Den Ozean hochauflösend im Blick

Der Ozean ist ein zentraler Bestandteil des Erdsystems: Er absorbiert den Großteil der durch menschliche Aktivitäten erzeugten überschüssigen Wärme, bindet einen erheblichen Teil des in die Atmosphäre ausgestoßenen Kohlendioxids und erhält Ökosysteme aufrecht, die für die Ernährungssicherheit, die Wirtschaft und die Artenvielfalt unerlässlich sind. Viele dieser Prozesse werden stark von kleinräumigen Meeresbewegungen beeinflusst.

Diese Strukturen (Wirbel, Fronten und Filamente) erstrecken sich über wenige Kilometer und entwickeln sich innerhalb von Tagen bis Wochen. Trotz ihrer geringen Größe spielen sie eine überproportionale Rolle: Sie steuern den Austausch von Wärme und Kohlendioxid mit der Atmosphäre, den vertikalen Transport von Nährstoffen aus der Tiefe sowie die räumliche und zeitliche Organisation des marinen Lebens. Aufgrund ihrer Vergänglichkeit und der Schwierigkeit, sie zu beobachten, sind sie nur unzureichend dokumentiert, und ihre Auswirkungen werden in Klimamodellen noch nicht ausreichend berücksichtigt.

Das Projekt WHIRLS (Unravelling the impact of ocean fine-scale whirls on our climate and ecosystems, deutsch: Die Auswirkungen kleinräumiger Meereswirbel auf Klima und Ökosysteme verstehen) betrachtet den Ozean, die Atmosphäre und die marinen Ökosysteme genau auf den räumlichen und zeitlichen Skalen, auf denen ihre Wechselwirkungen am intensivsten sind.

Ein natürliches Labor vor der Küste Südafrikas

Im Mittelpunkt der Kampagne steht die Agulhas-Strömung, eine der energiereichsten Meeresströmungen der Erde. In diesem Gebiet treffen warme Gewässer aus dem Indischen Ozean auf kältere Gewässer aus dem Atlantik und dem Südlichen Ozean, was zu intensiven Turbulenzen, starken Temperaturgradienten und regem Austausch mit der Atmosphäre führt. Ein Teil dieses warmen Wassers fließt in den Atlantik ab und speist die große Ozeanzirkulation, die Wärme über den gesamten Planeten verteilt.

Im südlichen Winter, dem für die Kampagne gewählten Zeitraum, verschärfen sich die Kontraste zwischen Ozean und Atmosphäre. Stürme treten häufig auf, und kleinräumige Prozesse sind besonders aktiv. Die Region bildet zu dieser Jahreszeit somit ein ideales natürliches Labor zur Untersuchung des Einflusses kleinräumiger Ozeandynamik auf Klima und Ökosysteme.

Zwei Schiffe und eine Flotte autonomer Messgeräte

Das Herzstück der Feldkampagne bilden zwei Forschungsschiffe, die MARION DUFRESNE (Frankreich) und die SA AGULHAS II (Südafrika), die als mobile wissenschaftliche Observatorien fungieren. In enger Zusammenarbeit werden sie nahezu zeitgleich Messungen in einem Gebiet von etwa 40.000 Quadratkilometern durchführen und dabei die dreidimensionale Struktur der oberen 1.000 Meter des Ozeans und der unteren Atmosphäre untersuchen.

Da die Schiffe nicht überall gleichzeitig sein können, werden sie von einer großen Flotte autonomer Plattformen unterstützt: Unterwassergleiter, Wellengleiter, Segelbojen, rund 200 Oberflächendrifter, 18 profilierende Argo-Floats und Meeresdrohnen vom Typ Saildrone. Zudem werden rund 300 atmosphärische Sondierungen mithilfe von Radiosonden-Ballons und Profilern durchgeführt, ergänzt durch lasergestützte Windmessungen und Luftdrohnen zur Charakterisierung der unteren Atmosphäre. Zusammen ermöglicht dieses Netzwerk eine bisher unerreichte räumliche und zeitliche Auflösung, um die Entstehung, Entwicklung und Auflösung kleinräumiger Ozeanstrukturen nahezu in Echtzeit zu verfolgen.

Beobachtung des Lebens, von Viren bis zu Meeressäugetieren

Das biologische und biogeochemische Programm von WHIRLS ist umfangreich: Wasserproben werden auf Nährstoffe und ihre Isotopenzusammensetzung untersucht; Planktonnetze fangen größere Organismen ein; und genetische sowie genomische Analysen erfassen die Artenvielfalt detailliert, einschließlich Viren und Bakterien, die sonst nur schwer zu beobachten sind. Auf größerer Ebene erfassen akustische Systeme Zooplankton und Fische, während Beobachter Seevögel und Meeressäugetiere zählen.

Kleinräumige Ozeanstrukturen schaffen oft Zonen mit hoher biologischer Konzentration, die Raubtiere anziehen. Die Verfolgung dieser Dynamik vom Virus bis zum Säugetier, parallel zu physikalischen und chemischen Prozessen, bietet einen integrierten Blick auf das marine Biom, wie er selten erreicht wird.

Feldkampagne ist Kernstück des europäischen ERC-Synergieprojekts WHIRLS

Die Kampagne ist ein zentraler Bestandteil des ERC-Synergy-Projekts WHIRLS, das vom Europäischen Forschungsrat im Rahmen des Programms „Horizont Europa“ finanziert wird. Das Projekt bringt physikalische Ozeanographen, Spezialisten für Modellierung und Beobachtung sowie Biogeochemiker aus Deutschland, Frankreich, Schweden und Südafrika zusammen.

Die vier Projektleiter:innen sind Arne Biastoch (GEOMAR, Kiel), Sabrina Speich (École Normale Supérieure, Paris), Sebastiaan Swart (Universität Göteborg) und Sarah Fawcett (Universität Kapstadt).

Die Beobachtungskampagne wird ergänzt durch ein umfangreiches System von Ozean- und Klimamodellen, die die Kampagne eng begleiten und die gewonnenen Daten raum-zeitlich in einen größeren Zusammenhang einordnen. Arne Biastoch, Professor für Ozeandynamik am GEOMAR, fasst zusammen: „Die umfangreiche Beobachtung dieser kleinräumigen Prozesse im Ozean sowie des Lebens, das sie beherbergen – von Viren bis hin zu Meeressäugetieren – in Kombination mit Computermodellen ist einmalig. Indem wir diese Bereiche, die normalerweise getrennt untersucht werden, zusammenführen, werden wir verstehen können, wie die kleinsten Strukturen des Ozeans auf das Klima und die Biodiversität einwirken.“

Eine breit angelegte internationale Zusammenarbeit

Über die vier Teams des ERC-Konsortiums hinaus mobilisiert WHIRLS eine breite internationale Partnerschaft, an der insbesondere Südafrika, Deutschland, Schweden, Frankreich, Italien, das Vereinigte Königreich, China und die Vereinigten Staaten sowie zahlreiche Forschungsinstitute und Weltraumagenturen beteiligt sind. Durch die gleichzeitige Beobachtung von Physik, Biogeochemie und Ökosystemen im kleinen Maßstab wird die Kampagne wesentliche Erkenntnisse liefern, um Klimaprognosen zu verbessern, den Kohlenstoffkreislauf des Ozeans besser zu verstehen und die Reaktionen mariner Ökosysteme auf den Klimawandel vorherzusagen.

Förderung:

WHIRLS wird im Rahmen des Programms „Horizon Europe ERC Synergy Grant“ der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 101118693 finanziell unterstützt.