Sediment reworking mechanisms in shelf seas : In situ observations from the southeastern North Sea

The seafloor in shallow coastal and shelf seas is a highly dynamic system providing plenty of natural resources and important ecosystem services. Driven by energetic physical forcing, biological activity and intense anthropogenic use, its mobile sediments are constantly overturned. The reworking processes mediate the exchange of abundant organic matter and pollutants across the benthic interface. Coherent in situ measurements of forcing and morphodynamic response help to identify relevant reworking mechanisms, to outline their spatial and temporal scales, and to quantify their impacts on the benthic ecosystem. New high-resolution observation techniques enable also the assessment of small-scale processes that, due to their ubiquity, are yet of shelf-wide importance. This thesis explores three mechanisms in the southeastern North Sea: The morphology and dynamics of small scale-bedforms, the relation of physical and biogenic sediment reworking by bedform migration and bioturbation, and the effect of submarine fluid expulsion. The analysis of these processes reveals new links between physical and biological drivers and illustrates their complex interactions at the benthic interface. Z U S A M M E N FA S S U N G Der Meeresboden in flachen Küstenund Schelfmeeren ist ein hochdynamisches System, das eine Vielzahl natürlicher Resourcen und wichtige Ökosystemdienstleistungen bereitstellt. Angetrieben durch starke physikalische Kräfte, biologische Aktivität und intensive anthropogene Nutzung werden seine mobilen Sedimente ständig umgelagert. Die Umlagerungsprozesse beeinflussen den Austausch von organischem Material und Schadstoffen zwischen Wassersäule und Sediment. Kohärente In-situ-Messungen des Antriebs und der morphodynamischen Reaktion helfen, relevante Umlagerungsmechanismen zu identifizieren, ihre räumlichen und zeitlichen Skalen zu umreißen und ihre Auswirkungen auf das benthische Ökosystem zu quantifizieren. Neue hochauflösende Beobachtungsmethoden ermöglichen auch die Bewertung kleinskaliger Prozesse, die aufgrund ihrer Allgegenwärtigkeit aber von schelf-weiter Bedeutung sind. In dieser Arbeit werden drei Mechanismen in der südöstlichen Nordsee untersucht: Die Morphologie und Dynamik kleinskaliger Bodenformen, das Verhältnis von physikalischen und biogenen Sedimentumlagerungen durch Bodenformmigration und Bioturbation und die Wirkung von submarinen Flüssigkeitsaustritten. Die Analyse dieser Prozesse zeigt neue Verbindungen zwischen physikalischen und biologischen Akteuren auf und veranschaulicht ihre komplexen Wechselwirkungen an der benthischen Grenzfläche. A C K N O W L E D G M E N T S This thesis was created at MARUM – Center for Marine Environmental Research at the University of Bremen with support from the GLOMAR graduate school. The position was partially funded by MARUM and project NOAH – North Sea Observation and Assessment of Habitats. I would like to express my gratitude towards a number of people without whom I would not have completed this work. My supervisor, Christian Winter, for the right balance between motivating enthusiasm for new approaches and doktorväterlicher strictness demanding focus and keeping track with the ever-looming schedule. Tobias Mörz for kindly taking over the second review. The Coastal Dynamics work group for a warm welcome and an excellent working atmosphere. My fellow PhD students and wonderful office mates Brice, Markus and Mohammad. My colleagues Marius and Gerald for long scientific and non-scientific discussions over coffee and beer. Alice for exchange of experiences with bedforms and babies. Gabriel for all the little technical miracles and company during cruises and Soeren for all the talks about the geeky stuff. Captain and crew on R/V Heincke for the professional support of the scientific program and the good atmosphere during five cruises in the German Bight. The developers and contributors behind free and open source software such as Linux, KDE, QGIS, gdal, ImageMagick, MB-System, OpenCPN and LATEX. Andreas, Benny and Dennis für ihre Freundschaft, spontane Besuche und Zerstreuung in Schnee, Sand, Wind und Wellen. Meinen Eltern für eine weltoffene Erziehung und ihre Bereitschaft, mich meiner Wege ziehen zu lassen und mir gleichzeitig immer ein Zuhause zu bieten. Und schließlich meiner eigenen kleinen Familie für all die Liebe, Symphatie und Motivation, die es braucht um das beständige Auf und Ab in der Forschung durchzustehen.