vom Boden des 125 m tiefen und 320 m breiten „Great Blue Holes“, das sich in der flachen östlichen Lagune des 80 km vor der Küste von Belize (Zentralamerika) gelegenen „Lighthouse Reef“ Atolls befindet. Durch seine besondere Geomorphologie wirkt das, innerhalb des atlantischen „Hurrikan Gürtels“ positionierte, „Great Blue Hole“ wie eine gigantische Sedimentfalle. Die unter Schönwetter-Bedingungen kontinuierlich abgelagerten Abfolgen feinkörniger karbonatischer Sedimente, werden von groben Sturmlagen unterbrochen, die auf „over-wash“ Prozesse von tropischen Zyklonen zurückzuführen sind.
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Aim: The identification of the mechanisms determining spatial variation in biological diversity along elevational gradients is a central objective in ecology and biogeography. Here, we disentangle the direct and indirect effects of abiotic drivers (climatic conditions, and land use) and biotic drivers (vegetation structure and food resources) on functional diversity and composition of bird and bat assemblages along a tropical elevational gradient. Location: Southern slopes of Mt. Kilimanjaro, Tanzania, East Africa. Methods: We counted birds and recorded bat sonotypes on 58 plots distributed in near-natural and anthropogenically modified habitats from 700 to 4,600 m above sea level. For the recorded taxa, we compiled functional traits related to movement, foraging and body size from museum specimens and databases. Further, we recorded mean annual temperature, precipitation, vegetation complexity as well as the number of fruits, flowers, and insect biomass as measures of resource availability on each study site. Results: Using path analyses, we found similar responses of bird and bat functional diversity to the variation in abiotic and biotic drivers along the elevational gradient. In contrast, the functional composition of both taxa showed distinct responses to abiotic and biotic drivers. For both groups, direct temperature effects were most important, followed by resource availability, precipitation and vegetation complexity. Main Conclusions: Our findings indicate that physiological and metabolic constraints imposed by temperature and resource availability determine the functional diversity of bird and bat assemblages, whereas the composition of individual functional traits is driven by taxon-specific processes. Our study illustrates that distinct filtering mechanisms can result in similar patterns of functional diversity along broad environmental gradients. Such differences need to be taken into account when it comes to conserving the functional diversity of flying vertebrates on tropical mountains.
Aim: Biological invasions are likely determined by species dispersal strategies as well as environmental characteristics of a recipient region, especially climate and human impact. However, the contribution of climatic factors, human impact, and dispersal strategies in driving invasion processes is still controversial and not well embedded in the existing theoretical considerations. Here, we study how climate, species dispersal strategies, and human impact determine plant invasion processes on islands distributed in all major oceans in the context of directional ecological filtering.
Location: Six mountainous, tropical, and subtropical islands in three major oceans: Island of Hawai'i and Maui (Pacific), Tenerife and La Palma (Atlantic), and La Réunion and Socotra (Indian Ocean).
Taxon: Vascular Plants.
Methods: We recorded 360 non-native species in 218 plots along roadside elevational transects covering the major temperature, precipitation and human impact (i.e., road density) gradients of the islands. We collected dispersal strategies for a majority of the recorded species and calculated the environmental niche per species using a hypervolume approach.
Results: Non-native species’ generalism (i.e., mean community niche width) increased with precipitation, elevation and human impact but showed no relationship with temperature. Increasing precipitation led to environmental filtering of non-native species resulting in more generalist species under high precipitation conditions. We found no directional filtering for temperature but an optimum range of most species between 10 and 20°C. Niche widths of non-native species increased with the prevalence of certain dispersal strategies, particularly anemochory and anthropochory.
Main conclusions: Plant invasion on tropical and subtropical islands seems to be mainly driven by precipitation and human impact, while temperature seems to be of little importance. Furthermore, anemochory and anthropochory are dispersal strategies associated with large niche widths of non-native species. Our study allows a more detailed look at the mechanisms behind directional ecological filtering of non-native plant species in non-temperature-limited ecosystems.